The Challenge of Articular Cartilage Repair : Studies on Cartilage Repair in Animal Models and in Cell Culture

Articular cartilage is highly specialized tissue that covers the ends of bones in joints. The intrinsic repair capacity of cartilage is poor due to the avascular nature of the tissue. The prevalence of cartilage defects is expected to increase, and if untreated, they may lead to premature osteoarthritis, the world’s leading joint disease. Surgical cartilage repair techniques aim at improving joint function and ceasing the degeneration progress. Implantable biomaterial scaffolds have been developed to create a supporting structure for regenerating cartilage tissue. Despite promising short term results, a material that is able to support the formation of durable hyaline cartilage is yet to be developed. The feasibility of a novel composite material rhCo-PLA that combines recombinant human type II collagen and poly(L/D)lactide felt was tested in a porcine model together with autologous chondrocytes. The scaffold resulted in repair tissue similar to a clinically used commercial collagen membrane. Subchondral bone lesions beneath the repair site developed in all study groups but the novel scaffold resulted in fewer bone defects than the commercial control. Damaged subchondral bone might require filler material in order to restore the height of the cartilage surface and joint congruence. The repair of deep osteochondral defects with porous poly-lactic-co-glycolic acid (PLGA) scaffolds and scaffolds combining PLGA with bioactive glass (BG) fibers (PLGA-BGf) was studied in a lapine model. PLGA resulted in bone volume fraction similar to that of spontaneous healing. PLGA-BGf worsened the repair and the defects were filled with loose connective tissue instead of bone. Commercial controls, beta-tricalcium phosphate and BG granules, resulted in extensive bone formation. Animal models are used in the development of new treatment options. In order to improve the effectiveness and ethical use of the equine model in cartilage repair, spontaneous repair capacity of equine carpal cartilage was evaluated to find the critical lesion size beyond which spontaneous repair does not occur. We found out that 2 mm is the critical lesion size for chondral lesions and 4 mm for osteochondral defects. Autologous chondrocytes have been used in cartilage repair for more than 20 years but their amount is limited and they require two separate surgeries. Bone marrow-derived human mesenchymal stem cells can be used as an alternative cell source. Predifferentiation of these cells in rhCo-PLA scaffolds manufactured either with type II or type III collagen was evaluated in vitro. Chondrogenic differentiation resulted in chondrocyte hypertrophy at an early phase of cell culture. The different collagen types in rhCo-PLA scaffolds did not affect the outcomes. All animal models used in this study demonstrated that subchondral bone defects are associated with cartilage defects and repair procedures. This emphasizes the fact that the synovial joint is a functional unit comprised of several tissues and the challenge of cartilage repair is further complicated by comorbidities in the adjacent tissues.Nivelrusto on toisiinsa niveltyvien luiden päässä esiintyvää pitkälle erilaistunutta sidekudosta. Rustokudoksessa ei ole verisuonia ja sen luontainen korjauskyky on heikko. Rustovaurioiden odotetaan yleistyvän ja hoitamattomana ne saattavat johtaa ennenaikaiseen nivelrikkoon, maailman yleisimpään nivelsairauteen. Kirurgisten rustokorjausmenetelmien tavoitteena on parantaa nivelen toimintaa ja ehkäistä nivelrikkokehitystä. Implantoitavia biomateriaali-istutteita on kehitetty tukemaan korjautuvaa rustoa. Lupaavista lyhyen aikavälin tuloksista huolimatta kestävän nivelruston muodostusta tukevaa materiaalia ei vielä ole kehitetty. Uudentyyppinen istutemateriaali rhCo-PLA yhdistää rekombinanttitekniikalla valmistettua ihmisen tyypin II kollageenia ja poly(L/D)lactide-huopaa. Tämän istutteen toimivuutta yhdessä autologisten rustosolujen kanssa testattiin sikamallissa. Istute johti samankaltaisen korjauskudoksen muodostumiseen kuin kliinisessä käytössä oleva kaupallinen kollageenikalvo. Rustonalaisen luun vaurioita kehittyi kaikissa tutkimusryhmissä mutta uudella istutteella ne olivat harvinaisempia kuin kaupallisella kontrollilla. Vaurioitunut rustonalainen luu saattaa vaatia luunkorvikemateriaalia nivelpinnan korkeuden ja nivelen kongruenssin palauttamiseksi. Syvien rusto–luuvaurioiden korjausta huokoisella polylaktidi-ko-glykolihappo-istutteella (PLGA) ja PLGA:ta ja bioaktiivista lasia (BG) yhdistävällä istutteella (PLGA-BGf) arvioitiin kaniinimallissa. PLGA johti vastaavaan luun tilavuusosuuteen kuin spontaanikorjaus. PLGA-BGf huononsi korjausta ja vauriot täyttyivät löyhällä sidekudoksella luun sijaan. Kaupalliset kontrollit, beeta-trikalsiumfosfaatti ja BG-rakeet, johtivat runsaaseen luunmuodostukseen. Eläinmalleja käytetään uusien korjausmenetelmien kehityksessä. Hevosmallin tehokkaan ja eettisen käytön parantamiseksi rustovaurioiden korjautumista arvioitiin hevosen rannenivelessä tavoitteena löytää kriittinen koko, jota suuremmat vauriot eivät parane spontaanisti. Rustovaurioiden kriittisen koon todettiin olevan 2 mm ja rusto–luuvaurioiden 4 mm. Autologisia rustosoluja on käytetty ruston korjauksessa yli 20 vuoden ajan mutta niiden määrä on rajallinen ja niiden käyttö vaatii kaksi erillistä leikkausta. Luuydinperäisiä kantasoluja voidaan käyttää korvaavana solulähteenä. Näiden solujen esierilaistamista joko tyypin II tai tyypin III kollageenillä valmistetuissa rhCo-PLA-istutteissa selvitettiin in vitro. Rustoerilaistaminen johti rustosolujen hypertrofiaan soluviljelmän aikaisessa vaiheessa. Istutteen eri kollageenityypeillä ei ollut vaikutusta tuloksiin. Kaikki tässä tutkimuksessa käytetyt eläinmallit osoittivat, että rustonalaisen luun vauriot liittyvät rustovaurioihin ja niiden korjaukseen. Tämä korostaa sitä, että synoviaalinivel on toiminnallinen yksikkö, joka koostuu useista eri kudoksista, ja rustovaurioiden korjauksen haasteita lisäävät viereisten kudosten vauriot