Methoden zur Optimierung von Tissue Engineering Produkten auf dem Wege zur Reparatur osteochondraler Defekte

Humane mesenchymale Stammzellen (MSC) aus dem Knochenmark gerieten in den letzten Jahren aufgrund ihrer Fähigkeit in verschiedene Zellarten ausdifferenzieren zu können verstärkt in den Blickpunkt der Wissenschaft. Sie können damit sowohl zur in vitro als auch zur in vivo Reparatur von Bindegewebsdefekten eingesetzt werden. Durch Einbringen von MSC in geeignete Tissue Engineering Trägermatrizes und Kultur in einem speziellen chondrogenen Medium kann nativen Knorpel ähnliches Gewebe erzeugt werden. MSCs können durch einen einfachen chirurgischen Eingriff gewonnen werden. Hierbei wird der Beckenkamm von Patienten punktiert und Knochenmark entnommen. Im Gegensatz zu chondral basierten Reparaturtechniken erzeugt diese einfache Prozedur keine zusätzlichen Defekte im Kniegelenk des Patienten. Zahlreiche Publikationen zeigen einen förderlichen Einfluss von mechanobiologischer Beeinflussung (z.B. mechanische Kompression, Hydrostatischer Druck, Osmose, Scherbelastung, Ultraschall) auf die chondrogene Differenzierung dedifferenzierter Chondrozyten. Bis heute ist noch sehr wenig über den Einfluss mechanobiologischer Belastung auf mesenchymale Stammzellen in dreidimensionalen Tissue Engineering Trägermatrizes bekannt. Ziel dieser Studie war die Untersuchung des Einflusses zyklischer, mechanischer Kompression, hydrostatischer Druckbelastung und niedrig-intensiv gepulsten Ultraschalls auf die Chondrogenese mesenchymaler Stammzellen in biodegradablen, Hyaluronan-Gelatine Kompositmatrizes aus Eigenherstellung. Die Ergebnisse dieser Studie haben gezeigt dass mesenchymale Stammzellen in geeigneten biodegradablen Tissue Engineering Matrizes zur Herstellung von Knorpelreparaturgewebe verwendet werden können. Die mechanobiologische Beeinflussung der MSC in Tissue Engineering Trägermatrizes hat zu einer gesteigerten Chondrogenese sowohl auf molekularer (mRNA) als auch auf Proteinebene geführt. In der Histologie konnte eine durch Belastung gesteigerte Extrazellulärmatrixbildung vor allem im Zentrum der Zell-Matrix Konstrukte nachgewiesen werden. Es konnte eine im Vergleich zur unbelasteten Kontrolle durch mechanobiologische Beeinflussung gesteigerte Produktion hyalinem Knorpel ähnlichen Gewebes gezeigt werden. Neben der hydrostatischen Belastung von MSC in Zellaggregaten lies sich somit auch die Chondrogenese von MSC in Tissue Enginering Trägermatrizes durch alle drei in dieser Studie verwendeten mechanobiologischen Belastungsmethoden verbessern. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit dem Einfluss des Differenzierungsgrades und der Zellart auf das angiotaktische Verhalten von Zell-Matrix Konstrukten in vivo. Bioabbaubare Tissue Engineering Trägermatrizes mit einer spezifischen Zusammensetzung und Topologie können in Verbindung mit chondrogenen Zellen (z.B. mesenchymale Stammzellen oder Meniskuszellen) zur Reparatur osteochondraler Defekte eingesetzt werden. Obwohl Angiogenese die Zell-Scaffold Konstrukte bei ihrer Integration in den chondralen Defekt unterstützt, ist noch sehr wenig über die angiotaktischen Einflüssen von Zell-Trägermatrix Konstrukten in vivo bekannt. Das Intravitalmikroskopiemodell unter Verwendung von Titan-Rückenhautkammern in Balb/c Nacktmäusen ermöglicht die Testung chondrokonduktiver Trägermatrizes bezüglich ihres angiotaktischen Einflusses in vivo. Mit Hilfe dieses Modells ist es nun möglich mit einfachen Mitteln die Qualität von Trägermatrixmodifikationen wie Änderungen der Porösität oder die Einarbeitung von anti- bzw. proangiogenetischen Faktoren (z.B. VEGF) in Hinblick auf ein verändertes Angiogeneseverhalten zu untersuchen. Parallel zu diesen in vivo Daten wurde der Verlauf der VEGF Expression (Vascular Endothetial Growth Factor) von Zell-Matrix Konstrukten in den Zellkulturmedienüberstand mit Hilfe von ELISAs quantifiziert. Diese Arbeit hat gezeigt das mit MSC beladene Tissue Engineering Matrizes nach Implantation in vivo einen starken angiotaktischen Einfluss zeigen. In chondralem Gewebe (14 Tage vorkultivierte MSC-Scaffold Konstrukte) ist der angiotaktische Einfluss hingegen deutlich reduziert. Eine mögliche Erklärung für dieses Phänomen stellt der starke Abfall der VEGF Expression der MSC nach 14 Tagen in vitro dar. Keine Unterschiede in der Gefäßdichte konnten hingegen für mit Meniskuszellen besetzte Trägermatrizes nachgewiesen werden. Die direkt nach Zellernte injizierten Meniskuszellen und die 14 Tage vorkultivierten Meniskuszell-Matrix Konstrukte zeigten nach 14 Tagen eine gleich hohe intensive Gefäßdurchwucherung im gesamten Zell-Scaffold Konstrukt. Auch konnte für die Meniskuszellen über 21 Tage keine Abnahme der VEGF Expression in den Zellkulturmedienüberstand in vitro detektiert werden. Das Wissen über die unterschiedlichen, vom Differenzierungsgrad der Zellen und der Zellart abhängigen angiotaktischen Einflüsse könnte dabei helfen optimierte Tissue Engineering Produkte für die Knorpelreparatur herzustellen