Extracellular vesicles of primed adipose derived stem cells as a therapeutic approach for osteoarthritis

Erb, Anouk (2025): Extracellular vesicles of primed adipose derived stem cells as a therapeutic approach for osteoarthritis. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Introduction: Osteoarthritis (OA) is a complex joint disorder involving cartilage degradation, synovial inflammation, and bone structure remodelling. With the rising prevalence of OA, especially in the aging population, innovative strategies are necessary to address inflammation and joint damage. One extensively researched approach is the therapeutic use of mesenchymal stem cells (MSC), including adipose-derived stem cells (ASC). Evidence suggests that an inflamed environment enhances the immunomodulatory capabilities of MSC, particular the anti-inflammatory effects. The MSC secretome, particularly extracellular vesicles (EV), plays a crucial role in this therapeutic approach. EV are membrane-bound particles released from cells, lacking a nucleus and offering a cell-free therapy option. Objective: This study aimed to explore the impact of the cytokines interferon gamma (INFγ) and tumor necrosis factor-alpha (TNFα) on ASC, their secretome, and EV. Additionally, the influence of EV derived from primed ASC on chondrocytes was examined. Method: ASC were stimulated with 25ng/ml TNFα + 25ng/ml INFγ for 48 hours. EV were separated using a modified PEG method, with additional filtration and volume concentration, from conditioned medium. Various techniques, including quantitative polymerase chain reaction (qPCR), Annexin V/PI staining, and morphological analysis, were employed to analyze ASC. Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) and Flow Cytometry were established to characterize EV and identify differences compared to a control. Chondrocytes were then treated with EV, and effects at the genetic and secretory levels were analyzed using qPCR and ELISA assay. Results: The modified PEG method successfully separated EV from the conditioned medium. Priming ASCs with 25ng/ml TNFα + 25ng/ml INFγ did not impact cell viability but significantly influenced cell morphology, showing a trend toward promoting proliferation and an anti-apoptotic effect. ASC priming had no noteworthy impact on EV concentration, size, or expressed surface markers. Furthermore, a difference in the effects on chondrocytes was only observed in the genes BCL2 and CCND1 between EV from stimulated ASC and not stimulated ASC. It was demonstrated that EV from stimulated ASC induce cellular stress in chondrocytes.

Abstract

Einleitung: Osteoarthritis (OA) ist eine komplexe Gelenkerkrankung, die mit Knorpelabbau, Entzündung der Synovialis und Umbau der Knochenstruktur einhergeht. Angesichts der steigenden Prävalenz von OA, insbesondere in der alternden Bevölkerung, sind innovative Strategien zur Bekämpfung von Entzündungen und Gelenkschäden erforderlich. Ein Forschungsansatz für die Therapie der OA ist die Verwendung mesenchymaler Stammzellen (MSC), einschließlich der aus Fettgewebe gewonnener Stammzellen (adipose derived stem cells; ASC). Eine entzündete Umgebung scheint die immunmodulatorischen Fähigkeiten, insbesondere die antiinflammatorische Wirkung von MSC zu verstärken. Das MSC-Sekretom, speziell extrazelluläre Vesikel (EV), spielt bei diesem therapeutischen Ansatz eine entscheidende Rolle. EV sind membrangebundene Partikel, die von Zellen freigesetzt werden, keinen Zellkern haben und eine zellfreie Therapieoption darstellen. Zielsetzung: Ziel dieser Studie war es, den Einfluss der Zytokine Interferon gamma (INF-γ) und Tumor-Nekrose-Faktor-alpha (TNF-α) auf ASC, ihr Sekretom und EV zu untersuchen. Darüber hinaus wurde der Einfluss von EV, die von stimulierten ASC stammen, auf Knorpelzellen untersucht. Methoden: ASC wurden 48 Stunden lang mit 25ng/ml TNFα + 25ng/ml INFγ stimuliert. Die EV wurden mit einer modifizierten PEG-Methode mit zusätzlicher Filtration und Volumenkonzentration aus dem konditionierten Medium gewonnen. Zur Analyse der ASC wurden unter anderem die quantitative Polymerase-Kettenreaktion (qPCR), Annexin V/PI-Färbung eingesetzt. Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA) und Durchflusszytometrie wurden verwendet, um EV zu charakterisieren und Unterschiede im Vergleich zur Kontrollgruppe, EV von nicht stimulierten ASC festzustellen. Nachfolgend wurden Knorpelzellen mit EV behandelt, und die Auswirkungen auf genetischer und sekretorischer Ebene wurden mittels qPCR und ELISA-Assay analysiert. Ergebnisse: Mit der modifizierten PEG-Methode wurden EV erfolgreich angereichert. Das Priming der ASC mit INFγ und TNFα wirkte sich nicht auf die Lebensfähigkeit der Zellen aus, beeinflusste aber die Zellmorphologie erheblich und zeigte eine Tendenz zur Förderung der Proliferation und einen anti-apoptotischen Effekt. Das ASC-Priming hatte keinen nennenswerten Einfluss auf die EV-Konzentration, die Größe oder die exprimierten Oberflächenmarker. Des Weiteren zeigte sich nur in den Genen BCL2 und CCND1 ein Unterschied in der Auswirkung auf Chondrozyten zwischen EV von stimulierten ASC und nicht stimulierten ASC. Wobei gezeigt wurde, dass EV von stimulierten ASC Zellstress in Knorpelzellen induzierten.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: extracellular vesicles, stem cells, Osteoarthritis
• 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: 6. Oktober 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Braig, David