Cartilage Regeneration with Tunable Inflammation Resistance

摘要 修复大的软骨损伤，这是目前可用的一线组织禁忌 再生技术，仍然是一个重要的临床问题，很少有好的治疗选择。以前的工作 在Cytex公司，专注于开发用于软骨修复的3D微编织织物支架，旨在 植入后立即发挥作用，同时促进细胞向内生长、增殖和随后的组织 发展当与间充质干细胞（MSC）结合时，我们已经证明了形成 生物力学功能性植入物，用于治疗大的软骨损伤，包括 股骨髁然而，为了使基于干细胞的软骨植入物在骨关节炎（OA）中获得成功， 关节，它必须承受高度的炎症和相关的分解代谢和退行性病变， 在患病关节中发现的环境。该提案的目的是增加抗炎能力， 我们的结构，以保护工程组织免受恶劣的关节环境。我们将 在我们的植入物中，MSC具有炎症反应启动子，该启动子将驱动白细胞介素的表达， 1（IL-1 Ra 1）受体拮抗剂（IL-1 Ra）或可溶性肿瘤坏死因子（TNF）受体（sTNFR），天然 分别抑制IL-12 1和TNFα的炎症信号传导的调节剂。由此产生的软骨 构建体将仅在存在炎症信号传导时提供炎症抗性，从而消除炎症反应。 需要外源性注射和潜在的副作用与长期管理的抗肿瘤 细胞因子疗法在目标1中，我们将检查我们的慢病毒转导条件，以尽量减少风险 基因副作用的影响。还将分析所得的软骨结构，以确保它们 不含活性慢病毒颗粒，其可在植入时释放，从而验证了临床 遗传方法的安全性。在目标2中，我们将使用我们的仿生软骨植入物来重建内侧 山羊单髁骨关节炎模型中股骨髁。我们目前的组织工程植入物 与其中MSC群体已被转导以表达抗TNF细胞因子的植入物相比， 以恒定的或炎症应答的方式施用治疗剂。所有动物将在第3、6、9、10、11、12、13、14、15、16、18、19 通过临床相关的功能、疼痛和成像测量， 使用X光和核磁共振成像。处死时，将对关节组织进行组织学和生物力学评估， 降解变化和OA进展。将分析血清、滑液和滑膜的生物标志物 骨关节炎，以及不良炎症反应和测试关节中的磨损碎屑。 此外，将检查所有主要器官系统以评估植入转导细胞的安全性， 利用局部抗肿瘤细胞因子疗法。最终，这一建议将开发一种软骨表面置换产品 不仅能够在关节内机械地起作用，而且还将保护自身和周围环境， 组织的炎症信号，并有希望防止进一步的OA进展。

Abstract    The repair of large cartilage lesions, which are contraindicated for currently available first-­line tissue  regeneration techniques, remains a significant clinical problem with few good treatment options. Previous work  at Cytex has focused on the development of a 3D microwoven textile scaffold for cartilage repair, designed to  function immediately after implantation while encouraging cell ingrowth, proliferation, and subsequent tissue  development. When combined with mesenchymal stem cells (MSCs), we have demonstrated the ability to form  biomechanically functional implants for the treatment of large cartilage lesions, including resurfacing the  femoral condyles. However, for a stem cell-­based cartilage implant to be successful in the osteoarthritic (OA)  joint, it must withstand the the high degree of inflammation and the associated catabolic and degenerative  environment found in diseased joints. The objective of this proposal is to add an anti-­inflammatory capability to  our construct in order to protect the engineered tissues from the hostile joint environment. We will transduce  the MSCs in our implant with an inflammation-­responsive promoter that will drive the expression of Interleukin  1 (IL-­1) receptor antagonist (IL-­1Ra) or soluble tumor necrosis factor (TNF) receptor (sTNFR), natural  modulators that inhibit the inflammatory signaling of IL-­1 and TNFα, respectively. The resulting cartilage  construct will provide inflammation resistance only when inflammatory signaling is present, thus eliminating the  need for exogenous injections and the potential side effects associated with long-­term administration of anti-­ cytokine therapy. In Aim 1, we will examine our lentiviral transduction conditions in an effort to minimize the risk  of genetic side effects in the MSCs. The resulting cartilage constructs will also be analyzed to ensure that they  contain no active lentiviral particles, which could be released upon implantation, thereby validating the clinical  safety of the genetic approach. In Aim 2, we will use our biomimetic cartilage implants to resurface the medial  femoral condyle in a goat model of unicompartmental osteoarthritis. Our current tissue engineered implant will  be compared to implants in which the MSC population has been transduced to express anti-­cytokine  therapeutics in either a constant, or an inflammation-­responsive manner. All animals will be evaluated at 3, 6, 9,  and 12-­month time points following repair through clinically relevant measures of function, pain, and imaging  using X-­Rays and MRI. At sacrifice, joint tissues will be assessed histologically and biomechanically to quantify  degradative changes and OA progression. Serum, synovial fluid, and synovium will be analyzed for biomarkers  of osteoarthritis, as well as for adverse inflammatory reactions and to test for wear debris in the joint.  Additionally, all major organ systems will be examined to assess the safety of implanting transduced cells and  utilizing localized anti-­cytokine therapy. Ultimately, this proposal will develop a cartilage resurfacing product  that is not only be able to function mechanically within the joint but will also protect itself and surrounding  tissues from inflammatory signaling, and hopefully prevent further OA progression.