@phdthesis{Sieker2015,
  author    = {Sieker, Jakob Tobias},
  title     = {Direkter adenoviraler Gentransfer von Bone morphogenetic protein-2 und Indian Hedgehog zur Knorpelregeneration im Kaninchenmodell},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-142622},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Einleitung Fokale Gelenkknorpeldefekte treten in der Deutschen Bev{\"o}lkerung mit einer gesch{\"a}tzten Inzidenz von {\"u}ber 300 000 j{\"a}hrlichen F{\"a}llen auf. In der US-amerikanischen Bev{\"o}lkerung wird j{\"a}hrlich von {\"u}ber 600 000 F{\"a}llen ausgegangen. Aufgrund der Insuffizienz k{\"o}rpereigener Heilungskapazit{\"a}ten und verf{\"u}gbarer Therapieverfahren, schreitet die Erkrankung regelhaft zur post-traumatischen Arthrose fort. Neben der individuellen Lebensqualit{\"a}tseinschr{\"a}nkung besteht eine sozio{\"o}konomische Bedeutung mit gesch{\"a}tzten Krankheitskosten von j{\"a}hrlich {\"u}ber 10 Milliarden US Dollar in den Vereinigten Staaten. Das Versagen zellbasierter Therapieverfahren beruht unter anderem auf einer Insuffizienz der chondrogenen Differenzierung, sowie der hypertrophen Differenzierung der Chondrozyten mit nachfolgender Osteogenese analog den Vorg{\"a}ngen in der Wachstumsfuge. F{\"u}r die Induktion der chondrogenen Differenzierung stehen insbesondere Mitglieder der TGF-β Superfamilie, wie BMP-2, zur Verf{\"u}gung. Diese sind jedoch ebenso durch eine Induktion der hypertrophen Differenzierung gekennzeichnet. Zur Induktion der Chondrogenese unter Umgehung der TGF-β-Signalwege wurde IHH in-vitro als vielversprechend beschrieben. Bislang besteht jedoch kein Nachweis der in-vivo Effektivit{\"a}t von IHH zur Knorpelreparation. Die Schaffung eines Wachstumsfaktor-Milieus in der Gelenkknorpell{\"a}sion in-vivo stellt ebenso eine Herausforderung dar. Diesbez{\"u}glich wurde ein vereinfachtes Verfahren zum lokalisierten in-vivo Gentransfer mittels adenoviraler Vektoren und autologen Knochenmarkskoagulaten anhand von Markergenen beschrieben. Die Effektivit{\"a}t jenes Verfahrens zur in-vivo Knorpelreparation wurde noch nicht gezeigt. Zweck dieses kontrollierten in-vivo Experimentes ist es, mittels des oben genannten Gentransferverfahrens die Wirksamkeit von BMP-2 und IHH zur Reparation von osteochondralen Defekten in New Zealand White Rabbits nachzuweisen. Die zentrale Hypothese lautete, dass BMP2 beziehungsweise IHH Gentransfer in einer h{\"o}heren langzeit-histologischen Qualit{\"a}t des Reparationsgewebes resultiert. Explorativ sollten dabei Unterschiede in den einzelnen Dimensionen der Gewebequalit{\"a}t anhand des ICRS-II Histology Scoring Systems, sowie der Grad der Typ I (als Faserknorpelmarker), Typ II (als Marker hyalinen Gelenkknorpels) und Typ X Kollagen Deposition (als Marker hypertropher Chondrozyten) beschrieben werden. Material und Methoden Als Tiermodel wurden bilaterale 3,2 mm durchmessende osteochondrale Bohrlochdefekte in der Trochlea von New Zealand White Rabbits verwendet (n=10 unabh{\"a}ngige Tiere, 20 Gelenke). Die Defekte wurden mit autologen Knochenmarkkoageln gef{\"u}llt, die nach vorheriger Beckenkammaspiration gewonnen wurden. In den experimentellen Gruppen wurden die Knochenmarkkoagel beladen mit jeweils 1 x 1011 infekti{\"o}sen Partikeln adenoviraler Vektoren, die cDNA codierend f{\"u}r BMP2 (n=3 Tiere, entsprechend 6 Gelenken) oder IHH (n=4; 8) enthielten. In der Kontrollgruppe wurde das nicht-chondrogene Markergen GFP (n=3; 6) transferiert. Beide Gelenke eines Tieres wurden der gleichen Gruppe zugeordnet. Die histologische Gewebequalit{\"a}t wurde nach 13 Wochen anhand des ICRS-II Scoringsystems durch 3 unabh{\"a}ngige, verblindete Untersucher bewertet. Als prim{\"a}re Outcomes wurden der ICRS-II Parameter „Generelles Assessment", sowie die Typ II Kollagen positive Fl{\"a}che designiert. Als explorative Outcomes wurden die verbleibenden ICRS-II Parameter, sowie die Typ I und Typ X Kollagen Deposition bewertet. Die Korrelation zwischen den Untersuchern wurde nach Pearson ermittelt. Zum Test auf Signifikanz der Gruppenunterschiede wurde ein lineares gemischtes Modell verwendet, welches einer m{\"o}gliche Abh{\"a}ngigkeit beider Gelenke eines Tieres Rechnung tr{\"a}gt. Ergebnisse Qualitative Bewertung des Reparationsknorpels. Dreizehn Wochen nach der Intervention zeigten die meisten der BMP-2 behandelten Gelenke (4 von 6) und alle der IHH behandelten Gelenke (8 von 8) hyalin-artigen Reparationsknorpel, w{\"a}hrend alle GFP behandelten Kontrollgelenke (6 von 6) faserknorpel-artiges Reparationsgewebe zeigten. Zwei BMP-2 behandelten Gelenke zeigten eine ausgepr{\"a}gte intral{\"a}sionale Knochenformation. Prim{\"a}re Outcomes - ICRS-II „Generelles Assessment" und Typ II Kollagen positive Fl{\"a}che. IHH und BMP-2 behandelte Gelenke zeigten im Vergleich zu GFP h{\"o}here Punktzahlen in dem ICRS-II „Generelles Assessment" Parameter: +33.0 (95\% Konfidenzintervall: -0.4, +66.4) Punkte f{\"u}r IHH und +8.5 (-26.6, +43.7) Punkte f{\"u}r BMP-2. Beide Effekte erreichten nicht das Level statistischer Signifikanz (p=0.052 und 0.537). IHH erh{\"o}hte die Typ II Kollagen Deposition in der Defektregion, w{\"a}hrend BMP-2 Gelenke keinen Unterschied zu GFP Kontrollen zeigten: +18.7 (-4.5, +42.0) Punkte f{\"u}r IHH und +0.0 (-29.7, +29.8) Punkte f{\"u}r BMP-2. Die erh{\"o}hte Typ II Kollagendeposition erreichte nicht das konventionelle Level statistischer Signifikanz (p=0.093). Sekund{\"a}re Outcomes - ICRS-II Parameter. In dem Vergleich von BMP-2 mit GFP Kontrollen wurde in keinem der 12 untersuchten Parameter ein signifikanter Unterschied festgestellt. IHH Gentransfer resultierte hingegen in h{\"o}heren Punktzahlen in allen untersuchten Parametern, wobei der Unterschied in 5 der 12 Parameter das Niveau statistischer Signifikanz erreichte. Ein um 21.5 Punkte (+3.6, +39.4) erh{\"o}hter Score wurde f{\"u}r den Parameter „Gewebemorphologie" beobachtet, sowie +21.0 (+6.4, +35.7) f{\"u}r „Chondrozyt{\"a}res Clustering", +31.2 (+0.8, +61.5) f{\"u}r „Formation der Tidemark", +17.3 (+0.2, +34.5) f{\"u}r „Abnorme Kalzifikation/Ossifikation" und +35.0 (+4.6, +65.2) f{\"u}r das „Assessment der mittleren und tiefen Zone". Sekund{\"a}re Outcomes - Marker chondrozyt{\"a}rer Hypertrophie. Eine perizellul{\"a}re Deposition von Typ X Kollagen wurde in allen Gruppen beobachtet. Eine deutlich gesteigerte Deposition wurde nur in den Gelenken beobachtet, die nach BMP2 Gentransfer eine ausgepr{\"a}gte intral{\"a}sionale Knochenformation zeigten. Diskussion Das hier beschriebene Experiment stellt die erste Ver{\"o}ffentlichung der Wirksamkeit von IHH zur Verbesserung der histologischen Knorpelqualit{\"a}t von in-vivo therapierten Gelenkknorpeldefekten dar [175]. Die Hypothese, dass IHH zu einer verbesserten histologischen Knorpelqualit{\"a}t f{\"u}hrt wurde best{\"a}tigt, w{\"a}hrend die Hypothese zu den positiven Effekten von BMP-2 wiederlegt wurde. IHH f{\"u}hrte zu besseren Ergebnissen in allen Untersuchten Parametern, das Niveau statistischer Signifikanz wurde dabei in den Parametern „Gewebemorphologie", „Chondrozyt{\"a}res Clustering", „Formation der Tidemark", „Abnorme Kalzifikation/Ossifikation" und „Assessment der mittleren und tiefen Zone" erreicht. Das prim{\"a}re Ziel dieses Experimentes war es, den „Proof of concept" zu liefern, dass IHH auch in-vivo ein attraktiver Faktor f{\"u}r die Induktion der Chondrogenese darstellt. Das langfristige Ziel ist die Induktion der Chondrogenese unter Umgehung des TGF-β Signalweges zu erzielen, um eine folgende hypertrophe Differenzierung der Chondrozyten und die folgende Ossifikation des reparierten Defektes zu verhindern. Die Limitationen der Studie umfassen die ausschließlich histologische und immunhistochemische durchgef{\"u}hrte Bewertung der Knorpelqualit{\"a}t und eine eingeschr{\"a}nkte statistische Power. Ob IHH es vermag die hypertrophe Differenzierung zu umgehen und somit eine langfristige hyaline Knorpelreparation zu erm{\"o}glichen, ist in weiteren pr{\"a}klinischen Studien mit biochemischer und molekulargenetischer Analyse der Hypertrophie-Marker zu untersuchen. In Bezug auf den klinischen Einsatz zur Knorpelreparation erscheint der Einsatz der Wachstumsfaktoren als Protein auf funktionalisierten Matrices vielversprechend. BMP-2 wird aufgrund der hier beobachteten intral{\"a}sionalen Knochenformation nach BMP2 Gentransfer als nicht geeignet zur Unterst{\"u}tzung der Knorpelreparation in-vivo bewertet.},
  subject      = {Bone morphogenetic protein-2},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Noeth2010,
  author    = {N{\"o}th, Alexia Irmgard},
  title     = {Rekonstruktion von Gelenkknorpeldefekten mit einer Kollagen I Hydrogel Matrix - klinische Ergebnisse einer Fallseriestudie},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-52630},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {F{\"u}r die Rekonstruktion von Gelenkknorpeldefekten des Kniegelenkes in Folge eines Traumas oder einer Osteochondrosis dissecans (OD) stehen verschiedene operative Verfahren zur Verf{\"u}gung. Die Autologe Chondrozytentransplantation (ACT) hat sich als zuverl{\"a}ssiges Rekonstruktionsverfahren erwiesen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine prospektive Fallseriestudie f{\"u}r eine neue Form der ACT mit einem Kollagen I Hydrogel (CaReS-Technologie) durchgef{\"u}hrt. Die Vorteile der Technologie liegen zum Einen darin, dass sich die Zellen homogen im Gel verteilen und zum Anderen, dass die Zellen unmittelbar nach dem Herausl{\"o}sen aus dem Gelenkknorpel in das Gel eingebracht werden und dadurch eine geringere Dedifferenzierung der Chondrozyten stattfindet. Von M{\"a}rz 2003 bis Ende 2006 wurden 29 Patienten in die Studie eingeschlossen. Die Ein- und Ausschlusskriterien erf{\"u}llten die Kriterien der Arbeitsgruppe ACT und Tissue Engineering der Deutschen Gesellschaft f{\"u}r Orthop{\"a}die und Unfallchirurgie. Die Eingangs- und Nachuntersuchungsb{\"o}gen wurden an die IKDC Form 2000 angelehnt. Insgesamt zeigte sich ein signifikanter Anstieg des IKDC Scores im mittleren follow-up von 30,7 Monaten von 47,3 auf 74,9 bei den 29 Patienten. Bei Aufschl{\"u}sselung der Patienten bzgl. Diagnose, Defektgr{\"o}ße, Lokalisation und Defektanzahl zeigte sich bei den Behandlungsgruppen OD, Trauma/degenerativ, > 4 cm2, mediale Femurkondyle und Einzeldefekte eine signifikante Zunahme des IKDC Scores im zeitlichen Verlauf. Der postoperative Schmerz zeigte einhergehend mit dem Anstieg des IKDC Scores eine signifikante Abnahme der Schmerzintensit{\"a}t in den Behandlungsgruppen OD, Trauma/degenerativ, > 4 cm2, mediale Femurkondyle und Einzeldefekte. Nachgewiesen wurde ebenfalls ein Anstieg des SF36 Scores, der den gegenw{\"a}rtigen Gesundheitszustand sowohl k{\"o}rperlich als auch psychisch beurteilt. Zusammen mit einer globalen Patientenzufriedenheit von 80\% und einem IKDC Funktionsstatus von I und II bei 77\% der Patienten spiegeln die gewonnenen Daten die Ergebnisse der klassischen ACT bzw. anderer matrixgekoppelten Verfahren wieder. Die CaReS-Technologie stellt somit ein gleichwertiges Verfahren zu den bisher auf dem Markt befindlichen Techniken der ACT dar.},
  subject      = {Gelenkknorpel},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Heymer2008,
  author    = {Heymer, Andrea},
  title     = {Chondrogenic differentiation of human mesenchymal stem cells and articular cartilage reconstruction},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-29448},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {Articular cartilage defects are still one of the major challenges in orthopedic and trauma surgery. Today, autologous chondrocyte transplantation (ACT), as a cell-based therapy, is an established procedure. However, one major limitation of this technique is the loss of the chondrogenic phenotype during expansion. Human mesenchymal stem cells (hMSCs) have an extensive proliferation potential and the capacity to differentiate into chondrocytes when maintained under specific conditions. They are therefore considered as candidate cells for tissue engineering approaches of functional cartilage tissue substitutes. First in this study, hMSCs were embedded in a collagen type I hydrogel to evaluate the cartilaginous construct in vitro. HMSC collagen hydrogels cultivated in different culture media showed always a marked contraction, most pronounced in chondrogenic differentiation medium supplemented with TGF-ß1. After stimulation with chondrogenic factors (dexamethasone and TGF-ß1) hMSCs were able to undergo chondrogenesis when embedded in the collagen type I hydrogel, as evaluated by the temporal induction of cartilage-specific gene expression. Furthermore, the cells showed a chondrocyte-like appearance and were homogeneously distributed within a proteoglycan- and collagen type II-rich extracellular matrix, except a small area in the center of the constructs. In this study, chondrogenic differentiation could not be realized with every hMSC preparation. With the improvement of the culture conditions, e.g. the use of a different FBS lot in the gel fabrication process, a higher amount of cartilage-specific matrix deposition could be achieved. Nevertheless, the large variations in the differentiation capacity display the high donor-to-donor variability influencing the development of a cartilaginous construct. Taken together, the results demonstrate that the collagen type I hydrogel is a suitable carrier matrix for hMSC-based cartilage regeneration therapies which present a promising future alternative to ACT. Second, to further improve the quality of tissue-engineered cartilaginous constructs, mechanical stimulation in specific bioreactor systems are often employed. In this study, the effects of mechanical loading on hMSC differentiation have been examined. HMSC collagen hydrogels were cultured in a defined chondrogenic differentiation medium without TGF-ß1 and subjected to a combined mechanical stimulation protocol, consisting of perfusion and cyclic uniaxial compression. Bioreactor cultivation neither affected overall cell viability nor the cell number in collagen hydrogels. Compared with non-loaded controls, mechanical loading promoted the gene expression of COMP and biglycan and induced an up-regulation of matrix metalloproteinase 3. These results circumstantiate that hMSCs are sensitive to mechanical forces, but their differentiation to chondrocytes could not be induced. Further studies are needed to identify the specific metabolic pathways which are altered by mechanical stimulation. Third, for the development of new cell-based therapies for articular cartilage repair, a reliable cell monitoring technique is required to track the cells in vivo non-invasively and repeatedly. This study aimed at analyzing systematically the performance and biological impact of a simple and efficient labeling protocol for hMSCs. Very small superparamagnetic iron oxide particles (VSOPs) were used as magnetic resonance (MR) contrast agent. Iron uptake was confirmed histologically with prussian blue staining and quantified by mass spectrometry. Compared with unlabeled cells, VSOP-labeling did neither influence significantly the viability nor the proliferation potential of hMSCs. Furthermore, iron incorporation did not affect the differentiation capacity of hMSCs. The efficiency of the labeling protocol was assessed with high resolution MR imaging at 11.7 Tesla. VSOP-labeled hMSCs were visualized in a collagen type I hydrogel indicated by distinct hypointense spots in the MR images, resulting from an iron specific loss of signal intensity. This was confirmed by prussian blue staining. In summary, this labeling technique has great potential to visualize hMSCs and track their migration after transplantation for articular cartilage repair with MR imaging.},
  subject      = {Gelenkknorpel},
  language  = {en}
}