Hoe beïnvloedt multi-axiale belasting het metabolisme en mechanische kwaliteit van kraakbeencellen in vroege artrose?

Gewrichtskraakbeen is voortdurend onderhevig aan inwerkende contactkrachten tijdens belasten van het gewricht. Deze krachten hebben een direct effect op de chondrocyt in het kraakbeenweefsel. Dankzij talrijke cel-matrixconnecties worden kraakbeencellen zich bewust van deze mechanische effecten en passen zij hun syntheseactiviteit van extracellulaire-matrixcomponenten (ECM) aan, zodat kraakbeenhomeostase verzekerd wordt.

Toch zijn de exacte biomechanische en biologische processen in dit mechanotransductieproces nog niet volledig gekend. Kennis hiervan zou evenwel inzicht geven in de processen die zorgen voor kraakbeenhomeostase tijdens mechanische belasting in gezond kraakbeen, evenals de pathologische processen die aan de gang zijn bij degeneratieve kraakbeenaandoeningen, zoals osteo-artrose (OA).

Huidig onderzoek naar de mechanoresponsiviteit van kraakbeencellen heeft aangetoond dat het type en de grootte van de mechanische belasting zal bepalen of de chondrocyt anabool of katabool zal werken. Algemeen wordt er in zowel in vitro als in vivo studies geconcludeerd dat statische compressie zal leiden tot een verminderde genexpressie en synthese van ECM eiwitten, terwijl dynamische compressie tot een toename in proliferatie van chondrocyten en ECM synthese zal leiden.

Er zijn echter verschillende beperkingen aan eerder uitgevoerd onderzoek. Ten eerste zijn de huidige conclusies vaak geëxtraheerd uit studies die kraakbeencellen in monolayer belasten. Aangezien chondrocyten daardoor hun specifieke moleculaire fenotype verliezen, zijn deze resultaten niet representatief voor de 3D-omgeving van chondrocyten in vivo. Ten tweede gebruiken de meeste studies niet-menselijke chondrocyten, zoals primaire runder- of muizencellen. Daarnaast is er in de huidige literatuur een gebrek aan studies die kraakbeen belasten in omstandigheden representatief aan de dynamische in vivo gewrichtssituatie. Tot nu toe zijn we ons niet bewust van specifieke informatie met betrekking tot de respons van chondrocyten op multiaxiale belasting. Aangezien de meeste van de huidige onderzoeken een bioreactor gebruiken die alleen in staat is om uni- of biaxiale belasting te verschaffen, is het noodzakelijk de mechanoresponsiviteit van chondrocyten te bestuderen onder multiaxiale belastingscondities, d.w.z. een combinatie van compressie, spanning en torsiekracht.

Het doel van dit project is om de mechanoresponsiviteit van gezonde en door OA aangetaste menselijke chondrocyten in 3D-cultuur en onder multiaxiale belastingsomstandigheden verder te begrijpen.

Door kraakbeencellen in te bedden in een hydrogel, is het mogelijk om cellen multiaxiaal te belasten in een bioreactor zonder verlies van hun fenotype. De lokale biologische responsen van de humane kraakbeencellen worden gemeten door analyse van transcriptoom en metaboloom. 

De kennis over welke hoeveelheid impact leidt tot het activeren van een anabole of katabole route, kan uiteindelijk geïmplementeerd worden in een preventief revalidatieprogramma, of zelfs geëxtrapoleerd worden naar ziek kraakbeen voor het vinden van nieuwe behandelingsmodaliteiten in de context van OA.