Gene Expression of Chondrocytes Grown in 3D Better Resembles Their In Vivo State

Abstract

Osteoarthritis is a disease that affects around 500 million people worldwide and causes immense pain for those individuals, having a big impact on their quality of life. Osteoarthritis is a chronic joint condition most often found in the weight-bearing joints, such as the knee, hip, and hands. It is characterized by the breakage of cartilage, causing swelling, stiffness, inflammation, and reduced joint mobility. The degradation of cartilage is triggered by an imbalance in the function of chondrocytes within the extracellular matrix in the articular cartilage. Chondrocytes are specialized cells only found in cartilage. In normal articular cartilage, they maintain the balance of the extracellular matrix with both synthesis and degradation of the matrix. In osteoarthritis the chondrocytes become dysfunctional, their gene expression changes, and they increase their production of enzymes that break down the important components of the extracellular matrix (collagen and proteoglycans). The treatment for the disease includes pain management and physical therapy, but no cure has yet been found. Therefore, there is a vast need to research the mechanism behind osteoarthritis. In research relating to chondrocytes or diseases like osteoarthritis two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) culture methods have been widely used to better understand cell biology. However, the environment of these methods is different, in 2D culture the chondrocytes are cultured in a monolayer, whereas in the 3D culture, the chondrocytes are embedded in a matrix that resembles their natural environment. The cells use receptors to sense their surroundings and secrete important intercellular products, including extracellular matrix components. The environmental differences can affect the gene expression of the cells and signal them to change their secretory products. We hypothesize that the chondrocytes in 3D culture better represent chondrocytes in vivo. In this project, both 2D and 3D cultures with human chondrocytes are established. We compare the two different cultures and the differentially expressed genes of the chondrocyte at two-time points (2 and 14 days) and observe a clear difference in the gene expression of the two groups. By using the gene set enrichment analysis tool, Enrichr, we can identify biological pathways, and cellular components enriched in each method. Furthermore, we can identify the difference in pathways, and cellular components of the chondrocytes within each method on day 2 compared to day 14 in culture. Results show that there is a difference between the gene expression of cartilage cells in 2D culture and 3D culture, where a change in the processes related to cell division and the environment of the cells could be seen. The results also indicate that the cells grown in 3D are more similar to cartilage cells that have been isolated directly from tissue than if they are grown in 2D. Therefore, it can be concluded that the culture of cartilage cells in 3D is more suitable for research on cartilage cells where it will be possible.

Slitgigt er sjúkdómur sem hefur áhrif á um 500 milljón manna um allan heim og veldur gríðarlegum sársauka fyrir þá einstaklinga sem þjást af sjúkdómnum, en hann hefur töluverð áhrif á lífsgæði þeirra. Slitgigt er langvarandi liðasjúkdómur sem leggst á flesta liði líkamans en einkum þá sem verða fyrir miklu álagi, líkt og hné, maðmir og hendur. Slitgigt einkennist af niðurbroti á brjóski, sem veldur bólgu, stirðleika og skertri liðahreyfingu. Niðurbrot brjósksins verður af völdum þess að samvægi brjóskfrumna hefur verið raskað. Brjóskfrumur eru sérhæfðar frumur sem finnast aðeins í brjóski. Í venjulegu liðbrjóski er megin-hlutverk brjóskfrumna að viðhalda mikilvægu samvægi brjósksins með nýmyndun og niðurbroti. Í slitgigt breytist virkni brjóskfrumna og aukin framleiðsla verður á ensímum sem brjóta niður brjóskið. Meðhöndlun á slitgigt felst að mestu í lyfjameðferð við verkjum og sjúkraþjálfun en enn hefur ekki fundist lækning á sjúkdómum og því er brýn þörf á að rannsaka virkni sjúkdómsins.Í rannsóknum sem tengast brjóskfrumum og sjúkdómum líkt og slitgigt hefur ýmist verið notað tvívíddar (2D) eða þrívíddar (3D) ræktun. Umhverfi þessara aðferða afar ólikt. Í 2D eru frumurnar ræktaðar í einlagi en í 3D eru frumurnar í geli sem líkist þeirra náttúrulega umhverfi í brjóskinu. Umhverfi brjóskfrumnanna hefur töluverð áhrif á genatjáningu þeirra. Frumurnar nota viðtaka til að skynja umhverfi sitt og seyta mikilvægum afurðum, þar á meðal utanfrumuefni. Umhverfi þeirra getur haft áhrif á genatjáningu frumanna og gefið þeim merki um að breyta þessum mikilvægu seytingarafurðum. Við teljum að brjóskfrumur sem eru ræktaðar í 3D ræktun líkist brjóskfrumum í brjóski frekar en þær sem hafa verið ræktaðar í 2D ræktun. Markmið þessa verkefnis var að setja upp 3D ræktun og rannsaka genatjáningu brjóskfrumna í 3D ræktun annars vegar og 2D ræktun hinsvegar, sem og bera saman genatjáningu þeirra við genatjáningu brjóskfrumna sem hafa verið einangraðar beint úr vef. Genagreiningartólið Enrichr er nýtt til þess að bera kennsl á þá boðferla sem eru einkennandi fyrir 2D ræktun og 3D ræktun. Ennfremur er munurinn á þeim boðferlum sem virkjast innan hvorrar ræktunaraðferðar greindur á degi 2 samanborið við dag 14 í ræktun. Niðurstöður sýna fram á að munur sé á genatjáningu brjóskfrumna í 2D ræktun og 3D ræktun, þar sem mátti sjá breytingu á ferlum sem tengjast frumuskiptingu og umhverfi frumnanna. Einnig benda niðurstöðurnar til þess að þær frumur sem ræktaðar eru í 3D séu líkari brjóskfrumum sem hafa verið einangraðar beint úr vef en ef þær eru ræktaðar í 2D. Því má leiða líkum að því að ræktun brjóskfruma í 3D henti betur fyrir rannsóknir á brjóskfrumum þar sem því verður komið við