a pilot study

Master thesis - University of Veterinary Medicine Vienna - 2021

Osteoarthritis (OA) is a highly prevalent joint disease, which affects about 300 million people worldwide, which is roughly 4 % of the population. This makes it one of the most diagnosed diseases in human general practice. Osteoarthritis is characterized by cartilage degradation which is mainly induced by mechanical stress on the joints. Chronic pain, impaired locomotion, and high socioeconomic costs are associated with this disease. Especially elderly people are affected by osteoarthritis. Therefore, with the increase in global lifespan also the prevalence of OA will increase. Currently, no therapy is available to stop the progressive loss of articular cartilage. Thus, there is a large unmet need for a disease-modifying regenerative treatment for OA. OA not only occurs in humans but in various domesticated animals such as the horse, dog, sheep etc. In equine patients, locomotion disorders such as osteoarthritis are very common and often result in dropping out from athletic use. Hence, not only humans but also horses would-be beneficiaries of new treatment strategies. The development of new therapies requires test modalities that allow to study the pathophysi-ology of the disease on the one hand and investigate the effect of newly developed drugs on the other hand. Organs on a chip are small in vitro bioreactors, which closely mimic organs and tissues and allow for high throughput screening of drugs. A dynamic OA-on-a-chip model could therefore be a useful tool to drive OA research and treatment development forward. In this project, a pneumatic polydimethylsiloxane (PDMS-) based microfluidic OA on a chip model was developed and validated. The system allows application of multiple compression conditions to mimic joint loading and four technical replicates on a single chip. It was found that agarose hydrogels were most suitable as scaffolds for the creation of mechanically stim-ulated chondrocyte organoids on microfluidic chips. The developed microfluidic joint-on-a-chip was used to study healthy versus inflamed primary equine chondrocytes grown as 3D articular microtissues and subjected to dynamic mechanical force to closely mimic a natural articular environment. The effects of physiological and hyper-physiological mechanical stress were in-vestigated over a period of two weeks. Through the development of an in vitro joint-on-a-chip model we created a miniature bioreactor that can be used to gain further understanding of the onset and progression of OA and the role of biomechanical forces on articular chondrocytes. In future, this system can be used as a disease model for screening of novel treatment options for OA.

Masterarbeit - Veterinärmedizinische Universität Wien - 2021

Osteoarthritis (OA) ist eine hochprävalente Gelenkerkrankung, von der weltweit etwa 300 Mil-lionen Menschen betroffen sind, was ungefähr 4 % der Bevölkerung sind. Dies macht OA zu einer der am häufigsten diagnostizierten Erkrankungen in der Allgemeinmedizin. Arthrose ist durch Knorpelabbau gekennzeichnet, der vor allem durch mechanische Belastung der Ge-lenke verursacht wird. Chronische Schmerzen, Bewegungsstörungen und hohe sozioökono-mische Kosten sind mit dieser Erkrankung assoziiert. Vor allem ältere Menschen sind von OA betroffen. Daher wird mit der derzeit beobachteten Zunahme der globalen Lebenserwartung auch die Prävalenz von OA zunehmen. Gegenwärtig gibt es keine Therapie, um den fortschrei-tenden Verlust des Gelenkknorpels zu stoppen. Somit besteht ein großer ungedeckter Bedarf an einer krankheitsmodifizierenden regenerativen Behandlung für OA. OA kommt nicht nur beim Menschen vor, sondern auch bei verschiedenen domestizierten Tie-ren wie dem Pferd, dem Hund, dem Schaf etc. Bei Pferden ist OA sehr häufig und führt oft zum Ausscheiden aus der sportlichen Nutzung. Daher würden nicht nur Menschen, sondern auch Pferde von neuen Behandlungsstrategien profitieren. Die Entwicklung neuer Therapien erfordert Testmodalitäten, die es erlauben, einerseits die Pathophysiologie der Erkrankung zu studieren und andererseits die Wirkung neu entwickelter Medikamente zu untersuchen. Organe auf einem Chip sind kleine In-vitro-Bioreaktoren, die Organe und Gewebe imitieren und ein Hochdurchsatz-Screening von Medikamenten ermögli-chen. Ein dynamisches OA-on-a-Chip-Modell könnte daher ein nützliches Werkzeug sein, um die OA Forschung und Entwicklung neuer Medikamente voranzutreiben. In diesem Projekt wurde ein pneumatisches Polydimethylsiloxan (PDMS-) basiertes mikroflui-disches OA auf einem Chip Modell entwickelt und validiert. Das System ermöglicht mehrere Kompressionsbedingungen, um die Gelenksbelastung nachzuahmen in vier technische Rep-likate auf einem einzigen Chip. Es wurde festgestellt, dass Agarose-Hydrogele als Matrix für die Kreation von mechanisch angeregten Chondrozyten-Organoiden auf mikrofluidischen Chips am besten geeignet waren. Der entwickelte mikrofluidische Joint-on-a-Chip wurde ver-wendet, um gesunde und entzündete primäre equine Chondrozyten zu untersuchen, die als 3D-Gelenkmikrogewebe gezüchtet und einer dynamischen mechanischen Kraft ausgesetzt wurden, um eine natürliche Gelenksumgebung nahe zu imitieren. Die Auswirkungen physiolo-gischer und hyperphysiologischer mechanischer Belastungen wurden über einen Zeitraum von zwei Wochen untersucht.

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