Tissue Engineering zur Knorpelreparatur

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Tissue Engineering ermöglicht heute, qualitativ hochwertigen Reparaturknorpel in allen denkbaren Formen und größerer Ausdehnungen ex vivo herzustellen.

Tissue Engineering ist die englische Bezeichnung für Gewebekonstruktion oder Gewebezüchtung. Man versteht darunter die Nachbildung von menschlichem Zellgewebe im Labor, um damit kranke Gewebe bei einem Patienten zu ersetzen oder zu regenerieren. Seit der klinischen Etablierung der sogenannten autologen Knorpelzelltransplantation in den 1990er Jahren haben sich die Technologien zur Knorpelreparatur stetig weiterentwickelt. Mittlerweile vorliegende Daten von randomisierten, prospektiven Studien zeigen zumindest in kurz- und mittelfristiger Hinsicht gute bis sehr gute klinische Ergebnisse (1-4). 

 

Eingeschränktes Indikationsspektrum

Dennoch hat die zellbasierte Knorpelreparatur, auch fast zwei Jahrzehnte nach deren Einführung, den Einsatz von künstlichen Gelenken bei Weitem noch nicht verdrängt hat. Der Grund hierfür liegt darin, dass das Indikationsspektrum für Knorpelreparatur-Maßnahmen zum gegenwärtigen Zeitpunkt klar definiert und deutlich limitiert ist.

Als geeignet gelten nur isolierte, von gesundem Umgebungsgewebe begrenzte Knorpeldefekte, die in der Regel traumatischer Genese sind. Auch die gegenüberliegende korrespondierende Gelenkfläche darf noch keine relevante Degeneration aufweisen. Weiterhin müssen die Menisken und der Bandapparat funktionell intakt sein. Da diese Konstellation in der klinischen Versorgungssituation nur selten vorliegt, wird das Indikationsspektrum bisweilen auch auf den begrenzt degenerativen Defekt ausgedehnt, mit zum Teil auch guten Erfolgen (5). Allerdings werden fortgeschrittene Arthrose-Stadien grundsätzlich weiterhin als Kontraindikation zur zell-basierten Knorpelreparatur betrachtet.

 

Tissue Engineering-Strategien zur Herstellung großflächiger Konstrukte

Um den Einsatz auch auf großflächige degenerative Knorpelläsionen, d. h. Arthrose, auszuweiten, wird in der Forschung und Wissenschaft intensiv daran gearbeitet, das Tissue Engineering zur Knorpelreparatur weiterzuentwickeln. Insbesondere die Strategien zur Herstellung von großflächigen Konstrukten beispielsweise durch Cell-sheet-Technologien, Zell-Sphäroide, 3D-gedruckte Scaffolds oder 3D-Cell-Printing haben in den letzten Jahren enormes Entwicklungspotenzial gezeigt.

Es ist mittlerweile möglich, qualitativ hochwertigen Reparaturknorpel in allen denkbaren Formen und größerer Ausdehnungen ex vivo herzustellen. Allerdings hat die Generierung von Konstrukten, die bereits ex vivo eine sehr hohe Knorpelqualität aufweisen, einen ganz entscheidenden Nachteil: Je höher die biologische Qualität (insbesondere der Proteoglykangehalt) des Knorpelkonstruktes ist, umso geringer ist dessen Fähigkeit zur Integration mit dem umgebenden Knorpel und dem darunterliegenden Knochen. Dies liegt insbesondere an der anti-adhäsiv wirkenden proteoglykanreichen Matrix.

Daher ist die biomechanisch langfristig stabile Verankerung von hochwertigen Tissue Engineering-Konstrukten auf der Gelenkoberfläche, in der Regel dem subchondralen Knochen, grundsätzlich als sehr kritisch zu sehen.

Darüber hinaus fehlt bei arthrotischen Läsionen die biomechanisch schützende umgebende Knorpelschulter (intakter Umgebungsknorpel), so dass enorme Scherkräfte direkt auf die transplantierten Konstrukte einwirken. Nichtsdestotrotz wird auch hinsichtlich der Verankerung an neuen Lösungen gearbeitet.

 

Biologische Joint resurfacings

Mögliche Tissue Engineering-Strategien basieren auf biphasischen Konstrukten mit einer osteogenen und darüberliegenden chondrogenen Schicht oder auch modulare Konzepte mit speziellen Verankerungsmodulen.

Allerdings muss für den langfristigen Erfolg eines biologischen Joint resurfacings Folgendes berücksichtigt werden: Solange die Ursache, die zur Degeneration des ursprünglichen physiologischen Gelenkknorpels geführt hat, nicht berücksichtigt und letztlich behoben wird, wird auch kein noch so gutes Reparaturkonstrukt in genau demselben Gelenk langfristig funktionell intakt bleiben und den Zeitpunkt des endoprothetischen Gelenkersatzes signifikant verzögern können.

Daher müssen zukünftige Strategien für das biologische Joint resurfacings nicht nur den makroskopisch sichtbaren Defekt, sondern auch mechanische und vor allem auch biologische Faktoren zwingend berücksichtigen. D.h. neben Korrekturen der Beinachse und begleitender Behandlung von Bandinsuffizienzen und Meniskus-Pathologien müssen katabole Stoffwechselsituationen und inflammatorische Faktoren entsprechend therapiert werden.

Allerdings werden genetische Ursachen der Arthrose oder auch die zelluläre Seneszenz im höheren Alter nicht mit Tissue Engineering-Konzepten behandelbar sein. Langfristig wird das biologische Joint resurfacings nur dann realisierbar sein, wenn das synoviale Gelenk biomechanisch und biologisch als Ganzes betrachtet wird und auch Besonderheiten (Stoffwechsel, Inflammation etc.) des gesamten Organismus berücksichtigt werden. Für Forschung und Klinik ist daher eine eng verzahnte Interdisziplinarität auf den Gebieten der Orthopädie, Rheumatologie, Zellbiologie, Genetik und der Materialwissenschaften notwendig.

Literatur:

1. Crawford, D.C., DeBerardino, T.M., and Williams, R.J., 3rd. NeoCart, an autologous cartilage tissue implant, compared with microfracture for treatment of distal femoral cartilage lesions: an FDA phase-II prospective, randomized clinical trial after two years. J Bone Joint Surg Am 94, 979, 2012.

2. Saris, D., Price, A., Widuchowski, W., Bertrand-Marchand, M., Caron, J., Drogset, J.O., Emans, P., Podskubka, A., Tsuchida, A., Kili, S., Levine, D., and Brittberg, M. Matrix-Applied Characterized Autologous Cultured Chondrocytes Versus Microfracture: Two-Year Follow-up of a Prospective Randomized Trial. Am J Sports Med 42, 1384, 2014.

3. Basad, E., Ishaque, B., Bachmann, G., Sturz, H., and Steinmeyer, J. Matrix-induced autologous chondrocyte implantation versus microfracture in the treatment of cartilage defects of the knee: a 2-year randomised study. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc 18, 519, 2010.

4. Vanlauwe, J., Saris, D.B., Victor, J., Almqvist, K.F., Bellemans, J., and Luyten, F.P. Fiveyear outcome of characterized chondrocyte implantation versus microfracture for symptomatic cartilage defects of the knee: early treatment matters. Am J Sports Med 39, 2566, 2011.

5. Minas, T., Gomoll, A.H., Solhpour, S., Rosenberger, R., Probst, C., and Bryant, T. Autologous chondrocyte implantation for joint preservation in patients with early osteoarthritis. Clin Orthop Relat Res 468, 147, 2010.


Quelle:

» Tissue Engineering – Wiederherstellung von Knorpel anstelle künstlicher Gelenke? Chancen und Grenzen der neuen Behandlungsmethode « Statement von Professor Dr. med. Kolja Gelse, Leitender Oberarzt und ständiger Vertreter des Leiters der Unfallchirurgischen Abteilung, Universitätsklinikum Erlangen zum 46. Kongress der Deutschen Gesellschaft für Rheumatologie (DGRh) und der 32. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädische Rheumatologie (DGORh), September 2018, Berlin

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