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

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Kapitel 4. Ergebnisse der Chondrozytentransplantation in unterschiedlichen Tiermodellen

In den vorangegangenen Untersuchungen wurden unterschiedliche Matrixsubstanzen für die Kultivierung von Chondrozyten verwendet. Nachdem belegt werden konnte, daß in den verwendeten Systemen (Alginat-Fibrin-Beads, bioresorbierbare Polymere, Kollagen-Fibrin-Gel) der Erhalt des chondrozytären Phänotyps und die Synthese knorpelspezifischer Matrixsysteme möglich sind, war im weiteren zu klären, welchen Veränderungen das präformierte Implantat nach der Transplantation in vivo unterliegt.

Abb. 2: Tangentialschnitt durch den normalen Knorpel des patellaren Gleitlagers der Femurkondyle beim Kaninchen


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4.1 Sittinger, M., Perka, C., Schultz, O., Häupl, T., Burmester, G.R.: Joint cartilage regeneration by tissue engineering. Z. Rheumatol. 1999; 58: 130-135

Bisherige Strategien zur Behandlung lokaler Knorpelschäden, wie die Durchführung von Abrasionsarthroplastiken, Bohrungen, Knorpeldebridements und das arthroskopische Shaven, waren langfristig klinisch wenig erfolgreich [29]. Ursächlich dafür ist, daß durch diese Verfahren mechanisch inadequat belastbarer Faserknorpel als Reparaturknorpel induziert wird [18, 23].

Die biologische Rekonstruktion der Gelenkflächen durch die Transplantation von Chondrozyten stellt eine Alternative dar, in deren Resultat eine langfristig erfolgreiche Rekonstruktion der Gelenkflächen möglich erscheint [3, 5, 12, 21, 119]. Der dabei entstehende hyaline Knorpel ist hinsichtlich der mechanischen Stabilität dem Faserknorpel deutlich überlegen [75].

In der vorliegenden Arbeit werden die spezifischen Erfordernisse für eine klinisch erfolgreiche Knorpeltransplantation diskutiert. Die Fixation des Transplantats im Defekt, die Protektion des gegen immunologisch bedingte entzündliche Veränderungen bei Verwendung allogener Zellen und eine ausreichende mechanische Stabilität sind die wichtigsten zu lösenden Probleme für die klinische Anwendung. In der vorliegenden wurde eine Technik der Herstellung von Transplantaten, bestehend aus in einem bioresorbierbaren Polymer kultivierten Chondrozyten entwickelt, die die klinischen Anforderungen erfüllt und die Rekonstruktion von Defekten mit hyalinem Knorpel ermöglicht.


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4.2 Perka, C., Schultz, O., Sittinger, M., Zippel, H.: Chondrozytentransplantation in PGLA/Polydioxanon-Vliesen. Orthopäde 2000; 138: 39-45

Der klinische Einsatz von durch das Tissue Engineering hergestellten Knorpeltransplantaten erfordert, daß bereits zum Zeitpunkt der Entnahme des Zellmaterials, die Größe und die Form des zu reparierenden Knorpeldefektes bestimmt werden. Bei der Verwendung bioresorbierbarer Polymere kann das Matrixgerüst bereits die Form erhalten, die der des Defektes entspricht [95]. Nach der Transplantation muß jedoch gewährleistet sein, daß die Biodegradation des Transplantats nicht schneller verläuft als die gleichzeitige Synthese der knorpelspezifischen Matrix, da sonst mit einem Herauslösen des gesamten, bzw. eines Teils des Implantats zu rechnen ist.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Beurteilung der Entwicklung des Transplantats nach Implantation in Knorpeldefekte der femoralen Gleitbahn des Kaninchenkniegelenkes. Dabei sollte neben der Beurteilung der Integrität des Transplantats insbesondere dessen Einbau in den subchondralen Knochen und die Verbindung mit dem benachbarten Knorpel untersucht werden.

In über 80 % der Defekte konnten wir nach Transplantation allogener Chondrozyten in bioresorbierbaren Polymeren die Defektheilung mit hyalinem Knorpel beobachten. Die Degradation der Polymere erfolgte dabei ohne Beeinträchtigung der Stabilität des Transplantats.


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4.3 Perka, 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

Traumatische Schäden des Gelenkknorpels sind häufig und führen zu klinischen Problemen wie chronischen Schmerzen, Dysfunktionen des Gelenkes und langzeitiger Einschränkung der Leistungsfähigkeit. Durch die Progression der lokalen Veränderungen ist die zunehmende Alteration der Gelenkfläche und des subchondralen Knochens möglich.

Bei dem von Brittberg [12] entwickelten und inzwischen kommerziell vertriebenen System erfolgt die Transplantation der Chondrozyten in einem flüssigen Medium. Aus diesem Grund ist vor der Transplantation die Entnahme eines Periostlappens notwendig, der in dem den Defekt umgebenden Knorpel mit Nähten fixiert wird. Abschließend wird dann die Zellkultur unter diesen Periostlappen appliziert.

Nachteile dieses Verfahrens sind die Morbidität an der Entnahmestelle des Periostlappens, die Alteration des benachbarten Knorpels durch die Fixation, der hohe Zeitaufwand und die mögliche Ablösung des Periostlappens in der Phase der postoperativen Belastung. Aus diesem Grund wurde ein auf der Basis von Polymeren beruhendes Matrixsystem verwendet, bei dem die Fixierung ausschließlich durch Fibrinkleber erfolgte. Wir konnten nachweisen, daß auf diesem Wege eine sichere Fixation des Transplantats im Defekt möglich ist und die Reparatur mit hyalinartigem Knorpel erfolgt.


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4.4 Perka, 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

Die extrazelluläre Matrix des Knorpels ist ein faserverstärktes Gel, das durch seine Struktur auf molekularer Ebene eine hohe Stabilität des Gewebes gewährleistet. Dabei wird im Vergleich zu anderen Geweben die Matrix von einer relativ geringen Zahl von Zellen synthetisiert. So sind im Knorpel des Femurkopfes eines Erwachsenen nur etwa 10 000 Zellen/mm3 enthalten [115]. Außerdem ist unabhängig von der körperlichen Größe der Spezies eine inverse Relation zwischen der Dichte der Zellen und der Knorpeldicke bekannt [102].

Da der Knorpel avaskulär ist, erfolgt die Nutrition der Zellen ausschließlich über die Diffusion. Aus diesem Grund sollte mit der vorliegenden Untersuchung geklärt werden, welchen Veränderungen proliferierende Zellen wie embryonale Knorpelzellen nach der Transplantation unterliegen. Dazu waren die Veränderung der Zelldichte nach der Transplantation, der Transformationsprozeß des Gewebes und insbesondere die Eignung eines neuartigen Gels als Grundsubstanz, bestehend aus Fibrin und Kollagen, für die Transplantation embryonaler Chondrozyten und die Herstellung eines stabilen Transplantats zu untersuchen.

Die Arbeit konnte zeigen, daß eine Kollagen-Fibrin-Matrix hervorragend für die Transplantation embryonaler Zellen mit hoher proliferativer Aktivität geeignet ist und die Bildung von Knorpelgewebe unterstützt. Beide Komponenten sind biodegradibel, nicht toxisch und erlauben die Differenzierung der Zellen zu einem chondrozytären Phänotyp. Limitiert wird der Einsatz des vorliegenden Matrixtyps lediglich durch einen relativ hohen Zeitaufwand bei der Präparation.


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4.5 Perka, 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

Für die breite klinische Anwendung der Chondrozytentransplantation besteht die Notwendigkeit, den Zeitraum zwischen der Entnahme der Chondrozyten und der Retransplantation frei wählen zu können. Klinische Gründe, wie zum Beispiel der instabile Zustand eines polytraumatisierten Patienten oder die ausbleibende Konsolidierung der osteochondralen Fraktur, können eine Retransplantation zum geplanten Zeitpunkt unmöglich machen. Eine langzeitige Kultivierung der Zellen ist aber aufgrund der Gefahr der Dedifferenzierung nicht möglich. Zudem bestehen ein beträchtlicher Kostenfaktor und ein erhöhtes Infektionsrisiko. Dagegen wäre die Kryokonservierung der Chondrozyten zur Aufbewahrung der Zellen bis zum Zeitpunkt der Transplantation denkbar.

Prinzipiell muß durch die Kryokonservierung die Vitalität und die phänotypische Stabilität der Zellen erhalten bleiben. Während die Kryokonservierung von Knorpel mit einer irreversiblen Schädigung der Chondrozyten einhergeht [15, 73], behalten isolierte Chondrozyten nach Kryokonservierung ihre Vitalität und die Fähigkeit zur Synthese knorpelspezifischer Matrixproteine wie Kollagen Typ II und der Proteoglycane [88]. So wurde nach Transplantation kryokonservierter osteochondraler Transplantate eine ausgeprägte Degeneration des Knorpelanteils beobachtet [64]. Daher ist festzustellen, daß nur isolierte Chondrozyten nach Kryokonservierung für die Rekonstruktion von Knorpeldefekten einsetzbar sind.

Bisher existieren jedoch keine Ergebnisse über die Transplantation kultivierter isolierter kryokonservierter Chondrozyten. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher, die biologische Wertigkeit kryokonservierter Chondrozyten gegenüber nicht-kryokonservierten Chondrozyten zu beurteilen und eine vergleichende Einschätzung der Transplantatentwicklung vorzunehmen.


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