Towards 3D in vitro models of osteoarthritis

Osteoarthritis is the most common form of arthritis and a leading cause of disability worldwide, largely due to intense pain. With aging of the population and increasing obesity, the prevalence of OA is expected to rise. Up to date, available drugs and treatments only provide symptomatic relief of pain, without modifying the course of the underlying disease. Current pre-clinical models have proved to be inadequate to predict toxicity and efficacy of the therapy. As a result, a significant number of drugs only fails in the late, clinical phase. Drug discovery would greatly benefit from the development of in vitro models able to screen a high number of substances in a cost-effective and reliable manner. In this thesis work, we propose to create a patient-specific, Mesenchymal Stem Cells (MSCs)-based 3D model that recapitulates the main features of the disease. The project evolves through 3 steps: differentiation of cartilage cells from MSCs aggregates; induction of an inflammatory microenvironment upon treatment with TNF-α; validation with a model drug. In parallel, a PEGDA porous scaffold obtained by gas foaming technique was characterized and tested for chondrogenesis of MSCs. Our findings suggest that applied protocol is adequate to induce an inflammation in the cultured cells and that the proposed scaffold is able to successfully sustain chondrogenesis. These promising results encourage for future developments, such as the creation of a disease model in the PEGDA scaffold.

L’osteoartrite (OA) è la forma più comune di artrite e costituisce una delle principali cause di disabilità al mondo, dovuta principalmente all’intenso dolore percepito al movimento. A causa dell’aumento dell’età media della popolazione mondiale e di casi di obesità, l’incidenza di OA è destinata ad aumentare. Ad oggi, i trattamenti e i farmaci a disposizione agiscono solo a livello sintomatico, per alleviare il dolore del paziente, ma non rallentano la progressione della patologia. I modelli pre-clinici in uso si sono dimostrati inadeguati per la predizione di tossicità ed efficacia delle terapie. Di conseguenza, un numero considerevole di farmaci fallisce nell’ultima fase di sviluppo, la clinica. Il processo di sviluppo di nuovi farmaci trarrebbe enorme beneficio dallo sviluppo di modelli in vitro in grado di testare un elevato numero di sostanze in modo economicamente efficace e affidabile. In questo lavoro di tesi, proponiamo di creare un modello 3D paziente-specifico e basato su Cellule Staminali Mesenchimali (MSC) che riepiloghi le principali caratteristiche della patologia. Il progetto si sviluppa in tre fasi: differenziazione di cellule di cartilagine a partire da aggregati di MSC; induzione di un microambiente infiammatorio tramite trattamento con TNF-α; validazione con un modello di farmaco. Parallelamente, si è caratterizzato uno scaffold poroso ottenuto con tecnica di gas foaming e lo si è testato per la formazione di tessuto cartilagineo a partire da MSC. I nostri risultati indicano che il protocollo selezionato è adeguato a simulare una condizione di infiammazione nelle cellule in coltura e che lo scaffold proposto è appropriato per sostenere la condrogenesi. Questi risultati promettenti incoraggiano sviluppi futuri, come la creazione del modello di patologia all’interno dello scaffold.