Behandlung von Knochendefekten durch MSC mit optimierten knochenheilenden Eigenschaften

Abstract

Die Inzidenzrate von schlecht- bzw. nicht heilenden Knochendefekten nach Verletzungen, operativen Eingriffen, postonkologischen Interventionen oder Infektionen hat in den letzten Jahren kontinuierlich zugenommen. Knochendefekte bleiben eine Herausforderung für Chirurgen und Wissenschaftler durch die begrenzte Verfügbarkeit von autologem Knochengewebe für die Reparatur dieser Defekte. Methoden zur Gewebezüchtung ermöglichen die Erzeugung enormer Mengen an Knochengewebe mit nur wenigen autologen Zellen als Ausgangsmaterial. Mesenchymale Stammzellen (MSC) besitzen das Potential sich in verschiedene Zelltypen zu differenzieren (z.B. auch zu Knochenzellen). Ziel dieser Studie war das Potential autologer MSC bei der Reparatur eines bestimmten Knochendefekts im Schafmodell zu untersuchen unter Verwendung eines neuen Knochenersatzmaterials in Kombination mit Zellen (Tissue-Engineering Methode). Zunächst wurden mehrere Knochenersatzmaterialien in vitro getestet. Einige von ihnen erfüllten die Kriterien eines „guten Knochenersatzmaterials“, aber einige zeigten sehr schlechte Versuchsergebnisse. Eines der Testmaterialien (Nanogel®) war sogar zytotoxisch. Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass die Nanogel®- Kalziumphosphatpartikel in die Zellen inkorporiert wurden. Dieser Aufnahmeprozess in die Zelle könnte für die Toxizität des Materials verantwortlich sein durch eine Freisetzung von intrazellulärem Kalzium. Ein anderes getestetes Knochenersatzmaterial, ein Polyurethanschaum (Fa. Aesculap) zeigte in den in vitro Versuchen vielversprechende Ergebnisse und wurde in einem in vivo Schafmodell weiter analysiert. Autologe Schaf-MSC wurden von vier Schafen isoliert, in vitro expandiert und mittels Differenzierungsexperimente (zu Adipozyten,Chondrozyten und Osteozyten) als Stammzellen (MSC) charakterisiert. Jeder Polyurethanschaum wurde mit 6 Millionen schafeigenen Zellen besiedelt und in das entsprechende Tier reimplantiert. Den Schafen wurden knöcherne Defekte (ca. 15 mm im Durchmesser) in das Darmbein (Tuber coxae) platziert und diese Knochendefekte wurden entweder mit den unbesiedelten PU-Schäumen oder durch zellbesiedelte Schäume aufgefüllt. Röntgenologische Aufnahmen zeigen die Bildung von neuer Knochensubstanz v. a. auf den Polyurethanschäumen in Kombination mit MSC. In Abwesenheit von MSC wurde nur eine sehr geringfügige Knochenneubildung beobachtet. Obwohl die in vitro- Ergebnisse der PU-Schäume vielversprechend waren, war der in vivo- Einsatz im Schaf über einen Zeitraum von mehrere Monate nicht erfolgreich. Wie schon die in vitro Vorversuche gezeigt haben, fehlt dem Polyurethanschaum die interkonnektierende Porosität d.h. die Zellen wachsen und differenzieren sehr gut auf dem Material (gute Biokompatibilität und gute Matrixbildung), das Wachstum und die osteogene Matrixbildung können aber nur oberflächlich auf dem Material beobachtet werden. Bereiche im Materialinneren können von den Zellen aufgrund der in sich geschlossenen Poren nicht besiedelt werden. Abgesehen von der fehlenden interkonnektierenden Porosität zeigte das Polyurethanmaterial zudem große Nachteile bei der in vivo-Anwendung. Der Polyurethanschaum ist durch eine hohe Flexibilität und Elastizität gekennzeichnet, so bereitete es große Schwierigkeiten den PU- Schaum im Defekt stabil zu platzieren (ohne ein Herausgleiten des Materials). Vermutlich wäre das Material durch seine speziellen Materialeigenschaften (flexibel, elastisch) ein vielversprechender Kandidat für eine andere Anwendung in der regenerativen Medizin z.B. als Meniskustransplantat (hier sollten die Materialeigenschaften besser mit den in vivo -Anforderungen übereinstimmen als für den Einsatz als Knochenersatzmaterial).