Perka, Carsten: Die Rekonstruktion von Knorpel- und Knochendefekten Untersuchungen zu den strategischen Möglichkeiten des Tissue Engineering in der Orthopädie
Die Rekonstruktion von Knorpel- und Knochendefekten
Untersuchungen zu den strategischen Möglichkeiten des Tissue Engineering in der Orthopädie
Habilitationsschrift

zur Erlangung der Lehrbefähigung für das Fach
Orthopädie

vorgelegt dem
Fakultätsrat der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin

von Dr. med. Carsten Perka ,
geboren am 04.07.1965 in Cottbus

Präsident: Prof. Dr. Dr. h.c. H. Meyer

Dekan: Prof. Dr. med. Dr. h.c. R. Felix

eingereicht: 01.08.1999

verteidigt: 17.10.2000

Gutachter:
Prof. Dr. med. B. D. Katthagen
Prof. Dr. med. G. Weseloh

Abstract

Strategien zur Gewebsreparatur durch Zelltransplantate erfordern die Verfügbarkeit einer ausreichenden Menge von Zellen, die Schaffung konduktiver Mikrokulturbedingungen für die Integration und die Entwicklung des Implantats und die Entwicklung reproduzierbarer chirurgischer Technik für die klinische Anwendung des kultivierten Transplantats.

In der vorliegenden Arbeit wurden mehrere Techniken der Zelltransplantation entwickelt und tierexperimentell erprobt. Unter Verwendung von Alginat wurde eine neue sequentielle Zellkulturtechnik für Knorpeltransplantate entwickelt. Der optimale Kompromiß zwischen der Matrixstabilisierung und einer ausreichenden Diffusionskapazität für die Zellfunktion wurde bei einer Mischung aus 0,6 % Alginat und 4,5 % Fibrin gefunden. Weitere untersuchte Matrixstrukturen zur Transplantation von Chondrozyten, wie die bioresorbierbaren Polymere, das Kollagen-Fibrin-Gel besitzen gegenüber der gegenwärtig kommerziell genutzten Methode hinsichtlich des chirurgischen Prozederes bei vergleichbaren histologischen Ergebnissen Vorteile.

Die histomorphologischen Veränderungen und die Entwicklung des Transplantats in vivo werden durch die spezifischen Bedingungen der Transplantatumgebung beeinflußt. Dabei ist ein vollständiges zonales und sequentielles Remodeling von Knorpel-Knochendefekten nur bei nicht ausdifferenzierten Zellen (embryonale Chondrozyten, periostale Zellen) zu erkennen, da diese Zellen ein exzellentes chondrogenes und osteogenes Potential besitzen. Transplantate unter Verwendung von Chondrozyten zeigen dagegen nur eine sehr geringe Rekonstruktion des subchondralen Knochens. Periostale Zellen sind in vitro ohne Verlust des Phänotyps amplifizierbar und stellen daher eine optimale Zellquelle für das Tissue Engineering dar.

Für das Bone Engineering ist die Kombination der osteokonduktiven Eigenschaften unterschiedlicher Trägermaterialien mit Zellen, die ein osteogenes Potential besitzen ein neuer Weg zur Optimierung des Prozesses der knöchernen Rekonstruktion, wie in Versuchen zur Rekonstruktion segementaler Ulnadefekte bei Kaninchen gezeigt werden konnte. Die Herstellung eines präossären stabilen aber formbaren Transplantats mit vielfältigen klinischen Einsatzmöglichkeiten ist unter Verwendung von biodegradierbaren Polymeren und von Fibrinbeads realisierbar.

Der Einsatz von Wachstumsfaktoren, wie TGF-beta1 und die zunehmenden Erkenntnisse zu den Zell-Zell- und Zell-Matrix-Interaktionen ermöglichen die verbesserte Generation ortsständigen Gewebes durch multipotente Zellen. Die immer komplexere und umfassendere Wiederholung der sich in der Ontogenese abspielenden Vorgänge durch die Techniken des Tissue Engineering, ermöglicht die Schaffung therapeutischer Optionen zur Behandlung von Knochen- und Knorpeldefekten, wo bisher keine existierten oder nur unzulänglich vorhanden waren.

Abstract

Strategies for tissue repair by cell transplants require the availability of a sufficient amount of cells, the creation of conductive microculture conditions for the integration and development of the implant and the development of reproducible surgical techniques for the clinical application of the cultivated transplant.

Within the frame of the present work, several techniques of cell transplantation were developed and tested by way of experiment. By using alginate, a new sequential cell culture technique was developed for cartilage transplants. The optimum compromise between the matrix stabilization and a sufficient diffusion capacity for the cell function was found with a mixture of 0.6 % of alginate and 4.5 % of fibrin. Further investigated matrix structures for the transplantation of chondrocytes, such as the bio-absorbable polymers, the collagen fibrin jelly show advantages compared with the method commercially applied at present regarding the surgical procedure with the gained histological results being comparable.

The histomorphological changes and the development of the transplant within the living body are influenced by the specific conditions of the transplant environment. In this connection, a complete zonal and sequential remodeling of osteochondrodefects can only be detected for non-outdifferentiated cells (embryonic chondrocytes, periosteal cells) as these cells have an excellent chondrogenic and osteogenic potential. When using chondrocytes for transplants, however, the transplant only shows a very little restoration of the subchondral bone. Periosteal cells can be amplified in the living body without losing the phenotype, thus constituting an optimum cell source for tissue engineering.

For the bone engineering, the combination of the osteoconductive properties of different carrier materials with cells having an osteogenic potential is a new way for optimizing the process of bone restoration as it was demonstrated in tests for the restoration of segmental ulnar defects occurring with rabbits. The generation of a preosteal stable, but mouldable transplant with manifold clinical possibilities of utilization can be realized by using biodegradable polymers and fibrin beads.

The use of growth factors, such as TGF-beta1, and the increasing knowledge of cell-cell and cell-matrix interactions enable the improved generation of stationary tissue by multipotent cells. The more and more complex and comprehensive repetition of processes going on in the ontogenesis by way of tissue engineering enables the creation of therapeutic options for the treatment of osteochondrodefects where hitherto none existed or just in a too small number.

Schlagwörter:
Tissue engineering, Knorpelregeneration, Knochendefekt, Zellkultur

Keywords:
tissue engineering, cartilage regeneration, bone defect, cell culture


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Inhaltsverzeichnis

TitelseiteDie Rekonstruktion von Knorpel- und Knochendefekten Untersuchungen zu den strategischen Möglichkeiten des Tissue Engineering in der Orthopädie
1 Einleitung
2 In-vitro-Untersuchungen zum Einsatz differenter Matrixsysteme für die Chondrozytentransplantation
2.1Perka, C., Spitzer, R.S., Lindenhayn, K., Sittinger, M., Schultz, O.: Matrix-mixed culture - a new methodology for chondrocyte culture and preparation of cartilage transplants. J. Biomed. Mater. Res. 2000; 49: 305-311
2.2Lindenhayn, K., Perka, C., Spitzer, R.S., Heilmann, H.H., Pommerening, K., Mennicke, J., Sittinger, M.: Retention of hyaluronic acid in alginate beads: Aspects for in vitro cartilage engineering. J. Biomed. Mater. Res. 1999; 44: 149-155
2.3Haisch, A., Schultz, O., Perka, C., Jahnke, V., Burmester, G.R., Sittinger, M.: Tissue-engineering humanen Knorpelgewebes für die rekonstruktive Chirurgie unter Verwendung biokompatibler resorbierbarer Fibringel- und Polymervliesstrukturen. HNO 1996; 44: 624-629
3 Dreidimensionale Systeme zur Kultivierung periostaler Zellen
3.1Spitzer, R.S., Perka, C., Lindenhayn, K.: In vitro cultivation of rabbit and porcine periosteal cells in matrix-mixed cultures for bone replacement. In: H. Stein, Se-Il Suk, Ping-Chung Leung, K.-G. Thorngren, W. Akeson, ed., SIROT 99, Tel Aviv, Freund Publishing House Ltd., 1999
3.2Redlich, A., Perka, C., Schultz, O., Spitzer, R.S., Häupl, T., Burmester, G.R., Sittinger, M.: Bone engineering on the basis of periosteal cells cultured in polymer fleeces. J. Mater. Sci.: Materials in Medicine 1999; 10: 767-772
4 Ergebnisse der Chondrozytentransplantation in unterschiedlichen Tiermodellen
4.1Sittinger, M., Perka, C., Schultz, O., Häupl, T., Burmester, G.R.: Joint cartilage regeneration by tissue engineering. Z. Rheumatol. 1999; 58: 130-135
4.2Perka, C., Schultz, O., Sittinger, M., Zippel, H.: Chondrozytentransplantation in PGLA/Polydioxanon-Vliesen. Orthopäde 2000; 138: 39-45
4.3Perka, C., Spitzer, R.S., Lindenhayn, K., Sittinger, M.: Tissue engineered repair of full-thickness articular cartilage defects using allogenic chondrocytes. In: H. Stein, Se-Il Suk, Ping-Chung Leung, K.-G. Thorngren, W. Akeson, ed., SIROT 99, Tel Aviv, Freund Publishing House Ltd., 1999
4.4Perka, C., Schultz, O., Lindenhayn, K., Spitzer, R.S., Muschik, M., Sittinger, M., Burmester, G.R.: Joint cartilage repair with transplantation of embryonic chondrocytes embedded in collagen-fibrin-matrices. Clin. Exp. Rheumatol. 2000; 18: 13-22
4.5Perka, C., Sittinger, M., Schultz, O., Spitzer, R.S., Schlenzka, D., Burmester, G.R.: Joint cartilage repair using cryopreserved and non-cryopreserved chondrocytes. Clin. Orthop. 2000; 378: 245-254
4.5
5 Verwendung multipotenter mesenchymaler Zellen zur Rekonstruktion von Gelenkknorpeldefekten
5.1Perka, C., Lindenhayn, K., Heilmann, H.-H., Sittinger, M., Muschik, M.: Experimentelle Untersuchungen mechanisch induzierter Gelenkknorpeldefekte nach Implantation allogener embryonaler Chondrozyten in einem Kollagen-Fibrin-Gel beim Huhn. Z. Orthop. 1996; 134: 562-572
5.2Perka, C., Schultz, O., Spitzer, R.S., Lindenhayn, K.: The influence of transforming growth factor beta1 on mesenchymal cell repair of full-thickness cartilage defects. J. Biomed. Mater. Res. 2000; 52: 543-552
6 Die Rekonstruktion von Knochendefekten mittels Tissue Engineering
6.1Perka, C., Schultz, O., Spitzer, R.S., Lindenhayn, K., Burmester, G.R., Sittinger, M.: Segmental Bone Repair by Tissue Engineered Periosteal Cell Transplants with Bioresorbable Fleece and Fibrin Scaffolds in Rabbits. Biomaterials 2000; 21: 1145-1153
7 Diskussion
7.1Knorpeltransplantation
7.1.1
7.2 Knochenrekonstruktion
7.3Ausblick auf weitere Einsatzmöglichkeiten des Tissue Engineering
8 Zusammenfassung
Bibliographie Literaturverzeichnis
Danksagung
Selbständigkeitserklärung

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Phasenkontrastmikroskopisches Bild periostaler Zellen in einer Alginat Fibrin-Matrix (x 100)
Abb. 2: Tangentialschnitt durch den normalen Knorpel des patellaren Gleitlagers der Femurkondyle beim Kaninchen
Abb. 3: Knöcherne Regeneration eines nichtossifizierenden Fibroms der distalen Tibia nach Transplantation von autologen periostalen Zellen und alpha-Trikalziumphosphat bei einem 12-jährigen Mädchen. Im ersten operativen Eingriff erfolgte die Ausräumung des Tumors und die Entnahme eines Periostlappens von der Stelle, an der die Tibia eröffnet wurde. 22 Tage später wurden die isolierten und anschließend amplifizierten Zellen in einem Fibrinträger in den Defekt injiziert. 12 Monate nach der Operation ist der Defekt knöchern konsolidiert.

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Mon Nov 13 12:42:04 2000