Entwickung eines zellfreien, dreidimensionalen Implantates zur Behandlung von Defekten knorpelartiger Gewebe

Abstract

Ziel der durchgeführten Studien war die Entwicklung eines zellfreien Implantats. Es sollte die Einwanderung von Vorläuferzellen aus umliegendem Gewebe oder Knochenmark durch chemoattraktorische Substanzen induzieren und nachfolgend die Differenzierung und Anregung dieser Zellen zur Bildung knorpelartigen Reparaturgewebes anregen. Mögliche Anwendungsgebiete eines solchen zellfreien Implantates sind neben Gelenkknorpeldefekten zum Beispiel des Knies auch der Ersatz des Nucleus pulposus nach dessen Exstirpation. Die Wirkung von Serum als chemoattraktorische Substanz wurde mit einem 96-well Chemotaxis-Assays an humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSZ) sowie an humanen Nucleus pulposus Zellen (hNPZ) nachgewiesen. Die Prüfung der chondrogenen Differenzierung erfolgte zum einen durch Bestimmung der Genexpressionsprofile knorpeltypischer Markergene oder durch Färbung von Schnitten der hochdichten Zellkulturen auf knorpeltypische Matrixbestandteile nach Stimulierung der hMSZs mit Hyaluronsäure und von hNPZ mit Hyaluronsäure oder Transformierendem Wachstumsfaktor β3 (TGF β3). Als dreidimensionales Grundgerüst für das Implantatmaterial wurde ein Polyglycolsäure-Vlies gewählt, dem eine definierte Menge Hyaluronsäure zugegeben wurde. Dieses Polyglycolsäure/Hyaluronsäure- Vlies (PGS/HS-Vlies) wurde gefriergetrocknet und konnte durch Tränken in Serum dessen Bestandteile in hohem Maß aufnehmen. Der Effekt des serumgetränkten PGS /HS-Vlieses wurde in einem in vivo Versuch am ovinen Knie verifiziert. Dazu wurden Knorpeldefekte gesetzt, die Defekte mit Mikrofrakturierung vorbehandelt und das Vliesmaterial im Defekt mit resorbierbaren Fäden fixiert. Die Mikrofrakturierung erleichtert die Einwanderung von hMSZ aus dem darunterliegenden Knochenmark in den Defekt und das Vliesmaterial hinein. Die behandelten ovinen Knorpeldefekte zeigten histologisch zu allen Untersuchungszeitpunkten, im Gegensatz zu den lediglich mit Mikrofrakturierung behandelten Defekten, eine deutlich verbesserte Bildung von knorpelartigem, hyalinem Reparaturgewebe. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass das entwickelte zellfreie, serumgetränkte PGS/HS-Vlies für die Behandlung von Knorpeldefekten des Knies gut geeignet ist. Es besitzt zudem den Vorteil, dass es, im Gegensatz zu zellbesiedelten Tissue-Engineering-Konstrukten, ad hoc bei der Erst-Operation zur Verfügung steht und der Eingriff für die Gewinnung der Zellen entfällt. Am Kaninchen wurde das serumgetränkte PGS/HS-Vlies inzwischen auch von einer anderen Arbeitsgruppe zum Ersatz des Nucleus pulposus erfolgreich eingesetzt. Hierbei bildete sich funktionelles hyalinartiges Gewebe im Defektbereich aus [1].

The objective of the presented studies was the development of a cell-free implant, inducing the migration of precursor cells from the adjacent tissue or bone marrow by chemoattractive substances. Subsequently, these cells should be stimulated to differentiate and generate cartilage like repair tissue. Possible applications of such cell-free implants are the treatment of articular cartilage defects, for example of the knee or the substitution of the nucleus pulposus after its exstirpation. The effect of serum as a chemoattractive substance was tested using the 96-well chemotaxis assay with human mesenchymal stem cells (hMSC) and also with human nucleus pulposus cells (hNPC). For the examination of the chondrogenic differentiation of hMSC and hNPC under the influence of hyaluronic acid (HA) and HA or Transforming Growth Factor β3 (TGF β3) respectively, gene expression profiles of cartilage typical marker genes were generated. Additionally, sections of high density cell cultures were stained to detect cartilage typical matrix components after stimulation of these cells with HA and TGF β3. A three dimensional poly- glycolic-acid (PGA) matrix added with a defined amount of HA was chosen as basic implant structure. This combined PGA/HA scaffold was lyophilized, which facilitates the absorption of serum components in a high extent, when the PGA/HA scaffold was soaked with serum. In an ovine model of cartilage defect of the knee the effects of the serum soaked PGA/HA scaffold on cartilage repair was investigated. For this purpose a defined cartilage defect was created, subsequently micro-fractured and covered with the PGA/HA scaffold, which was fixed with transosseous sutures. Micro-fracturing facilitates the migration of MSC from the bone marrow into the defect and the scaffold material. Improved regeneration of hyaline like cartilage repair tissue could be demonstrated in all PGA/HA scaffold treated defects. In contrast, defects simply treated with micro-fractures showed poor development of repair tissue. The results demonstrate that the newly developed cell-free, serum soaked PGA/HA scaffolds are well appropriate for the treatment of cartilage defects of the knee. In contrast to cell-seeded tissue engineering matrices this cell- free scaffold can be implanted ad hoc in a one- step procedure with no need for previous operation to gain autologous cells. In the meanwhile the developed serum soaked PGA/HA scaffold was successfully proved for the replacement of the nucleus pulposus in a rabbit model by another study group. Here hyaline like and functional tissue was also generated at the defect site [1].