The Protective Effect of Decellularized Extracellular Matrix in Osteoarthritis : An in vitro and in vivo Study = 탈세포화 세포외기질의 골관절염 보호효과에 관한 연구 : 시험관 내 및 생체 내 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Background/Aim: Osteoarthritis (OA) is a degenerative joint disease affecting both humans and companion animals, characterized by progressive cartilage destruction, inflammation, and functional impairment. Current therapies provide mainly symptomatic relief, emphasizing the need for regenerative strategies. Decellularized extracellular matrix (dECM) hydrogels preserve native biochemical cues and biocompatibility, making them potential candidates for cartilage protection and regeneration. This study aimed to evaluate the biocompatibility, anti-inflammatory activity, and chondroprotective potential of meniscus-derived dECM (Meni-dECM) hydrogel.
Materials and Methods: Meniscus tissue was decellularized and processed into hydrogel form. in vitro cytocompatibility and chondrogenic potential were assessed using stem cells cultured within the hydrogel. For in vivo evaluation, OA was induced in rats by intra-articular monosodium iodoacetate (MIA) injection. The therapeutic efficacy of intraarticularly injected Meni-dECM hydrogel was compared with control using gross joint assessment, cytokine analysis, and histological evaluation.
Results: in vitro assays confirmed excellent cell viability, proliferation, and upregulation of chondrogenic gene expression within the Meni-dECM hydrogel. in vivo, Meni-dECM-treated rats exhibited significantly reduced joint swelling, lower serum levels of IL-1β, IL-6, and TNF-α, and improved cartilage preservation compared with control. Histological analysis revealed decreased synovial hyperplasia, reduced inflammatory infiltration, and enhanced proteoglycan retention in Meni-dECM-treated joints.
Conclusion: Meni-dECM hydrogels demonstrated protective effects against OA progression by modulating inflammation and preserving cartilage architecture. These findings support Meni-dECM hydrogel as a promising injectable biomaterial for OA management in both veterinary and translational medicine. Further studies are warranted to confirm long-term stability, elucidate molecular mechanisms, and evaluate clinical feasibility.

국문 초록 (Abstract)

배경 및 목적: 골관절염(Osteoarthritis, OA)은 사람과 반려동물에게 모두 영향을 미치는 퇴행성 관절 질환이다. 이는 진행성 연골 파괴, 염증 반응, 그리고 기능 장애를 특징으로 한다. 현재의 치료법은 주로 증상 완화에 초점을 맞추고 있으며, 이로 인해 재생 전략의 필요성이 증대되고 있다. 탈세포화 세포외 기질(decellularized extracellular matrix, dECM) 하이드로젤은 고유한 생화학적 신호와 생체 적합성을 유지하므로, 연골 보호 및 재생을 위한 잠재적 후보 물질로 주목받고 있다. 본 연구의 목적은 연골반 유래 dECM (Meni-dECM) 하이드로젤의 생체 적합성, 항염증 활성, 그리고 연골 보호 가능성을 평가하는 것이다.
재료 및 방법: 연골반 조직을 탈세포화한 후 하이드로젤 형태로 가공하였다. 체외(in vitro) 세포 적합성 및 연골 형성 잠재력은 하이드로젤 내에서 배양된 줄기세포를 이용하여 평가하였다. 생체 내(in vivo) 평가를 위해, 관절 내 단일요오드아세트산나트륨(monosodium iodoacetate, MIA) 주사를 통해 쥐에서 골관절염을 유도하였다. 관절 내에 주사된 Meni-dECM 하이드로젤의 치료 효능은 육안 관절 평가, 사이토카인 분석, 그리고 조직학적 평가를 사용하여 대조군과 비교 분석하였다.
결과: 체외 실험 결과, Meni-dECM 하이드로젤 내에서 우수한 세포 생존력과 증식 능력이 확인되었으며, 연골 형성 유전자 발현이 상향 조절됨을 확인하였다. 생체 내 실험에서는 Meni-dECM으로 처리한 쥐가 대조군에 비해 관절 부종의 유의미한 감소, 혈청 IL-1β, IL-6, TNF-α 수치의 저하, 그리고 연골 보존의 개선을 나타냈다. 조직학적 분석 결과, Meni-dECM 처리 관절에서 활막 증식 감소, 염증 세포 침윤 감소, 그리고 프로테오글리칸 유지 증진이 관찰되었다.
결론: Meni-dECM 하이드로젤은 염증을 조절하고 연골 구조를 보존함으로써 골관절염 진행에 대한 보호 효과를 입증하였다. 이러한 연구 결과는 Meni-dECM 하이드로젤이 수의학 및 중개 의학 분야에서 골관절염 관리를 위한 유망한 주사 가능한 생체 재료가 될 수 있음을 시사한다. 장기 안정성 확인, 분자 메커니즘 규명, 그리고 임상 적용 가능성 평가를 위한 추가 연구가 필요하다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• 1. Overview 1
• 2. Background and Rationale 3
• 3. Objectives of the Dissertation 7
• 4. Overview of the Research Design 8
• 5. Translational and Clinical Perspectives 10
• 6. Pathophysiology of Osteoarthritis 12
• 7. Decellularized Extracellular Matrix (dECM) in Regenerative Medicine 15
• 8. Hydrogel Based Biomaterials for Osteoarthritis Treatment 17
• 9. Translational and Clinical Perspectives 19
• Ⅱ. The Protective Effect of Decellularized Extracellular Matrix in Osteoarthritis: An In Vitro and In Vivo Study in Rat Model 21
• 1. Materials and Methods 21
• 2. Results 25
• 3. Conclusion 36
• Ⅲ. Discussion 37
• 1. Comparative Analysis of In Vitro and In Vivo Findings 41
• 2. Mechanistic Insights for Veterinary and Human Medicine 43
• 3. Translational Significance for Animal and Human Medicine 46
• 4. Academic and Clinical Implications 48
• 5. Limitations of the Study 50
• 6. Future Research Directions 51
• 7. Conclusion 53
• Ⅳ. Conclusion and Future Directions 54
• 1. Summary of Key Findings 54
• 2. Mechanistic and Biological Interpretation 56
• 3. Academic Significance 57
• 4. Clinical and Translational Implications 58
• 5. Limitations of the Present Study 60
• 6. Future Research Directions 62
• 7. Concluding Remarks 64
• References 65
• Abstract 72