Regeneration of the articular surface of the rabbit synovial joint by cell homing: a proof of concept study

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Regeneration of the articular surface of the rabbit synovial joint by cell homing: a proof of concept study

Chang H Lee PhDa, James L Cook DVMb, Avital Mendelson MSa, Eduardo K Moioli PhDa, Hai Yao PhDc and Prof Jeremy J Mao PhDa,

a Columbia University Medical Center, Tissue Engineering and Regenerative Medicine Laboratory, New York, NY, USA

b University of Missouri, College of Veterinary Medicine and School of Medicine, Comparative Orthopaedic Laboratory, Columbia, MO, USA

c Clemson University and Medical University of South Carolina, Department of Bioengineering, Charleston, SC, USA


Available online 6 August 2010.

Refers to: In-vivo tissue engineering of biological joint replacements
The Lancet, Volume 376, Issue 9739, 7 August 2010-13 August 2010, Pages 394-396,
Patrick H Warnke

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Referred to by: In-vivo tissue engineering of biological joint replacements
The Lancet, Volume 376, Issue 9739, 7 August 2010-13 August 2010, Pages 394-396,
Patrick H Warnke

Summary
Background
A common approach for tissue regeneration is cell delivery, for example by direct transplantation of stem or progenitor cells. An alternative, by recruitment of endogenous cells, needs experimental evidence. We tested the hypothesis that the articular surface of the synovial joint can regenerate with a biological cue spatially embedded in an anatomically correct bioscaffold.

Methods
In this proof of concept study, the surface morphology of a rabbit proximal humeral joint was captured with laser scanning and reconstructed by computer-aided design. We fabricated an anatomically correct bioscaffold using a composite of poly--caprolactone and hydroxyapatite. The entire articular surface of unilateral proximal humeral condyles of skeletally mature rabbits was surgically excised and replaced with bioscaffolds spatially infused with transforming growth factor β3 (TGFβ3)-adsorbed or TGFβ3-free collagen hydrogel. Locomotion and weightbearing were assessed 1–2, 3–4, and 5–8 weeks after surgery. At 4 months, regenerated cartilage samples were retrieved from in vivo and assessed for surface fissure, thickness, density, chondrocyte numbers, collagen type II and aggrecan, and mechanical properties.

Findings
Ten rabbits received TGFβ3-infused bioscaffolds, ten received TGFβ3-free bioscaffolds, and three rabbits underwent humeral-head excision without bioscaffold replacement. All animals in the TGFβ3-delivery group fully resumed weightbearing and locomotion 3–4 weeks after surgery, more consistently than those in the TGFβ3-free group. Defect-only rabbits limped at all times. 4 months after surgery, TGFβ3-infused bioscaffolds were fully covered with hyaline cartilage in the articular surface. TGFβ3-free bioscaffolds had only isolated cartilage formation, and no cartilage formation occurred in defect-only rabbits. TGFβ3 delivery yielded uniformly distributed chondrocytes in a matrix with collagen type II and aggrecan and had significantly greater thickness (p=0·044) and density (p<0·0001) than did cartilage formed without TGFβ3. Compressive and shear properties of TGFβ3-mediated articular cartilage did not differ from those of native articular cartilage, and were significantly greater than those of cartilage formed without TGFβ3. Regenerated cartilage was avascular and integrated with regenerated subchondral bone that had well defined blood vessels. TGFβ3 delivery recruited roughly 130% more cells in the regenerated articular cartilage than did spontaneous cell migration without TGFβ3.

Interpretation
Our findings suggest that the entire articular surface of the synovial joint can regenerate without cell transplantation. Regeneration of complex tissues is probable by homing of endogenous cells, as exemplified by stratified avascular cartilage and vascularised bone. Whether cell homing acts as an adjunctive or alternative approach of cell delivery for regeneration of tissues with different organisational complexity warrants further investigation.

Funding
New York State Stem Cell Science; US National Institutes of Health.

The Lancet (2010); Volume 376, Issue 9739, 7 August 2010-13 August 2010, Pages 440-448
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Actualidad Ultimas noticias - JANOes y agencias -
Desarrollan articulaciones biológicas con células del propio paciente
JANO.es y agencias · 11 Enero 2011 16:52

Científicos de Estados Unidos consiguieron crear cartílagos nuevos de conejos, que implantaron posteriormente en los mismos animales.



Investigadores de la Universidad de Missouri-Columbia, Estados Unidos, han logrado desarrollar con éxito articulaciones biológicas en conejos a partir de células del propio animal, según informa en su último número la revista The Lancet, lo que puede ser el primer paso para el fin de los implantes artificiales.

En concreto, el equipo de científicos dirigido por el profesor James Cook logró crear cartílagos nuevos de conejos que posteriormente fueron implantados para reemplazar sus hombros dañados. Con este fin, utilizaron una especie de ‘andamio biológico’ con células de los propios animales que fueron implantados posteriormente con el mismo procedimiento quirúrgico que se utiliza para las prótesis artificiales.

El nuevo cartílago fue generado a través de un compuesto de factor de crecimiento, capaz de atraer a las células del animal, incluidas las células madre, y, a partir de ahí, comenzar a desarrollarse el cartílago y el hueso. "Este dispositivo fue diseñado teniendo en cuenta tanto los factores biológicos como mecánicos", explica Cook en declaraciones a la BBC, insistiendo en que "su diseño, composición y la forma en que se estimula a las propias células del paciente son únicos".

Después de la operación, los conejos fueron capaces de regenerar sus propias articulaciones y lograron recuperar sus movimientos normales. De hecho, explica Cook, consiguieron utilizar sus extremidades más rápido y de forma más consistente que animales que no habían sido sometidos al trasplante.

En el seguimiento posterior, los científicos observaron que, cuatro meses después de la operación, el cartílago que se había formado en los ‘andamios’ había logrado crear una superficie funcional en la cabeza del húmero.

Ensayos en animales más grandes

Tras estos avances, el siguiente paso será solicitar una autorización a la Agencia Americana del Medicamento (FDA) para llevar a cabo ensayos clínicos con esta técnica en animales más grandes.

De hecho, su objetivo es "eliminar el uso de articulaciones de metal o plástico y, en lugar de ello, poder ofrecer una articulación biológica totalmente funcional para todos los que la necesiten". "Es el futuro de la ortopedia", asevera este experto, que reconoce no obstante que la investigación está aún en sus primeras etapas y todavía habrá que superar varios obstáculos, como comprobar si puede ser adecuado en pacientes de edad avanzada, ya que son los que más se someten a estas operaciones de reemplazo.


The Lancet (2010); Volume 376, Issue 9739, 7 August 2010-13 August 2010, Pages 440-448
http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6T1B-50PS6M0-Y&_user=9920944&_coverDate=08/13/2010&_alid=1603594828&_rdoc=4&_fmt=high&_orig=search&_origin=search&_zone=rslt_list_item&_cdi=4886&_sort=d&_docanchor=&view=c&_ct=307&_acct=C000000593&_version=1&_urlVersion=0&_userid=9920944&md5=101f248e077df4601e13ac3b0e043a51&searchtype=a

Universidad de Missouri-Columbia
Mizzou - University of Missouri.

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