Transplantation in vitro hergestellter Knorpelmaterialien: Charakterisierung der Matrixsynthese*

Zusammenfassung

Hintergrund: Seit kurzer Zeit gelingt mit Hilfe eines dreidimensionalen Zellkultursystems die Züchtung von phänotypisch stabilen Chondrozyten und infolgedessen die Herstellung von Knorpelgewebe in vitro. Ziel der vorliegenden Studie war die quantitative und qualitative Untersuchung der Matrixsynthese von in vitro hergestelltem humanem Knorpelgewebe nach der Transplantation in thymusaplastische Nacktmäuse. Material und Methoden: Die Präparate wurden 6,12 und 24 Wochen nach der Transplantation entnommen und histochemisch (Azanfärbung) und immunhistochemisch (Antikörper gegen Kollagen Typ I und II und gegen Chondroitin-4-sulfat) untersucht. Anschließend wurde mit Hilfe der Bildanalysesoftware Photoshop (Adobe Systems) eine Quantifizierung der Matrixsynthese vorgenommen. Zwei Versuchsgruppen wurden gebildet: Die Mäuse der Gruppe I (n = 9) erhielten Transplantate aus Chondrozyten, Agarose und E 200, ein vollresorbierbares, Glykolat/Laktat Copolymer (Ethicon), die Mäuse der Gruppe II (n = 9) erhielten Transplantate aus Chondrozyten und Agarose. Alle Präparate wurden vor der Transplantation für eine Woche in einem Perfusionskultursystem gehalten, das die konstante Versorgung der Kulturen mit frischen Nährstoffen gewährleistete. Ergebnisse: Bei der Gruppe I zeigte sich für die knorpelspezifischen Marker Kollagen Typ II und für Chondroitin-4-sulfat eine deutliche Vergrößerung der angefärbten Flächenanteile im Verlauf der Beobachtungszeiten, bis nach 24 Wochen schließlich Werte in der Größenordnung von normalem, humanem Septumknorpel nachgewiesen werden konnten. Makroskopisch glichen die Präparate dem hyalinen Ursprungsknorpel. Die mechanische Konsistenz war bei grober Prüfung fest-elastisch. Bei der Gruppe II zeigten sich für diese Marker deutlich niedrigere Werte, während das nichtknorpelspezifische Kollagen Typ I in wesentlich größeren Mengen nachgewiesen wurde. Eine deutliche Verkleinerung der Präparate bei weicher Konsistenz wurde beobachtet. Schlußfolgerung: Das zur mechanischen Stabilisierung unerläßliche Trägermaterial E 200 scheint einen positiven Einfluß auf die Entwicklung typischer Knorpelmatrixbestandteile zu haben.

Summary

Background: Recently a three-dimensional model for the formation of cartilage in vitro was developed. The aim of this study was to investigate the amount and quality of newly synthesized matrix after graftig in vitro engineered cartilage into athymic nude mice. Material and Methods: Group I received transplants consisting of human chondrocytes, agarose, and E 200 (a bioabsorbable polymer fleece that offers mechanical stability, Ethicon Inc.). Group II received chondrocytes and agarose only. At intervals of six, 12, and 24 weeks after subcutaneous transplantation we used azan blue staining and antibodies against collagen type I, collagen type II, and chondroitin-4sulfate to characterize the matrix synthesis. A quantitative analysis was performed using the computer image analyzing software Photoshop (Adobe Inc.). Results: In group I, the amounts of newly synthesized cartilage specific collagen type II and chondroitin-4 sulfate increased progressively. Twenty-four weeks after transplantation, these amounts were comparable to the original human cartilage from which the chondrocytes were derived. Collagen type I was detected only in small quantities in the periphery of the transplants. Gross examination revealed sufficient mechanical stability and unremarkable changes in size and form. In contrast to this, group II transplants showed markedly smaller amounts of cartilage specific matrix components as collagen type II and chondroitin-4 sulfate and at the same time greater amounts of collagen type I. It was found both in the periphery and in central parts of the transplants. There was a remarkable loss of volume in all transplants and mechanical stability was poor. Conclusions: The absorbable cell carrier E 200 not only offers mechanical stability to in vitro engineered cartilage but also had a positive effect on the development of cartilage in our experiments. In conclusion, in vitro engineered cartilage is a promising pathway for the replacement of cartilage defects.

Schlüsselwörter

Tissue Engineering - Knorpeltransplantation - Knorpelmatrix

Key words

Tissue engineering - Cartilage grafting - Matrix synthesis