Zellbesiedelte Gewebekonstrukte für den Knochenersatz

Zielsetzung und Fragestellung: Die Regenerative Medizin weckt mit
der Entwicklung vitalisierter Ersatzmaterialien große Hoffnung für
künftige Behandlungsmethoden ausgedehnter Knochendefekte. Im
Vorfeld der Übertragung auf die Klinik gilt es jedoch, Materialien
eingehend zu testen, um das Risikoprofil neuartiger Implantate
besser abschätzen zu können. Dies besitzt für die Human- und
Veterinärmedizin gleichermaßen Gültigkeit. Vor diesem Hintergrund
war es Gegenstand der hier vorgestellten Arbeit, ein Defektmodell
in der Ratte für die orthotope Testung zellbesiedelter
Gewebekonstrukte zu etablieren. Selbstentworfene Leitschienen für
den Knochenersatz wurden zunächst in vitro getestet und optimiert,
um im Anschluss in einer Pilotstudie in vivo auf ihr
heilungsförderndes Potential getestet zu werden. Material und
Methoden: Die Studie wurde in konsekutive Abschnitte gegliedert.
Die Implantatentwicklung umfasste die Strukturgenerierung
dreidimensional mittels Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellter
Hydroxylapatitkeramiken. In vitro wurde das Verhalten humaner
mesenchymaler Stammzellen (hMSC) auf diesen Leitschienen
hinsichtlich Zellverteilung, -vitalität und Differenzierbarkeit
überprüft. Für die Etablierung des orthotopen Defektmodells wurden
Osteosynthesesysteme entworfen und auf ihre mechanische
Belastbarkeit sowie auf ihre Anwendbarkeit am Tier getestet. In
einer dritten Stufe wurde der Einfluss der entwickelten
Knochenersatzmaterialien auf die Knochenheilung sowohl in
Kombination mit hMSC als auch ohne Zellen im präklinischen
Tiermodell getestet. Die Auswertung erfolgte mit radiologischen und
histologischen Techniken über zwei beziehungsweise zwölf Wochen.
Ergebnisse: Keramikleitschienen aus Hydroxylapatit konnten mit
Rapid-Prototyping-Verfahren in einer an die Defektgröße angepassten
Dimension (3 x 6 mm) hergestellt werden. Die allgemeinen
Anforderungen für Knochenersatzmaterialien hinsichtlich
Stegbreiten, Porengrößen und Interkonnektivität des Porensystems
wurden gänzlich erfüllt. Anhand von Zellkulturversuchen wurde die
am besten geeignete Teststruktur für die In-vivo-Versuche
ausgewählt. Kriterien waren ein gleichmäßiges Verteilungsmuster,
hohe Vitalität sowie Differenzierbarkeit humaner mesenchymaler
Stammzellen auf den Materialien. Für die Etablierung eines
Defektmodells am Rattenfemur wurde zunächst ein geeignetes
Fixationssystem für die Osteosynthese ausgewählt. Ein externer
Fixateur wurde eigens entworfen und nach einem
Stereolithographieverfahren aus leichten Polymerkunststoffen
gebaut. In der mechanischen Testung verschiedener
Osteosynthesesyteme (zwei externe Fixateure, eine Titanplatte für
die interne Fixation) zeigte sich eine ausreichende Stabilität
aller ausgewählten Testobjekte. Aufgrund der besten intraoperativen
Anwendbarkeit und dem höchsten Tragekomfort für das Tier wurde die
Platte für die Anwendung in vivo ausgewählt. In einem 6 mm großen
Vollschaftdefekt der Femurdiaphyse wurden die zuvor entwickelten
Implantate getestet. Als Kontrollen dienten biologische Keramiken.
Weder die radiologischen noch die histologischen Ergebnisse ließen
substanzielle Unterschiede zwischen den Versuchsgruppen erkennen.
Eine knöcherne Konsolidierung der Defektzone wurde auch nach einer
zwölfwöchigen Nachbeobachtungszeit nicht nachgewiesen. Die
Ergebnisse zeigten sich weitgehend unabhängig von der Art der
Leitschienenbehandlungen (ohne, beziehungsweise mit
Zellbesiedelung). Jedoch wurden Tendenzen ersichtlich, dass eine
Zellbehandlung der Implantate die Knochenneubildung begünstigt.
Schlussfolgerungen: 1. Rapid-Prototyping-Verfahren stellen eine gut
geeignete Methode für die Herstellung feinstrukturierter
biokompatibler Knochenersatzmaterialien dar. 2. Reine
Hydroxylapatitkeramiken können die Knochenregeneration eines
Vollschaftdefektes nicht ausreichend unterstützen. Eine
Vitalisierung der Implantate resultiert nicht in einer
vollständigen Heilung nach einem Nachbeobachtungszeitraum von 12
Wochen, eine Tendenz zu einer weiter reichenden Knochenneubildung
liegt jedoch vor. 3. Auch biologische Keramiken (zellfreie bovine
Knochenmatrix) können keine Defektheilung bewirken. Dies gilt
ebenso für unbesiedelte Implantate wie für Zellträger. 4. Ein 6 mm
Vollschaftdefekt der Femurdiaphyse stellt einen Defekt kritischer
Größe dar. Dabei bleibt das Regenerationspotential grundsätzlich
unberührt. Der Einfluss unterschiedlicher Implantate auf den
Heilungsprozess kann somit bewertet werden. Mit histologischen und
radiologischen Methoden kann der Effekt verschiedener Implantate
auf die Knochenheilung adäquat abgebildet werden. Ausblick: In dem
hier vorgestellten Projekt wurden Ergebnisse generiert, die einige
Schwächen der bisher verwendeten Implantate aufdecken konnten. Zum
einen scheint das osteogenetische Potential der transplantierten
Zellen für eine Defektüberbrückung nicht ausreichend zu sein und
zum anderen steht deren Vitalität nach erfolgter Übertragung in
Frage. Um zu einem besseren funktionellen Ergebnis zu gelangen
werden derzeit zwei Studienansätze verfolgt. So sollen mit Methoden
des lentiviralen Gentransfers humane mesenchymale Stammzellen
modifiziert werden. Durch stabile Überexpression von BMP-2 können
diese Zellen die Therapie ausgedehnter Knochendefekte ermöglichen.
Ein weiterer Ansatz versucht, die Probleme des mangelhaften
Zellüberlebens zu lösen. Dies soll in vivo durch eine axiale
Perfusion der Zellträger, die eine Gefäßneubildung innerhalb der
Konstrukte bewirkt, erreicht werden. Nachfolgend wird eine Testung
der modifizierten Zellen beziehungsweise der prävaskularisierten
Leitschienen im Hinblick auf deren Potential, die
Geweberegeneration zu unterstützen, in dem hier etablierten
orthotopen Femurdefektmodell an der Ratte erfolgen.