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Exosomes loaded with chondrogenic stimuli agents combined with 3D bioprinting hydrogel in the treatment of osteoarthritis and cartilage degeneration - 11/11/23

Doi : 10.1016/j.biopha.2023.115715 
Hui Zhang a, b, Jianghong Huang a, , Murad Alahdal a, c,
a Shenzhen Key Laboratory of Tissue Engineering, Shenzhen Laboratory of Digital Orthopedic Engineering, Shenzhen Second People's Hospital (The First Hospital Affiliated to Shenzhen University, Health Science Center), Shenzhen 518035, China 
b Department of Orthopedics, Shangrao People’s Hospital, Shangrao, Jiangxi, China 
c Johns Hopkins All Children’s Hospital, 600 5th St. South, St. Petersburg, FL 33701, USA 

Corresponding author.⁎⁎Corresponding author at: Johns Hopkins All Children’s Hospital, 600 5th St. South, St. Petersburg, FL 33701, USA.Johns Hopkins All Children’s Hospital600 5th St. SouthSt. PetersburgFL33701USA.

Abstract

Osteoarthritis (OA) is a challenging joint inflammatory disease that often leads to disability. Immunoregulatory Exosomes (Exos) have shown promise in OA and cartilage degeneration treatment. Engineering Exos to deliver therapeutic agents like Kartogenin (KGN) has displayed potential for restoring cartilage regeneration. However, challenges include the uneven distribution of Exos at the injury site and the release of Exos cargo out of chondrocytes. Hydrogel-loaded uMSC-Exo has demonstrated significant therapeutic effects in wound healing and tissue regeneration. Recently, a new version of three-dimensional (3D) bioprinting of hydrogel significantly restored cartilage regeneration in OA joints. Combining immune regulatory Exos with 3D bioprinting hydrogel (3D-BPH-Exos) holds the potential for immunomodulating cartilage tissue and treatment of OA. It can reduce intracellular inflammasome formation and the release of inflammatory agents like IL-1β, TNF-α, and INF-γ, while also preventing chondrocyte apoptosis by restoring mitochondrial functions and enhancing chondrogenesis in synovial MSCs, osteoprogenitor cells, and osteoclasts. Loading Exos with chondrogenic stimuli agents in the 3D-BPH-Exos approach may offer a faster and safer strategy for cartilage repair while better inhibiting joint inflammation than high doses of anti-inflammatory drugs and cell-based therapies. This review provides a comprehensive overview of hydrogel bioprinting and exosome-based therapy in OA. It emphasizes the potential of 3D-BPH-Exos loaded with chondrogenic stimuli agents for OA treatment, serving as a basis for further research.

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Graphical Abstract




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Highlights

Immunoregulatory exosomes presented promising outcomes in OA treatment.
3D-BPH-Exos boosts cartilage repair through sustained exosome release.
Combining 3D bioprinting hydrogels and chondrocyte exosomes has a potential clinical promise for OA treatment.

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Keywords : 3D bioprinting hydrogel, Exosomes, Osteoarthritis, Cartilage repair


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