In vitro strategies and development of bioengineered approaches for studying age-related osteochondral diseases

The purpose of this PhD project is the development of in-vitro culture models to study different aspects of Osteoarthritis (OA), an entire joint degenerative disease that involved articular cartilage, synovium and subchondral bone. The global incidence of knee OA is 203 per 10,000 person-year that grows with the increase of age, reaching a peak between 70-79 years old, thus dragging the peak of prevalence in old age. The main OA disabling symptom is pain that is typically intermittent and weight-bearing (mechanical) and can lead to psychological stress. Contrary to the common description of a wear-related pathology, OA is the consequence of an active and unbalanced process of repair and destruction. The actual causes of OA are still unidentified and there is still debating on the precise order of events that trigger its onset. There is currently no predetermined in-vitro model of OA disease. This is essentially due to the defective knowledge on the onset of this pathology and to the numerous tissue modifications involved that make difficult to in-vitro reproduce OA. A clear comprehension of the various mechanisms engaged in the pathology is necessary to understand its progression, as well as the targets to restore joint function. Here, two different in-vitro culture models to study different aspects of OA were applied to investigate: (i) the involvement of adult stem/stromal cells of the synovial membrane in bone remodeling, through an indirect 2D co-culture approach and (ii) the crosstalk between chondrocytes and subchondral bone in normal and pathological condition, developing an engineered 3D scaffold and simulating an inflamed microenvironment. These two models allowed the investigation of the cell behaviours from the three tissues involved in the pathogenesis of OA, and the development of a possible in-vitro platform for future studies encompassing the three components simultaneously.

Lo scopo di questo progetto di dottorato è lo sviluppo di modelli di coltura in-vitro per studiare diversi aspetti dell'osteoartrosi (OA), una malattia degenerativa che coinvolge tutti i tessuti dell’articolazione tra cui la cartilagine articolare, la membrana sinoviale e l'osso subcondrale. L'incidenza globale dell'OA del ginocchio è di 203 per 10.000 persone all’anno e cresce con l'aumentare dell'età, raggiungendo un picco tra i 70-79 anni. Il principale sintomo disabilitante dell'OA è il dolore, tipicamente intermittente e portante (meccanico) che può, in alcuni casi, a stress psicologico. Contrariamente alla comune descrizione di una patologia correlata all'usura, l'OA è la conseguenza di un processo attivo e sbilanciato di riparazione e distruzione. Le cause che portano all’insorgenza di tale patologia non sono ancora state del tutto identificate e si dibatte ancora sull'ordine preciso degli eventi coinvolti nella sua progressione. Attualmente, la scarsa conoscenza della patogenesi dell’OA e le numerose modificazioni tissutali che la caratterizzano hanno reso complicato lo sviluppo di un modello in-vitro. È quindi necessario comprendere i meccanismi coinvolti nella progressione della patologia, nonché i target di nuovi trattamenti per il ripristino della funzionalità articolare. Qui, due diversi modelli di coltura in-vitro per indagare diversi aspetti dell'OA: (i) il coinvolgimento di cellule staminali / stromali adulte della membrana sinoviale nel rimodellamento osseo, attraverso un approccio di co-coltura 2D indiretta e (ii) il crosstalk tra condrociti e osso subcondrale in condizioni normali e patologiche, sviluppando uno scaffold 3D ingegnerizzato e simulando un microambiente infiammato. Questi due modelli hanno permesso lo studio dei comportamenti cellulari di tre tessuti coinvolti nella patogenesi dell'OA e lo sviluppo di una possibile piattaforma in-vitro per futuri studi che potranno comprendere simultaneamente queste tre componenti.