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

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Kapitel 5. Verwendung multipotenter mesenchymaler Zellen zur Rekonstruktion von Gelenkknorpeldefekten

In den vorangegangenen Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, daß die Transplantation allogener Chondrozyten die Heilung artikulärer Knorpeldefekte mit hyalinartigem Knorpel ermöglicht. Weitere Fragestellungen bleiben jedoch ungelöst. Insbesondere die Regeneration des subchondralen Knochens, die Wiederherstellung der spezifischen Architektur des Gelenkknorpels und die Integration des Implantats in die Defektumgebung sind nicht ausreichend durch die Transplantation von Chondrozyten induzierbar. Es wird postuliert, daß die transplantierten Zellen aufgrund ihres hohen Differenzierungsgrades nicht in der Lage sind, sowohl den subchondralen Knochen wiederaufzubauen als auch die Integration in den benachbarten Knorpel zu ermöglichen [118]. Eine Alternative könnte daher die Verwendung multipotenter Zellen sein [20, 117].

Diese Zellen besitzen sowohl ein osteogenes als auch ein chondrogenes Potential. Dadurch kann sowohl die Rekonstruktion der artikulären Knorpelfläche, aber auch des subchondralen Knochens erreicht werden. Zudem ist durch die Möglichkeit der extensiven Vermehrung von mesenchymalen Zellen in vitro unter Erhalt des Phänotyps eine ausreichende Zellmenge verfügbar [32, 33, 41].

Beim Menschen sind auch im Erwachsenenalter multipotente mesenchymale Zellen im Knochenmark und im Periost nachweisbar. Die Option der Zellvermehrung (Replikation) als undifferenzierte Zelle und die nachfolgende Differenzierung in die unterschiedlichsten mesenchymalen Gewebsarten einschließlich Knochen, Knorpel, Fett, Sehne, Muskel und Knochenmarksstromazellen sind für diese Zellen charakteristisch und nachgewiesen [76]. Die Differenzierungsrichtung wird durch die Umgebungsfaktoren, insbesondere die umgebende Matrix und die einwirkenden morphogenen Faktoren bestimmt.


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5.1 Perka, 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

Die Wiederholung embryonaler Differenzierungsvorgänge mit mesenchymalen Stammzellen erscheint als logischer Zugang zur Regeneration skelettaler Gewebe [33]. Auch für embryonale Chondrozyten sind ein hohes Differenzierungspotential und ein hoher Grad an proliferativer Aktivität beschrieben [47, 85, 86]. Die Ursache wird in einer gesteigerten Synthese morphogener Faktoren, wie FGF´s, TGF-beta und BMP, sowie in einer vermehrten Expression korrespondierender Rezeptoren vermutet [28, 79, 80, 81, 83, 126]. Spekuliert wird, daß die Sensitivität dieser Zellen für Signale aus der Umgebung die Generation neuer Gewebe fördert.

Obwohl der Einsatz embryonaler Zellen beim Menschen aus ethischen Gründen derzeit nicht vertretbar erscheint, liefert das Modell der Transplantation embryonaler Chondrozyten neue Erkenntnisse zur klinischen Applikation proliferierender Zellen und über deren Differenzierung in vivo.

Ziel der vorliegenden Untersuchung war daher zu prüfen, inwieweit embryonale Chondrozyten der Wachstumsfuge zur Rekonstruktion von artikulären Knorpeldefekten geeignet sind. Dabei waren die sequentiellen Heilungsverläufe der Rekonstruktion des subchondralen Knochens und der artikulären Knorpelzone sowie die Transformationsvorgänge der implantierten Zellen wesentlicher Untersuchungsgegenstand.


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5.2 Perka, 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

Mesenchymale Stammzellen, wie pluripotente periostale Zellen, stehen im Mittelpunkt neuer Strategien des Zell- und Gewebsersatzes einschließlich der Wiederherstellung von Knorpel- und Knochendefekten [71, 100]. Neue Erkenntnisse über Zell-Zell- und Zell-Matrix-Interaktionen bezüglich der Differenzierung und Homöostase von Geweben [63, 98, 105, 121] führen zum gezielten Einsatz von Wachstums- und Differenzierungsfaktoren für die kontrollierte Regeneration von Knorpel und Knochen.

Der experimentelle Ansatz der vorliegenden Arbeit bestand in der Nutzung eines supportiven Mikromilieus mit vorangehend nachgewiesener Fähigkeit der Unterstützung chondrogener Differenzierungsvorgänge (Alginat-Fibrin-Gel) und dem Zusatz eines spezifischen Wachstumsfaktors in vitro.

Die In-vitro- und In-vivo-Differenzierung osteochondraler Progenitorzellen kann durch die Zugabe spezifischer morphogener Faktoren der TGF (transforming growth factor)-beta-Familie erreicht werden [90, 91, 103].

Die Induktion der Synthese knorpelspezifischer Matrixproteine durch mesenchymale Zellen des Periosts wurde für TGF-beta1 beschrieben [4, 68].

In der vorliegenden Arbeit untersuchten wir die Eignung multipotenter kultivierter periostaler Zellen für die Rekonstruktion artikulärer Knorpeldefekte und den Einfluß des Zusatzes von TGF-beta1 in der frühen Differenzierungsphase in vitro.


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