White adipose tissue and adipose-derived stem cells (ADSCs) for the treatment of carpometacarpal osteoarthritis of the thumb

Taha, Sara (2023): White adipose tissue and adipose-derived stem cells (ADSCs) for the treatment of carpometacarpal osteoarthritis of the thumb. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Background: CMC-1 OA is a common degenerative disease of the hand. It causes symptoms such as pain, stiffness and weakness of the CMC-1 joint, which eventually results in the loss of function. Current conservative CMC1 OA treatments are symptomatic and short-lasting. Often surgical therapy, mostly including the removal of the trapezium bone, is the therapy of choice for late stage CMC-I arthritis. In order to overcome this limitation in treatment options, a regenerative approach with autolo-gous fat injections is discussed by different authors. Adipose tissue is a loose connective tissue consisting of adipocytes, and the stromal vascular fraction (SVF). The SVF is mainly composed of different immune cells, fibroblasts, vascular endothelial cells and adipose-derived stem cells (ADSCs). The therapeutical benefit of autologous fat injections might be provided by ADSCs, as these cells show impressive capabilities in the area of regenerative medicine and tissue engineering. Interestingly, ADSCs were shown to influence the degenerative inflammatory microenvironment in osteoarthritic joints through their paracrine actions. Objective: Until now there are only limited analysis of characteristics and functional properties of ADSCs that yield upon different liposuction methods. Regarding the variety of differ-ent liposuction techniques, there may be differences in the viability and quality in ADSCs obtained through different techniques. These are ranging from the classical resection, the conventional suction-assisted liposuction over to newer techniques, such as the water-jet-assisted, nutational infrasonic and ultrasound-assisted liposuction. The Lipivage200-5 system can serve as a conventional suction-assisted liposuction method. Whereas the Body-Jet system is a water-assisted liposuction method. In order to the extended field of different fat harvesting methods their clinical properties, such as operative time, harvesting volume, blood loss, skin reactions and usage costs have been investigated and compared. However, there is a serious research gap with regard to the comparison of different liposuction techniques in terms of preservation of the cellular contents. Thus, we compared both methods by examining the clonogenicity, the proliferation capacity and the metabolic activity. Furthermore, we examined the differentia-tion potential of ADSCs to differentiate into the adipogenic, osteogenic and chondrogenic lineage. Furthermore, we aimed to reveal paracrine differences of autologous fat and ADSCs that might modulate the biological response of osteoarthritic chondrocytes with a focus of donor variability. Methods: The proliferation potential of ADSCs, was examined by different experiments in-cluding cumulative population doublings (cumPD), population doubling time (PDT), colony forming units (CFU) and cell metabolism assays. In order to show the multipotency, ADSCs were differentiated into adipogenic, osteogenic and chondrogenic lineages. Furthermore, fat tissue- and ADSC-conditioned medium were produced by culturing both groups for 48 hours with TNFα (tumor necrosis factor alpha) to trigger the inflammatory re-sponse in vitro. Normal cell culture medium served as a control. To validate an effective in-duction of inflammation, stimulated and unstimulated samples were analyzed for upregulated inflammatory markers by Next Generation Sequencing. Results: Our study show that ADSCs isolated from adipose tissue after liposuction with dif-ferent liposuction systems show similar cell characteristics and functional properties. Technical differences such as different cannula sizes used for the different systems might contribute to the slightly different cell characteristics. Still both methods should be equally considered for clinical use. The second part of our study shows that fat tissue and ADSCS treated with TNFα responded very heterogeneously to TNFα treatment. Our analysis reveals that ADSCs are potentially more reliable and predictable when used therapeutically. Furthermore, our study shows potential changes in biological processes, such as immune system response, in-flammatory response, and cell activation in treated ADSCs.

Abstract

Einleitung: Rhizarthrose ist eine vorwiegend im höheren Alter vorkommende Erkrankung, die bis zu 80% der älteren Bevölkerung betrifft. Vor allem Menschen die beruflich viel Handarbeit leisten und/oder Sportarten ausüben, haben ein höheres Risiko an Rhizarthrose zu erkranken. Bis heute gibt es keine Heilungsmöglichkeiten, sondern lediglich krankheitsverzögernde und schmerzlindernde Therapiemaßnahmen im konservativen und chirurgischen Bereich. Im Rahmen der konservativen Behandlung werden Physiotherapie, Ruhigstellen des Gelenks mittels einer Schiene, Analgetika und Injektionen (Kortison- und Hyaloronsäure) angewandt. Nach Ausschöpfung der konservativen Therapieoptionen, besteht die Indikation zu operativen Therapiemaßnahmen. Zu den operativen Maßnahmen zählen die isolierte Trapezektomie, die Suspensionsarthroplastik, die Suspensionsinterpositionsarthroplastik sowie die Arthrodese. Oftmals bieten diese Therapieoptionen den betroffenen Patienten keine zufriedenstellende Besserung ihrer Beschwerden. Somit besteht zunehmend die Notwendigkeit neuer Therapiemöglichkeiten, vor allem in Hinblick auf die Regeneration des Knorpelgewebes. In den letzten Jahren wurde die Anwendung von mesenchymalen Stammzellen (MSCs) zur Therapie von Osteoarthrose häufig diskutiert. Aus dem menschlichen Fettgewebe lassen sich einfach und in großer Zahl die sogenannten adipose-derived stem cells (ADSCs), isolieren. In verschiedenen Studien konnte bereits gezeigt werden, dass ADSCs, sowohl immunsuppressive, als auch anti-inflammatorische Effekte aufweisen können [12]. In den letzten Jahren wurde die Anwendung von mesenchymalen Stammzellen zur Therapie von Arthrose häufig diskutiert. Es ist anzunehmen, dass ADSCs durch ihre anti-inflammatorischen und immunsuppressiven Eigenschaften den therapeutisch bedeutendsten Zellanteil im Rahmen autologer Fettinjektionen ausmachen. Daher besteht ein großes Interesse daran zu zeigen, welche Liposuktionsverfahren sich zur Fettgewinnung eignen. Methoden: Um Patienten eine bestmögliche Therapie mit Eigenfettinjektionen zu ermöglichen, gilt es die beste Methode zur Fettgewinnung, sowie Isolierung von ADSCs festzumachen. Infolgedessen wurden zwei gängige Liposuktionsverfahren Lipivage200 und Human-Med Bodyjetmiteinander verglichen. Dazu wurden Patientenproben hinsichtlich des Liposuktionsverfahrens in zwei Gruppen unterteilt. Um den mesenchymalen Stammzellcharakter und die Qualität der isolierten Zellen aus den zwei Verfahren zu untersuchen, wurde die kumulative Populationsverdopplung zur Wachstumsanalyse, die Fähigkeit zur Kolonienbildung sowie die metabolische Aktivität bestimmt. Des Weiteren wurde das chondrogene, adipogene und osteogene Differenzierungspotential analysiert. Ergebnisse: Aus unseren Versuchen geht hervor, dass es zwischen beiden Liposuktionsverfahren keinen Unterschied im Hinblick auf die Qualität der isolierten ADSCs gibt. Bezogen auf die Zellqualität sind beide Liposuktionsverfahren zur Gewinnung von Lipoaspirat für zu-künftige Therapien mit ADSCs als gleichwertig anzunehmen. Um zukünftig Therapieerfolge mit einer Eigenfettinjektion und in weiterer Folge auch mit isolierten ADSCs verzeichnen zu können, ist es wichtig zu zeigen, welche immunomodulatorischen Unterschiede Fettgewebe und die daraus isolierten Vorläuferzellen aufweisen. Arthrose ist mit einer Entzündungsreaktion assoziiert. Es kommt im Verlauf der Pathogenese zur Freisetzung einer Vielzahl von pro-inflammatorischen Zytokinen. Diese Zytokine führen in der Folge zu einer Rekrutierung sowie Aktivierung von weiteren pro- und anti-inflammatorischen Zellen. In unserer Studie wurden Fettgewebe und ADSCs inflammatorisch behandelt und die unterschiedliche Reaktion untersucht. So wurden Fettgewebe sowie ADSCs erfolgreich mit TNFα behandelt um eine entzündliche Reaktion zu triggern. Dazu bestätigte die erste Tiefensequenzierung der mRNA den „proof-of-concept“. Hierbei konnten wir einerseits eine starke inflammatorische Antwort von Fettgewebe und ADSCs nach Behandlung mit TNFα nachweisen und das veränderte Genexpressionsprofil sowie die veränderten Pathways darstellen. Anderseits konnten wir zeigen, dass das gewonnene Fettgewebe erhebliche interindividuelle Unterschiede beim Genexpressionslevel aufwies, jedoch die daraus isolierten ADSCs ein äußerst homogenes Expressionsprofil hatten.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: adipose derived stem cells, white adipose tissue, liposuction, water-assisted liposuction, suction-assited liposuction, immunomodulation, inflammation, osteoarthritis, osteoarhritis of the carpometacarpal joint of the thumb, TNFa
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 11. Mai 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Volkmer, Elias