Bone regenteration by means of adipose-derived mesenchymal stem cells

Hintergrund und Ziele Autogene Knochentransplantate bieten eine Vielzahl von Möglichkeiten bei der Rekonstruktion von größeren Defekten im kraniofazialen Bereich. Allerdings sind der Anwendung auch Grenzen gesetzt. Durch die Verwendung von entsprechend vorbehandelten Stammzellen aus körpereigenen Entnahmeregionen besteht die Chance einer knöchernen Defektheilung über die Reichweite der Knochenersatzmaterialien hinaus. In dieser Studie wird das Einheilverhalten von differenzierten Stammzellen des Fettgewebes in einem bereits etablierten Defektmodell in einem Zeitraum von 7–90 Tagen beurteilt. Darüber hinaus war von Interesse, ob mesenchymale Stammzellen (MSC) in der Lage sind, eine De-novo-Knochensynthese und damit eine beschleunigte Defektheilung herbeizuführen. Methoden Im Vorfeld wurden 21 Hausschweinen körpereigene Fettzellen entnommen, ex vivo kultiviert und nach einem bereits bekannten Verfahren in osteogene Vorläuferzellen umgewandelt. Diese Gewebskonstrukte wurden auf einer kollagenen Matrix aufgebracht und in einen monokortikalen Defekt im Os frontale inseriert (Testdefekte). Zum Vergleich wurde am selben Individuum noch die bloße kollagene Matrix in einen solchen Defekt eingebracht und ein Defekt vollkommen leer belassen (Kontrolldefekte). Um den Fortschritt zu evaluieren, wurden die Tiere nach 7, 14, 30, 60 bzw. 90 Tagen getötet, der Defektbereichen entnommen und mittels Trenndünnschlifftechnik nach Donath für die Mikroradiographie und Lichtmikroskopie vorbereitet. Die quantitative Beurteilung der Denovo Knochenbildung und Mineralisation erfolgte histomorphometrisch. In der immunhistochischen Untersuchung wurde die Expression bestimmter Knochenmatrixproteine ermittelt. Ergebnisse und Beobachtungen Bei den mit osteogenen Vorläuferzellen gefüllten Knochendefekten wurde ein regelmäßiger Zuwachs beobachtet: Nach 90 Tagen waren die Defekte zu annähernd 100% mit neu gebildetem Knochen zugeheilt. Zu allen Untersuchungszeitpunkten übertrafen die Werte der Testdefekte die der Kontrolldefekte. Das Maximum der Mineralisation betrug 50% nach 60 Tagen und war damit signifikant höher als bei den mit Kollagen gefüllten Defekten und den Leerdefekten (p<0,05). Die Einsprossung der knöchernen Strukturen erfolgte vom Defektrand zum Zentrum hin. Die immunhistochemische Untersuchung kam zu Ergebnissen, die der Wundheilung im knöchernen Bereich ähnlich sind. Anzeichen für eine Aktivität der MSC im zentralen Defektbereich wurden nicht gefunden. Schlussfolgerung Bei der Verwendung von differenzierten mesenchymalen Stammzellen des Fettgewebes zur Regeneration ausgedehnter knöcherner Defekte konnte eine beschleunigte Einheilung im Vergleich zu den Kontrolldefekten beobachtet werden. Eine De-novo-Knochensynthese im zentralen Defektbereich wurde nicht festgestellt. Das getestete Stammzellenkonstrukt kann somit zu den bioaktiven Knochenersatzmaterialien gezählt werden.Objektives Bone regeneration by means of autologous bone transplantation is the gold standard, but also provides various problems. Tissue engineering of mesenchymal stem cells is considered to bring up new aspects in bone regeneration. Cells from adipose tissue can be obtained with minor donor site morbidity. The aim of this study was to assess the healing behaviour of adipose-derived mesenchymal stem cells (AD-MSC) in a monocortical critical size bone defect over a period of 90 days. Material and methods Ex vivo expanded mesenchymal stem/progenitor cells were applied into freshly created monocortical calvarial bone defects of 21 domestic pigs. Autologous MSC/progenitor cells were isolated from fat tissue of each animal and induced into osteogenic differentiation following in vitro cell expansion. Ex-vivo cultivated cells were transplanted with a collagen scaffold to the monocortical defects in the os frontale of each animal. The animals were sacrified at 7,14, 30, 60 and 90 days, respectively. The de novo bone formation was quantitatively analyzed with microradiographic and histomorphometric methods: Bone volume/total defect volume (BV/TV) and mineralization of newly formed bone in the defect were compared with a pure collagen-scaffold filled and a completely empty bone defect. The expression of bone matrix proteins was reviewed by means of immunohistochemistry. Results The AD-MSC derived group showed complete osseous healing after 90 days compared to the control groups, which showed a significant (p