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Method Article
* Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen
Hier stellen wir ein Protokoll vor, das die Isolierung und Kultivierung von Knorpelexpflanzen von Rinderknien beschreibt. Diese Methode bietet ein einfaches und zugängliches Werkzeug, um Gewebeveränderungen als Reaktion auf biologische Reize oder neuartige Therapeutika, die auf das Gelenk abzielen, zu beschreiben.
Ex-vivo-Kultursysteme decken eine breite Palette von Experimenten ab, die sich der Untersuchung von Gewebe und zellulärer Funktion in einer nativen Umgebung widmen. Knorpel ist ein einzigartiges Gewebe, das für die ordnungsgemäße Funktion des Synovials wichtig ist und aus einer dichten extrazellulären Matrix (ECM) besteht, die reich an Proteoglykan und Typ-II-Kollagen ist. Chondrozyten sind der einzige Zelltyp, der im Knorpel vorliegt und weit verbreitet und relativ gering ist. Veränderte äußere Reize und zelluläre Signalgebung können zu Veränderungen in der Zusammensetzung und Verschlechterung des ECM führen, die wichtige pathologische Kennzeichen bei Krankheiten wie Arthrose (OA) und rheumatoider Arthritis sind.
Ex-vivo-Knorpelmodelle ermöglichen 1) Profilierung von Chondrozyten vermittelten Veränderungen des Knorpelgewebeumsatzes, 2) Visualisierung der Knorpel-ECM-Zusammensetzung und 3) Chondrozyten-Umlagerung direkt im Gewebe. Die Profilierung dieser Veränderungen als Reaktion auf Reize oder Behandlungen ist in verschiedenen Aspekten der Knorpelbiologie von großer Bedeutung und ergänzt In-vitro-Experimente an isolierten Chondrozyten oder komplexere Modelle bei lebenden Tieren, bei denen experimentelle Bedingungen sind schwieriger zu kontrollieren.
Knorpelexplantationen stellen eine translationale und leicht zugängliche Methode zur Beurteilung der Gewebeumgestaltung im Knorpel-ECM in kontrollierbaren Einstellungen dar. Hier beschreiben wir ein Protokoll zur Isolierung und Kultivierung lebender Rinderknorpelexplantationen. Die Methode verwendet Gewebe aus dem Rinderknie, das von der örtlichen Metzgerei leicht zugänglich ist. Sowohl Explanten als auch konditioniertes Kulturmedium können analysiert werden, um den Gewebeumsatz, die ECM-Zusammensetzung und die Chondrozytenfunktion zu untersuchen und so die ECM-Modulation zu profilieren.
Chondrozyten produzieren und pflegen die Knorpelmatrix. Um die Biologie von Chondrozyten zu studieren und wie sie und das umgebende ECM auf äußere Reize reagieren, ist es entscheidend, sie in ihrer heimischen Umgebung zu befragen1,2. Die Untersuchung des Knorpelgewebeumsatzes ist wichtig, um das Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen bei Gelenkerkrankungen wie OA zu erweitern, einer Krankheit, für die es derzeit keine krankheitsmodifizierende Behandlung gibt. Folglich besteht ein erheblicher Bedarf an besseren Übersetzungsmodellen2.
Die Ex-vivo-Charakterisierung von Zell- und Gewebeeffekten ist wesentlich, um andere präklinische Modelle zu ergänzen, sowohl in vitro, wie Chondrozyten-Monolayer-Kulturen, als auch in vivo, wie z. B. chirurgisch induzierte OA-Modelle oder das autoimmune Kollagen-induzierte Arthritis-Modell (CIA ). Zahlreiche Studien haben die Unterschiede zwischen dem Verhalten von Zellen in 2D-Monolayer-Kulturen und 3D-Strukturen oder in ihrem nativen Gewebe3,4hervorgehoben. Viele Zellen in 2D-Schichten übernehmen unnatürliche Morphologien, einschließlich Unterschiede in der Zellpolarität und Gewebebindung, was zu visuellen und funktionellen Unterschieden in Zellen innerhalb nativer Gewebeführt 5. Die Unterschiede zeigen sich auch in der Funktionalität der Zellen, die die Proteinexpression verschieben können, was zu tiefgreifend veränderten Differenzierungsmustern, regulatorischen Maschinen und Zellfunktionalität5,6,7 führt. ,8.
Der Knorpel ECM besteht hauptsächlich aus Typ-II-Kollagen, das ein Matrix-Framework bietet, und Aggrecan, einem Proteoglykan, der hilft, Flüssigkeit im Gewebe zu halten. Andere Matrixmoleküle wie Kollagen Typ IV, VI, IX, X, XI, XII, Fibronectin, Knorpel-Oligomerprotein (COMP), Biglycan, Decorin und Perlecan sind ebenfalls vorhanden9.
Während die Ätiologie von OA bleibt unklar10,11, der Beginn der Krankheit wird geglaubt, um durch Ungleichgewichte im Gewebeumsatz und Reparaturprozesse verursacht werden12,13. Der Abbau des Gelenkknorpels ist ein Markenzeichen von OA. Knorpelresidente Chondrozyten oder Zellen in den umgebenden Geweben erhöhen ihre Freisetzung von Zytokinen und stimulieren die erhöhte Produktion von Proteinasen wie Matrixmetalloproteinasen (MMPs) und Aggrecanasen, die den Abbau von Knorpel ECM erhöhen 14. Dieser Abbau führt zur Freisetzung kleiner einzigartiger Proteinfragmente, sogenannteneo-Epitope, die in Serum, Urin oder Kulturmedium15quantifiziert werden können. Bei der Bildung und Reifung von Kollagen werden auch sogenannte Profragmente freigesetzt; diese können als Maß für die Matrixproduktion quantifiziert werden16.
Ziel dieses Protokolls ist es, ein ex vivo Knorpelmodell zu erstellen, um die Auswirkungen der Stimulation und/oder medikamentösen Behandlung auf den ECM-Gewebeumsatz zu vergleichen. Der Knorpelumsatz wird durch Messung von Matrix-abgeleiteten Neo-Epitop-Biomarkern direkt im konditionierten Kulturmedium mit ELISA profiliert: AGNx1 (reflektierende Aggrecanase-Aktivität), C2M (reflektierende Matrix-MMP-Aktivität) und ProC2 (reflektierendes Typ-II-Kollagen Bildung). Die Befunde können durch histologische Färbung des ECM überprüft werden, die auch die Organisation von Chondrozyten in den einzelnen Explants visualisiert. Das beschriebene Protokoll kann verwendet werden, um die Wirkung neuartiger Behandlungen auf chondrozytenfunktion und Knorpel-ECM-Umsatz zu testen. In einer Reihe von Studien wurden Knorpelexate verwendet, um biologische Prozesse oder die Wirkung von Interventionen auf zytokinbefragte Explanten mit quantitativen histologischen oder immunhistochemischen Ansätzen, mRNA, Proteinexpression oder Proteomik zu beschreiben2 ,17,18. Diese Protokolle fallen jedoch nicht in den Anwendungsbereich des aktuellen Manuskripts.
1. Gewebeisolierung
2. Rinderknorpelexplantationsbehandlung und Bewertung der metabolischen Aktivität
3. Beendigung, Fixierung und Probenlagerung
4. Biomarker für den Gewebeumsatz (ELISA)
5. Histologische Analyse
Rinder-Explanten mit voller Tiefe wurden isoliert, kultiviert und 3 Wochen lang behandelt (Abbildung 1). Das Kulturmedium wurde mit der Zugabe der Behandlung 3 mal pro Woche verändert. Einmal wöchentlich wurde die metabolische Aktivität durch den Resazurin-Assay gemessen. Biomarker des ECM-Umsatzes wurden in dem Überstand gemessen, der dreimal pro Woche von der Kulturplatte geerntet wurde. Die Explanten wurden zur Behandlung in 4 Gruppen eingeteilt: 1) Oncostatin M und TNF (O+T); 2) O+T ...
Das hier vorgestellte Protokoll zur Profilierung des Knorpelgewebeumsatzes in Rinderknorpelexplanten kann zur Charakterisierung von Behandlungseffekten vieler Arten von Arzneimitteln verwendet werden, einschließlich Inhibitoren entzündlicher intrazellulärer Bahnen, proteolytische Enzyme oder anabole Wachstumsfaktoren.
In diesem Protokoll wurden zwei verschiedene Setups beschrieben: ein anaboles Setup, bei dem Exmodule mit Insulin-ähnlichem Wachstumsfaktor 1 (IGF-1) stimuliert wurden, und e...
CST, ACBJ und MK sind Mitarbeiter von Nordic Bioscience. ACBJ und MK halten Anteile an Nordic Bioscience. Die übrigen Autoren haben nichts zu verraten.
Die Autoren danken dem technischen Personal von Nordic Bioscience für die Unterstützung des Labors sowie der Dänischen Forschungsstiftung für die allgemeine Unterstützung unserer Forschung.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
45% Iron(III) chloride solution | Sigma-Aldrich | 12322 | |
Acetic acid | Merck | 1.00056.2500 | |
Alamar Blue | Life tech Invitrogen | DAL1100 | |
Biopsy processing cassettes – green | IHCWORLD | BC-0109G | |
Biopsy punch W/Plunger (3 mm) | Scandidat | MTP-33-32 | |
Bovine cartilage (Bovine knees) | Local slaughterhouse | ||
C2M | Nordic Bioscience | Fee for service | |
Corning 96-well plate | Sigma-Aldrich | CLS7007 | |
Cover Glass Ø 13 mm | VWR | 631-0150P | |
DMEM/F12-GlutaMAX Dulbecco's Modified Eagle Medium/Nutrient Mixture F-12) without HEPES | Gibco | 31331-028 | |
Ethanol ≥96% | VWR | 83804.36 | |
Ethanol absolute ≥99.5% | VWR | 83813.36 | |
exAGNx1 | Nordic Bioscience | Fee for service | |
exPRO-C2 | Nordic Bioscience | Fee for service | |
Fast green | Sigma-Aldrich | F7252 | |
Formaldehyde solution 4% | Merck | 1004965000 | |
GM6001 | Sigma-Aldrich | M5939-5MG | |
Hematoxylin | Sigma-Aldrich | H3136 | |
Hydrochloric acid | Merck | 30721-M | |
IGF-1 | Sigma-Aldrich | I3769-50UG | |
Oncostatin M | Sigma-Aldrich | O9635-10UG | |
Penicillin-streptomycin (P/S) | Sigma-Aldrich | P4333 | |
Pertex (mounting medium for light microscopy) | HistoLab | 811 | |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Sigma-Aldrich | D8537 | |
Safranin O | Sigma-Aldrich | S2255 | |
Sterile Standard Scalpels | Integra Miltex | 12-460-451 | |
Sulfuric acid | Sigma-Aldrich | 30743 | |
SUPERFROST PLUS Adhesion Microscope Slides | Thermo scientific | J1800AMNT | |
TNF-alpha | R&D Systems | 210-TA-100 | |
Toluene | Merck | 1.08327.2500 | |
Vacuum Filtration "rapid"-Filtermax | TPP | 99955 |
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