Implementation of the 3R principle in musculoskeletal research – Refinement measures and in vitro replacement methods

Musculoskeletal disorders are a challenging clinical problem. Each year, millions of patients worldwide experience bone fractures and 10–15% of these fractures suffer from impaired healing. The global prevalence for osteoarthritis is higher than ever before due to an increased life expectancy and rise in associated risk factors such as physical inactivity and obesity. Sophisticated complex treatment plans with novels biologics allowed to effectively achieve remission in patients with rheumatoid arthritis, however, about 25% of the patients still suffers from moderate or even high disease activity. Thus, further fundamental, and translational preclinical research is imperative to tackle the unmet medical needs for musculoskeletal conditions and ensure health throughout the life course. The current goldstandard in preclinical research is the use of animal models, i.e. mainly rodents (mouse, rat). However, during recent years, we have witnessed the failure of promising therapeutics in clinical testing albeit being based on strong evidence from animal experiments. Therefore, it can be speculated that trans-species differences might be responsible for the limited transferability of findings to the human patient. The 3R principle (replace, reduce, refine) published by Russell and Burch in 1959 can be used as a framework for the humane use of animals in research. Moreover, it can enhance and ensure scientific quality and integrity in studies using animals, thereby accelerating the translational process. To enhance the current knowledge on refinement measures in fundamental research studies and to provide evidence-based data on pain management protocols in laboratory animals, we evaluated two analgesics, tramadol and buprenorphine in the drinking water, for their efficiency and side effects on experimental readout in the mouse-osteotomy model. Furthermore, we developed novel in vitro approaches to evade cross-species differences and to replace lab animal usage with a specific focus on fracture healing and joint pathologies. In detail, to recapitulate the initial phase of fracture healing, we specifically focused on integrating the interaction between immune cells and mesenchymal stromal cells/bone-related cells, exemplified by artificial fracture hematoma models containing mesenchymal stromal cells and the combination with three-dimensional scaffold-free bone-like constructs (fracture gap model). This tissue-engineered macroscale approach was used in parallel to mimic cartilage degradation during the onset of osteoarthritis in vitro, which was later extended towards an osteochondral unit model by integrating a tricalcium phosphate-based bone equivalent to recapitulate key features of rheumatoid arthritis. Together, within this thesis, I provide an overview of the variety of approaches towards the active implementation of the 3R principle in musculoskeletal-related preclinical research. Thereby, I specifically underline the importance of equivalently prioritizing all 3Rs to effectively rethink traditional research approaches in biomedicine for continuous improvement in animal welfare and successful human patient-driven translation.
Erkrankungen des muskuloskelettalen Systems sind ein herausforderndes klinisches Problem. Jedes Jahr erleiden Millionen von Patienten weltweit Knochenbrüche und bei 10-15 % dieser Frakturen kommt es zu Heilungsstörungen. Die weltweite Prävalenz von Osteoarthrose ist aufgrund der gestiegenen Lebenserwartung und der Zunahme der damit verbundenen Risikofaktoren, wie Bewegungsmangel und Übergewicht, höher als je zuvor. Dank ausgeklügelter komplexer Behandlungspläne mit neuartigen Biologika konnte bei Patienten mit rheumatoider Arthritis eine wirksame Remission erreicht werden, allerdings leiden etwa 25 % der Patienten immer noch unter einer mäßigen oder sogar hohen Krankheitsaktivität. Daher ist weiterführende Forschung unerlässlich, um den verbleibenden medizinischen Bedarf im Bereich der muskuloskelettalen Erkrankungen zu decken. Der derzeitige Goldstandard in der präklinischen Forschung ist die Verwendung von Tiermodellen, insbesondere Nagetieren (Maus, Ratte). Dennoch sind in den letzten Jahren immer wieder neue Therapeutika in der klinischen Testung gescheitert, trotz vielversprechender Daten aus dem Tierversuch. Speziesübergreifende Unterschiede werden für die begrenzte Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den menschlichen Patienten verantwortlich gemacht. Das von Russell und Burch 1959 veröffentlichte 3R-Prinzip (Replace, Reduce, Refine) kann als Rahmen für den humanen Einsatz von Tieren in der Forschung dienen sowie die Qualität und Integrität von Tierversuchen sicherstellen und so den Translationsprozess beschleunigen. Um das derzeitige Wissen über Refinement-Maßnahmen zu erweitern und evidenzbasierte Daten zu Schmerzbehandlungsprotokollen bei Labortieren bereitzustellen, haben wir zwei Analgetika, Tramadol und Buprenorphin im Trinkwasser, auf ihre Wirksamkeit und ihre Nebenwirkungen im Maus-Osteotomie-Modell untersucht. Darüber hinaus haben wir neue in vitro Ansätze entwickelt mit speziellem Fokus auf die Frakturheilung und Gelenkpathologien. Um die Anfangsphase der Frakturheilung zu rekapitulieren, konzentrierten wir uns insbe-sondere auf die Interaktion zwischen Immunzellen und mesenchymalen Stromazellen/Knochenzellen, z. B. durch die Kombination von Frakturhämatom-Modellen mit dreidimensionalen trägerfreien knochenähnlichen Konstrukten (Frakturspaltmodell). Ein vergleichbarer Ansatz wurde verwendet, um den Knorpelabbau während der beginnenden Osteoarthrose in vitro zu imitieren. Später wurde dieser Ansatz auf ein Modell der osteochondralen Einheit ausgeweitet, um die Hauptmerkmale der rheumatoiden Arthritis zu rekapitulieren. In dieser Arbeit gebe ich einen Überblick über die Vielfalt der Ansätze zur aktiven Implementierung des 3R-Prinzips in der präklinischen muskuloskelettalen Forschung. Dabei unterstreiche ich insbesondere die gleichwertige Priorisierung aller 3R, um eine kontinuierliche Verbesserung des Tierschutzes und eine erfolgreiche, auf den menschlichen Patienten ausgerichtete Translation zu gewährleisten.