Kim Christine Cornelia Koschitzki

• Autologous bone still represents today’s gold standard for the treatment of critical size bone defects and fracture non-unions despite associated disadvantages regarding limitations in availability, donor site morbidity, costs and efficacy. Bone tissue engineered constructs would present a promising alternative to currently available treatments. However, research on preclinical animal studies still fails to provide clinical applicable results able to allow the replacement of currently applied methods. It seems that the idea of bone tissueAutologous bone still represents today’s gold standard for the treatment of critical size bone defects and fracture non-unions despite associated disadvantages regarding limitations in availability, donor site morbidity, costs and efficacy. Bone tissue engineered constructs would present a promising alternative to currently available treatments. However, research on preclinical animal studies still fails to provide clinical applicable results able to allow the replacement of currently applied methods. It seems that the idea of bone tissue engineering, which has now been integral part of academic studies for over 30 years, got somehow stuck at an intermediate level, in between intense preclinical research and striven stages of initial clinical trial phases. A clear discrepancy exists between the number of studies with preclinical animal models for bone tissue engineering and the number of clinically approved bone tissue engineered constructs available to patients. The aim of this thesis was hence to evaluate preclinical animal models for bone tissue engineering as well as the perception of scientists and clinicians towards these models. Moreover, the general role of bone tissue engineering and its clinical need assessed by scientists and surgeons was investigated. A survey was conducted questioning both scientific and clinical opinions on currently available study designs and researchers’ satisfaction with preclinical animal models. Additionally, a literature research was conducted, resulting in 167 papers from the last 10 years that report current designs of preclinical orthotopic animal studies in bone tissue engineering. Thereby, the focus lied on the description of the models regarding animal species, strain, age, gender and defect design. The outcome of the literature search was evaluated and compared to the outcome obtained from the survey. The survey data revealed that both scientists and surgeons generally remain positive about the future role of bone tissue engineering and its step to clinical translation, at least in the distant future, where it then might replace the current gold standard, autologous bone. Moreover, most of the participants considered preclinical animal models as relevant and well developed but the results as not yet realizable in the clinics. Surgeons thereby demonstrated a slightly more optimistic perception of currently conducted research with animal models compared to scientists. However, a rather inconsistent description of present preclinical study designs could be discerned when evaluating the reported study designs in the survey and the papers of the literature search. Indeed, defining an appropriate animal species, strain, age, gender, observation time, observation method and surgical design often depends on different indications and research questions and represents a highly challenging task for the establishment of a preclinical animal model. The existing lack of valid guidelines for preclinical testing of bone tissue engineering leads hence to a lack of well standardized preclinical animal models. Moreover, still existing knowledge gaps regarding aspects that affect the process of fracture healing, such as vascularization or immunological aspects, were found to hinder clinical translation of bone tissue engineered constructs. Using literature review and survey, this thesis points out critical issues that need to be addressed to allow clinical translation of bone tissue engineered constructs. It can be concluded that currently existing study designs with preclinical animal models cannot live up to the claim of providing suitable results for clinical implementation. The here presented comprehensive summary of currently used preclinical animal models for bone tissue engineering reveals a missing consensus on the usage of models such as an apparent lack of reporting and standardization regarding the study designs described in both papers from the literature review and the survey. It thereby indicates a crucial need to improve preclinical animal models in order to allow clinical translation. Despite the fact that participants of the survey generally revealed a positive perception towards the use of bone tissue engineered constructs and affirmed the clinical need for such novel designs, the missing standardization constitutes a main weak point for the provision of reliable study outcome and the translational success of the models. The optimization of reproducibility and reliability, as well as the further understanding of ongoing mechanisms in bone healing in order to develop effective tissue engineered constructs, need to form the basis of all study designs. The study outcomes might then fulfill the requirements of maybe today's and hopefully tomorrow's aging population.…
• Über die letzten 30 Jahre hat die Rolle von Bone Tissue Engineering vielversprechenden Fortschritt gemacht und immer neue Ansätze werden etabliert. Somit stellt Bone Tissue Engineering eine aussichtsvolle Alternative zu dem heutigen Goldstandard (autogene Knochenersatzmaterialien) dar, nachdem diese häufig mit Nachteilen einhergehen: limitierte Verfügbarkeit, Morbidität durch Zweiteingriffe, ungenügend Stabilität und Kosten. Die klinische Umsetzung findet jedoch nicht so schnell statt, wie ursprünglich erhofft und es scheint, als würde dieÜber die letzten 30 Jahre hat die Rolle von Bone Tissue Engineering vielversprechenden Fortschritt gemacht und immer neue Ansätze werden etabliert. Somit stellt Bone Tissue Engineering eine aussichtsvolle Alternative zu dem heutigen Goldstandard (autogene Knochenersatzmaterialien) dar, nachdem diese häufig mit Nachteilen einhergehen: limitierte Verfügbarkeit, Morbidität durch Zweiteingriffe, ungenügend Stabilität und Kosten. Die klinische Umsetzung findet jedoch nicht so schnell statt, wie ursprünglich erhofft und es scheint, als würde die vorklinische Forschung auf der Stelle treten. Das Ausbleiben von reproduzierbaren und standardisierten vorklinischen Studien verhindert dabei eine "bench to bedside" Translation. Ziel dieser Doktorarbeit war es, derzeitige präklinische Tiermodelle für Bone Tissue Engineering zu evaluieren und dabei zu untersuchen, woran es liegen könnte, dass die Lücke zwischen vorklinischen Studienergebnissen und klinischer Umsetzung noch immer existiert. Es wurde ein Fragebogen erstellt, anhand dessen die generelle Meinung gegenüber Bone Tissue Engineering und die Effizienz derzeitiger präklinischer Studienmodelle aus sowohl klinischer, als auch wissenschaftlicher Sicht hinterfragt wurde. Hier wurde außerdem auf die Beurteilung der Zufriedenstellung solcher Modelle seitens der Forscher eingegangen. Darüber hinaus erfolgte eine systemische Literatursuche auf der Online-Plattform “Pubmed” mit dem Ziel Studien der letzten zehn Jahre über präklinische orthotopische Tiermodelle in Bone Tissue Engineering zusammenzufassen und die verschiedenen Studiendesigns zu evaluieren. Der Fokus lag dabei auf der Beschreibung der Tiermodelle bezüglich Tierart, Geschlecht, Alter und Defektdesign. Ergebnisse der Literatursuche wurden anschließend evaluiert und mit den Antworten aus dem Fragebogen verglichen und diskutiert. Es hat sich anhand des Fragebogens gezeigt, dass sowohl Wissenschaftler, als auch Chirurgen positiv gestimmt sind, was die zukünftige Anwendung von Bone Tissue Engineering in den Kliniken betrifft. Jedoch beurteilten die meisten Teilnehmer des Fragebogens die präklinischen Tiermodelle zwar als relevant und gut entwickelt, deren Ergebnisse als klinisch allerdings nicht anwendbar. Dabei fiel die Einschätzung präklinischer Forschung mit Tiermodellen unter den Chirurgen etwas optimistischer aus als unter den Forschern. Die Evaluierung der Studien aus dem Fragebogens und der Literatursuche zeigte jedoch auch, dass die darin beschriebenen Tiermodelle einen eher uneinheitlichen Studienaufbau aufweisen. Tatsächlich stellt die Etablierung eines fundierten Studiendesigns im Anbetracht der zahlreichen Möglichkeiten eine immense Herausforderung dar. Die Festlegung eines Versuchsaufbaus hängt dabei von der Wahl der Tierart, dessen Geschlecht und Alter, des chirurgischen Ablaufs, sowie der technischen und zeitlichen Beobachtungsmöglichkeit ab. Es stellte sich heraus, dass für viele Studien eine diesbezüglich notwendige Standardisierung kaum existiert und dadurch Studienergebnisse entstehen, die schwer reproduzierbar sind und somit den Ansprüchen einer klinischen Umsetzung nicht gerecht werden können. Hinzu kommen außerdem die noch immer bestehenden Wissenslücken in Bezug auf Knochenheilung beeinflussende Faktoren wie Vaskularisation und Abläufe des Immunsystems. Abschließend lässt sich sagen, dass die durchgeführte Evaluierung von Studien mit präklinischen Tiermodellen eine fehlende Standardisierung derzeit existierender Studiendesigns darlegt und eine klinische Umsetzung der daraus resultierenden Studienergebnissen somit noch nicht möglich ist. Auch wenn die Teilnehmer des Fragebogens den Bedarf an neuen, klinisch anerkannten Methoden für Knochenaufbauten nahelegten und eine generell positive Einstellung gegenüber dem potentiellen Gebrauch von Bone Tissue Engineering Konstrukte in den Kliniken zeigten, ist die Ablösung von autologem Knochen durch solch neuartige Designs nicht realisierbar, solange die Reproduzierbarkeit der Daten aus präklinischen Tiermodellstudien fehlt. Zusammen mit wegweisenden Richtlinien und fundiertem Wissen über grundliegende Mechanismen im Knochenheilungsprozess, sollte sie die Basis eines jeden Studienaufbaus mit präklinischen Tiermodellen darstellen, um schließlich zu den Ergebnissen zu gelangen, die es für eine klinische Umsetzung von Bone Tissue Engineering bedarf.…