Rekonstruktion von osteochondralen Defekten mit einem stammzellbasierten Knorpel-Polymer-Konstrukt im Kleintiermodell

Zusammenfassung

Studienziel: Mesenchymale Stammzellen haben ein großes therapeutisches Potenzial für die Rekonstruktion von Gelenkknorpeldefekten. In dieser Studie wurde ein Knorpel-Polymer-Konstrukt mittels mesenchymaler Stammzellen aus trabekulärem Knochen und einem Polylaktidpolymer durch Zellbeschichtung hergestellt. Es sollte untersucht werden, ob mesenchymale Stammzellen aus trabekulärem Knochen ein vergleichbares chondrogenes Differenzierungspotenzial wie mesenchymale Stammzellen aus dem Knochenmark haben und ob die Rekonstruktion eines osteochondralen Defekts bei der Nacktratte mit einem solchen Konstrukt möglich ist. Methode: Die Zellen wurden aus dem Hüftkopf von Patienten, denen eine Hüftprothese implantiert wurde, gewonnen. Die Herstellung der Konstrukte erfolgte durch Zentrifugation von 1,5 × 10⁶ Zellen zu einem Zellpellet und anschließendem Aufsetzen der Polymere. Die so hergestellten Konstrukte wurden für 3 Wochen in einem serumfreien chondrogenen Differenzierungsmedium mit TGF-β1 kultiviert. Alle 3 Tage wurde der Grad der chondrogenen Differenzierung mittels spezifischer chondrogener und osteogener Markergene untersucht. Nach 3 Wochen erfolgte die Implantation in einem 5-mm-Bohrlochdefekt am Kniegelenk der Nacktratte. Vier und 12 Wochen nach der Implantation wurden histo- und immunhistochemische Untersuchungen durchgeführt. Ergebnisse: Die Knorpel-Polymer-Konstrukte zeigten am Ende der In-vitro-Untersuchungen im Bereich der aufgebrachten Zellschicht eine proteoglykanreiche extrazelluläre Matrix mit Nachweis von Kollagen Typ II, IX und X sowie Aggrekan und COMP (Cartilage Oligomeric Matrix Protein). Osteogene Markergene konnten bis auf Kollagen Typ I nicht nachgewiesen werden. Die Auswertung des In-vivo-Versuchs ergab eine gute Defektheilung mit rekonstruierter Knorpelfläche bei zunehmender Resorption des Polymerträgers. Schlussfolgerung: Wir konnten zeigen, dass die Herstellung von Knorpel-Polymer-Konstrukten aus trabekulären Stammzellen möglich ist und dass die Zellen ein ähnliches chondrogenes Differenzierungsverhalten wie mesenchymale Stammzellen aus dem Knochenmark besitzen. Mit dem durch Stammzellbeschichtung hergestellten Knorpel-Polymer-Konstrukt konnte die Rekonstruktion eines osteochondralen Defekts am Kniegelenk der Nacktratte erreicht werden.

Abstract

Aim: Mesenchymal stem cells have a high therapeutic potential for the reconstruction of articular cartilage defects. In this study, a cartilage-polymer construct using mesenchymal stem cells from trabecular bone and a polylactic acid polymer was fabricated with a press-coating technique. We investigated whether cells from human trabecular bone fragments have the same chondrogenic differentiation potential as mesenchymal stem cells derived from bone marrow and whether it is possible to reconstruct an osteochondral lesion in the nude rat with the fabricated construct. Method: Cells were obtained from the femoral head of patients undergoing total hip arthroplasty. The fabrication of the constructs was performed by centrifugation of 1.5 × 10⁶ cells to a cell pellet which was then placed in a polymer block. The fabricated cell constructs were cultivated for 3 weeks in a serum-free medium, supplemented with transforming growth factor β1. Every third day, the chondrogenic differentiation was analysed using chondrogenic and osteogenic marker genes. After three weeks the constructs were implanted into 5 mm osteochondral defects of the knee joint of nude rats. After 4 and 12 weeks histochemical and immunohistochemical analyses were performed. Results: At the end of the culture period the constructs showed a proteoglycan-rich extracellular matrix with the expression of collagen types II, IX and X as well as aggrecan und COMP (cartilage oligomeric matrix protein). No osteogenic markers exept collagen type I could be detected. The analysis of the in vivo experiment showed a good defect filling with a reconstructed cartilage surface along with increasing resorption of the polymer. Conclusion: We have shown that it is possible to fabricate cartilage-polymer constructs from trabecular bone-derived cells, and that the cells have the same chondrogenic differentiation potential as mesenchymal stem cells derived from bone marrow. With the fabricated cartilage-polymer construct it is possible to reconstruct an osteochondral defect in the knee joint of the nude rat.

Schlüsselwörter

osteochondraler Defekt - Knorpel - Polymer - mesenchymale Stammzellen - chondrogene Differenzierung

Key words

osteochondral defects - cartilage - polymer - mesenchymal stem cell - chondrogenic differentiation

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