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

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Kapitel 7. Diskussion

7.1 Knorpeltransplantation

In der vorliegenden Arbeit konnten wir in mehreren Modellen die Wirksamkeit der Transplantation von Chondrozyten demonstrieren. Während in den Kontrollgruppen in keinem Fall die Rekonstruktion der Defekte mit hyalinem oder hyalinartigem Knorpel beobachtet wurde, war diese in den experimentellen Gruppen nach Zelltransplantation nachweisbar.

Trotz der immer weiteren Verbesserung der Techniken der Chondrozytentransplantation bleiben auch nach den von uns nachgewiesenen Optimierungen mehrere Probleme ungelöst.

So konnten wir in unseren Untersuchungen, die für hyalinen Knorpel typische Arkadenstruktur der kollagenen Fibrillen und die vollständige Wiederherstellung des zerstörten subchondralen Knochens nicht verifizieren. Zwar ist es denkbar, daß die Ausbildung dieser Strukturen eines längeren Zeitraumes bedarf, doch konnten andere Autoren auch nach 52 Wochen keine dementsprechenden Beobachtungen dokumentieren [72].

Diese Beobachtungen könnten die Ergebnisse von Petersen [75] erklären, der mechanische Testungen des nach Chondrozytentransplantation neu gebildeten Gewebes vornahm. Histologisch wurde in allen Fällen hyalinartiger Knorpel nachgewiesen. Dagegen konnte zwar eine Verbesserung der Stabilität des neu gebildeten Knorpels gegenüber dem physiologischerweise nach Verletzungen gebildeten Faserknorpel belegt, aber nicht die Stabilität des gesunden Knorpels der Umgebung erreicht werden. Angegeben werden Werte von 3,1 Newton für den gesunden Knorpel, 2,7 Newton für das Reparationsgewebe nach Chondrozytentransplantation und 1,2 Newton für den physiologischerweise nach Knorpel-Knochen-Defekten gebildeten Faserknorpel.

Der klinische Einsatz der Chondrozytentransplantation wird unter anderem aufgrund der fehlenden Rekonstruktion des subchondralen Knochens, der unvollständigen Transplantatintegration in die natürliche Umgebung und der fehlenden Arkadenstruktur des hyalinen Knorpels kontrovers diskutiert. Dies ist um so ausgeprägter, seit der Erstveröffentlichung der Arbeit von Brittberg zur Chondrozytentransplantation im Jahr


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1994 [12] und der Auswahl dieses Artikels, als eine der besten wissenschaftlichen Arbeiten des Jahres durch den „Harvard Health Letter“ [108] zu beobachten. Diese Diskussion bestätigt, die Gültigkeit der bereits von Shimizu getroffenen Feststellung, daß gegenwärtig keine Möglichkeit der Knorpelreparatur existiert, die universell einsetzbar ist und generell ohne Kritik akzeptiert wird [92].

Die Kontroversen betreffen vor allem die Indikation der Chondrozytentransplantation und die Möglichkeit, den Operationserfolg nachzuweisen. So ist der in den Publikationen meist zu findende Hinweis auf die stetig steigende Zahl der Endoprothesenoperationen aufgrund arthrotischer Gelenkveränderungen mit Sicherheit irreführend. Die Arthrose ist die Krankheit eines „Organs“ und die Ätiologie dieser Erkrankung meistens nicht bekannt [66]. Dagegen ist gegenwärtig nicht sicher belegt, daß die typische Indikation für die Chondrozytentransplantation, die begrenzte lokale Schädigung des Gelenkknorpels, zwangsläufig zur Arthrose führt [11].

Zwar weisen experimentelle Studien aus, daß die Inkongruenz der Gelenkflächen und die nach Verletzungen entstandenen Stufenbildungen des Knorpels degenerative Veränderungen des angrenzenden Knorpels und des subchondralen Knochens zur Folge haben [34, 61], dennoch sind diese Ergebnisse nicht zweifelsfrei auf den Menschen übertragbar. Messner und Maletius konnten 15 Jahre nach der Diagnose eines ausgedehnten Knorpelschadens bei sportlich aktiven Personen, klinisch und radiologisch keinen Unterschied zu der nicht alterierten Gegenseite feststellen [67]. Auch wir fanden in einer Untersuchung von 3 000 arthroskopisch verifizierten Knorpelverletzungen, daß eindeutig eine altersabhängige Verteilung der Defekte vorliegt [57]. Während bei Patienten unter dem 40. Lebensjahr, das laterale und mediale Kompartment gleich häufig von einer Knorpelschädigung betroffen sind, erfolgt die Indikationsstellung zur Endoprothesenimplantation zu über 85 % aufgrund eines Aufbrauchschadens des medialen Kompartments. Daraus ist zu schlußfolgern, daß eine lokalisationsabhängige Progression degenerativer Veränderungen im Kniegelenk gegeben ist.

Ähnlich schwierig ist die Beurteilung des klinischen Befundbildes in Abhängigkeit von der Knorpelläsion. Blockierungen, Störungen des normalen Bewegungsmusters, lokalisierte Schmerzen und Schwellungen werden mit dem artikulären Knorpelschaden korreliert [125]. Es wird postuliert, daß die Füllung dieser Defekte mit Reparaturgewebe diese


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Symptome minimiert, nicht jedoch das Fortschreiten der degenerativen Veränderungen beeinflußt.

Brittberg konnte zwar nach Anwendung der Chondrozytentransplantation einen deutlichen Rückgang der klinischen Beschwerden beobachten [12], beschrieb im selben Jahr jedoch den gleichen Effekt auch nach Transplantation von Kohlefaserimplantaten [10]. Auch andere Methoden der Rekonstruktion des artikulären Knorpels durch Verwendung von autologen osteochondralen Transplantaten, wie die Mosaikplastik [37] und die OATS-Technik [7], müssen für prospektive Untersuchungen berücksichtigt werden, da über vergleichbare Kurzzeitergebnisse berichtet wird.

Die hohen Kosten des Verfahrens von gegenwärtig bis zu 10.000 US$/Fall für die Herstellung eines Chondrozytentransplantats schränken die breite klinische Anwendung ein. Insbesondere langfristige Ergebnisse mit der derzeit verwendeten Technik fehlen. Im Gegensatz zur lebenserhaltenden Wirkung der in gleicher Technik vermehrten und kultivierten Hautzellen bei ausgedehnten Verbrennungen [30], ist bisher eine sichere Kosten-Nutzen-Relation der Chondrozytentransplantation als sogenannte „symptom modifying operative procedure“ nicht zu erbringen. Der insbesondere durch den kommerziellen Hersteller in der öffentlichen Diskussion geförderte Gedanke, eine Behandlungsoption für alle Arthrosen unabhängig von der Ätiologie und dem Alter der Patienten entwickelt zu haben, stellt einen unrealistischen Traum dar.

Zusammenfassend ist daher festzustellen, daß die klinischen Ergebnisse nach Durchführung einer Chondrozytentransplantation vielversprechend sind, dennoch aber eine ständige und kritische Beurteilung des Verfahrens, insbesondere im Hinblick auf die hohen Kosten notwendig ist. Das gegenwärtige Vorgehen stellt eine wichtige Etappe für den zunehmenden Einsatz amplifizierter und kultivierter autologer Zellen dar. Für die breite klinische Anwendung ist jedoch die Senkung der Kosten des Verfahrens notwendig. Zudem ist die ständige Weiterentwicklung auf der Grundlage der täglich steigenden Erkenntnisse zum Einsatz von Wachstumsfaktoren, die Verbesserung der operativen Handhabbarkeit durch neue Matrixsubstanzen und der Einsatz neuester Methoden der Zellkultivierung nach zertifizierten und standardisierten Methoden zu fordern.

7.1.1


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7.2 Knochenrekonstruktion

Die Knochenbildung beim Erwachsenen ist ein komplexer und eng regulierter Prozeß [69]. Eine physiologische Knochenbildung wird nach Wachstumsabschluß an den Stellen der osteoklastären Knochenresorption oder als appositionelles lokales Knochenwachstum an periostalen Oberflächen beobachtet.

Bei der nach Frakturen einsetzenden enchondralen Ossifikation wird der initiale Frakturkallus durch pluripotente mesenchymale Zellen des Periosts in Kombination mit Osteoblasten und der Matrix gebildet [42, 109].

Die zellulären Prozesse der Knochenbildung beinhalten die Chemotaxis osteoblastischer Precursorzellen, deren Wachstum und die anschließende Differenzierung mit der Expression knochentypischer Matrixproteine wie Osteocalcin, Osteopontin und des Typ-I-Kollagens.

Die lokale Applikation eines präossären Gewebes bzw. von Zellen mit einer hohen osteogenen Potenz erscheint daher in der Lage, Knochendefekte in deutlich kürzerer Zeit zu regenerieren bzw. Reparationsprozesse an Stellen zu initiieren (z. B. Pseudarthrosen), an denen diese infolge der fehlenden zellulären Grundlage bis dahin nicht möglich waren.

In den vorliegenden Versuchen konnte nachgewiesen werden, das periostale Zellen in unterschiedlichen Trägermaterialien geeignet sind, die Regeneration von Knochendefekten zu bewirken. Durch die Etablierung entsprechender Kulturbedingungen in vitro und aufgrund der lokalen Nutritionsbedingungen in vivo, wie dem an das Blut adaptierten pO2, konnten wir die Differenzierung der multipotenten periostalen Zellen in osteogener Richtung stimulieren. Entsprechend der vorliegenden Ergebnisse ist eine weitere Optimierung durch die Kombination der periostalen Zellen mit anorganischen Kalzium-Phosphatverbindungen bereits in vitro zu erwarten.

Die verwendete Matrix beeinflußt die Geschwindigkeit der Reparatur der mechanisch induzierten metadiaphysären Knochendefekte. Beide eingesetzte Trägermaterialien für


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periostale Zellen ermöglichen eine einfache und sichere Fixation im Defekt, was eine problemlose operative Handhabbarkeit gewährleistet.

Im Vergleich zur Defektrekonstruktion des artikulären Knorpels erscheint die Frage der biomechanischen Belastbarkeit und der Langzeitstabilität weniger problematisch, da eine einfache Untersuchung des Transplantats durch Röntgen- und Funktionskontrollen möglich ist. Erste klinische Ergebnisse zeigen vielversprechende Resultate.


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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.

Die zukünftige Breite des Einsatzes des Tissue Engineering wird durch die immer bessere Aufklärung, der bei der Knochenneubildung wirkenden regulatorischen Prozesse bestimmt. Dazu zählt auch die Frage, inwieweit systemisch wirkende Hormone, wie Kalzitonin, Parathormon, 1,25-Dihydroxycalciferol sowie die Schilddrüsenhormone und Sexualhormone, durch lokale Wachstumsfaktoren und Zytokine den Knochenumbau modulieren [69]. Die Kenntnis dieser Prozesse ermöglicht dann eine immer effizientere lokale und sysetmische Beeinflussung der Neubildung von Knochen bei Defektsituationen.

Neben der Aufklärung dieser systemischen Beeinflussungen steht die Untersuchung der Wirkungen und Wechselwirkungen der lokal in der Knochenmatrix vorhandenen, wachstumsregulierenden Faktoren wie der TGF-beta-Familie (insbesondere die bone morphogenetic proteins), des Plättchen-assoziierten-Wachstumsfaktors (PDGF), des Insulin-artigen-Wachstumsfaktors (IGF) und des sauren und basischen Fibroblasten-Wachstumsfaktors (aFGF und bFGF) im Mittelpunkt der weiteren Forschungstätigkeit unserer Arbeitsgruppe. Die Menge und die Qualität des zur Verfügung stehenden bioaktiven Materials sind damit ebenso zu verbessern, wie die Zeitdauer zwischen Gewebsentnahme und Verfügbarkeit eines implantierbaren Materials verkürzt werden kann. Durch die häufig fehlenden Behandlungsalternativen bei aseptischen Nekrosen, periprothetischen Knochendefekten, gutartigen Tumoren, traumatisch bedingten knöchernen Substanzverlusten u. a. ist von einer schnell steigenden Zahl von Patienten auszugehen, deren Implantate mittels Tissue engineering hergestellt wurden.


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7.3 Ausblick auf weitere Einsatzmöglichkeiten des Tissue Engineering

Die Behandlung von körperlichen Defekten durch die Strategie des Einsatzes autologer Zellen und die In-vitro-Herstellung von Geweben aus diesen Zellen stellt eine völlig neuartige Therapieoption dar. Die in den letzten Jahren gewonnenen Erkenntnisse über die Amplifikation von Zellen und die Kultivierung von Geweben für die Rekonstruktion von Gelenknorpel und Knochen ermöglichten die Realisierung wichtiger Schritte in der Entwicklung neuer therapeutischer Strategien.

Gegenwärtig befindet sich die Methode des Tissue Engineering jedoch in einer frühen Phase, die der ständigen Weiterentwicklung der verwendeten Methoden bedarf. Eine Einschätzung zum Tissue Engineering des Knochens und des Knorpels wurde vorangehend gemacht.

Die Ergebnisse dieser Arbeit und die entwickelten Techniken ermöglichen jedoch den Einsatz auch außerhalb des orthopädischen Fachgebietes. Nahezu unverändert sind die dargestellten Methoden für den Ersatz von Defekten im Nasen- und Ohrenbereich in der rekonstruktiven Chirurgie oder im Bereich des Fachgebietes Hals-Nasen-Ohrenheilkunde für die Rekonstruktion von Tracheadefekten anwendbar.

Gegenwärtig führen wir Untersuchungen zur Kokultur der Gewebe mit gentransfizierten Zellen durch. Die transfizierten Gene kodieren dabei Wachstums- und antientzündliche Faktoren.

Die permanente Freisetzung von Wachstumsfaktoren während der Gewebegeneration ermöglicht die weitere Annäherung der in vitro erreichten Qualität der Gewebe an die physiologischerweise existierenden Parameter. So zeigen erste Versuche, daß eine Verbesserung des osteogenen Effekts periostaler Zellen durch die Kokultivierung mit BMP (bone morphogenetic protein)-produzierenden Zellen erreicht werden kann.

Die Transplantation von Zellen, die durch Gentransfektion antientzündliche Faktoren produzieren, ist die Grundlage der Strategie, Chondrozytentransplantationen perspektivisch auch für die Behandlung rheumatisch bedingter Arthritiden einzusetzen.


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Eine weitere therapeutische Möglichkeit ergibt sich aus dem Konzept Wachstumsfaktoren, Zytokinen u. ä. an ein als Matrixsubstanz eingesetztes bioresorbierbares Polymer zu koppeln. Entsprechend der Biodegradation des Polymers erfolgt die protrahierte Freisetzung der Faktoren. Dieses sogennate „drug release“ erlaubt die gesteuerte Freisetzung vieler Substanzen über einen langen Zeitraum.

Unsere Arbeiten zur Verbesserung des Matrixssystems der Chondrozyten erlauben eine sichere und einfach handhabbare Methode der Chondrozytentransplantation. Die Rekonstruktion eines Defektes, der mehrere Gewebsarten (Knorpel-Knochen-Defekt) alteriert, ist durch die Verwendung pluripotenter Zellen möglich. Eine weitere Beeinflussung der Ergebnisse war nach Applikation von TGF-beta nachweisbar. So konnte bei Verwendung periostaler Zellen zur Rekonstruktion von Gelenkknorpel erstmals eine säulenförmige Anordnung der Chondrozyten im Implantat nachgewiesen werden.

Erkrankungen des Knochens wie die Osteoporose, periodontale Erkrankungen und segmentale Knochendefekte erfordern die Behandlung mit Agenzien, die das Knochenwachstum fördern.

Der zentrale Lösungsansatz ist die Bereitstellung von Zellen mit entsprechendem osteogenen Potential. Wie vorangehend dargestellt, ist die Ausbildung des osteogenen Phänotys von periostalen Zellen durch die Zugabe von Trikalziumphosphat in vitro zu optimieren. Die in vivo verwendeten Transplantate aus kultivierten und amplifizierten periostalen Zellen sind in der Lage, knöcherne Defektsituationen zu rekonstruieren. Eine weitere potentielle Verbesserung wird durch die simultane Nutzung natürlich vorkommender endogener Signale, wie der Wachstumsfaktoren, erreicht werden können.

Unsere Arbeit zeigt, daß die Notwendigkeit besteht, die gegenwärtigen Möglichkeiten des Tissue Engineering ständig zu verbessern. Erst so kann das Verfahren als eine neue suffiziente Behandlungsstrategie in der Orthopädie etabliert und ein Wirksamkeitsnachweis im Sinne der „evidence-based medicine“ erbracht werden. Aufgrund der schnellen Kommerzialisierung der Ergebnisse dieses Forschungsgebietes ist die sorgfältige Trennung zwischen gesicherten Fakten und Vermutungen notwendig. Nur randomisierte prospektive Studien sind geeignet, den Beweis zu erbringen, daß die Ergebnisse einer Therapieoption besser sind, als die der anderen.


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