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Chondrozyten stellen die zelluläre Komponente von hyalinem Knorpel dar, der die Gelenkflächen diarthrotischer Gelenke bedeckt. Über die perizelluläre Matrix (PZM) sind sie mit der extrazellulären Matrix des Knorpelgewebes, die im Wesentlichen aus Wasser, Kollagen-Typ-II (Koll-II) und Glykosaminoglykan (GAG) gebildet wird, verbunden. Die PZM gilt als wichtiges modulatorisches und protektives Element in der Signal- und Mechanotransduktion sowie für die Homöostase innerhalb des Knorpelgewebes. Degenerative und inflammatorische Prozesse führen zu irreparablen Schäden der Gewebearchitektur und -funktionalität. Die Regenerative Medizin strebt den Ersatz destruierter Gelenkflächen durch mittels Tissue Engineering hergestellten Neoknorpel an. 3D-Bioprinting gilt hier als attraktive Methode, nimmt jedoch über Scherkräfte während des Druckvorgangs auch schädigenden Einfluss auf das Überleben oder die Funktionalität der Zellen.
Zielsetzung dieser Arbeit war es, den möglichen protektiven Einfluss der PZM während des Druckvorgangs zu untersuchen. Aus porcinem Frischknorpel isolierte Chondrozyten wurden nach cast bzw. 3D-Bioprinting in Agarose-Biotinte hinsichtlich ihres Überlebens und ihrer Syntheseleistung von knorpelspezifischem Koll-II und GAG untersucht. Chondrozyten ohne PZM wurden mit Chondrozyten verglichen, die nach enzymatischer Isolation noch perizellulär Kollagen-Typ-VI als Marker der PZM aufwiesen. Chondrozyten mit PZM zeigten allgemein eine stärkere Produktion von Koll-II als Chondrozyten ohne PZM. Nach 3D-Bioprinting konnte für Chondrozyten ohne PZM eine signifikant geringere Produktion von GAG nachgewiesen werden als in der cast-Vergleichsgruppe, während dies für Chondrozyten mit PZM nicht gezeigt werden konnte.
Der gezeigte protektive Einfluss der PZM gegenüber Scherkräften während des Druckvorgangs eröffnet neue Methoden für das Cartilage Tissue Engineering. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um dies zu bestätigen und die Translation in die klinische Forschung ermöglichen.
Der adenovirale SOX9-Gentransfer induziert nach 3-wöchiger in vitro Pelletkultur die chondrogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen in Pelletkultur wirksamer als der TGFB1 Gentransfer mit geringerer Chondrozytenhypertrophie. Eine solche Technologie könnte zukünftig in vivo die Bildung von stabilerem hyalinem Knorpelregeneratgewebe ermöglichen.
Die stark limitierte intrinsische Regenerationsfähigkeit des hyalinen Gelenkknorpels stellt auch in der modernen Medizin eine große Herausforderung dar. Während eine Vielzahl von knorpelchirurgischen Techniken am Kniegelenk koexistieren, bleibt die Selektion des am besten geeigneten Therapieverfahrens eine zentrale Herausforderung des orthopädischen Chirurgen. Hierzu bieten in Zeiten evidenzbasierter Medizin medizinische Register die Möglichkeit, klinische Behandlungsdaten systematisch in einem breiten Patientenkollektiv zu erfassen, die klinische Versorgungsrealität adäquat abzubilden sowie neue Behandlungsstrategien und Hypothesen zu generieren. Das Knorpelregister der DGOU bietet als webbasierte Registerform eine besonders moderne, effiziente und unbürokratische Form der Patientennachverfolgung über subjektiv bewertete und validierte Funktionsscores. Für das gesamte Registerkollektiv von 100 Patienten an der Orthopädischen Klinik-König-Ludwig Haus ergaben sich bereits sechs Monate nach dem knorpelchirurgischen Eingriff signifikant höhere Funktionsscores im IKDC und KOOS, welche sich auch im mittelfristigen Verlauf von zwölf Monaten noch signifikant erhöht gegenüber ihren präoperativen Werten zeigten. Die mediale Femurkondyle und knorpelige Patellarückfläche waren im Registerkollektiv am häufigsten von Defekten betroffen. Meist handelte es sich hierbei um drittgradige Defekte nach ICRS degenerativer Genese.
Während das mechanische Débridement bei großflächigem, arthrotischem Gelenkknorpelverschleiß keine suffiziente Therapieoption bietet, ist zum Nutzen und Effektivität des Débridements bei fokalen, umschriebenen Gelenkknorpeldefekten bisher nur wenig bekannt. Im Registerkollektiv zeigte sich für das isoliert mechanische Débridement von Gelenkknorpeldefekten eine signifikante Verbesserung der subjektiven Funktionsscores. Im Falle begleitend durchgeführter meniskuschirurgischer Eingriffe zeigt sich die Datenlage deutlich heterogener und bietet Anlass für weiteren wissenschaftlichen Diskurs.
Aufgrund der sich umkehrenden Alterspyramide in Deutschland leiden bereits jetzt immer mehr Menschen an Gelenkknorpelschäden. Doch nicht nur das Alter, sondern auch Unfälle und Sportverletzungen und Übergewicht können zu irreversiblen Knorpeldefekten führen. Obwohl es diverse Behandlungsmöglichkeiten gibt, können die bisherige Methoden nicht als dauerhafte Heilung betrachtet werden. Im Rahmen des internationalen Forschungsprojektes BIO-CHIP sollte eine vielsprechende Behandlungsmethode mit neuartigen Arzneimitteln untersucht werden.
Als Ausgangsmaterial des Arzneimittels, ein hergestelltes Knorpelimplantat, dienen patienteneigene Knorpelzellen aus der Nase. Diese werden isoliert, vermehrt und letztlich auf einer Matrix zu einem Knorpelimplantat kultiviert. Wesentliche Voraussetzung für die Implantatfreigabe stellt neben toxikologischen und biologischen Unbedenklichkeitstests die Beurteilung der Viabilität dar. Diese wurde bisher anhand von Histologieschnitten von der Pathologie durchgeführt.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Validierung eines standardisierten und objektiven Viabilitätstests für die Chondrozyten innerhalb der Knorpelmatrix. Hierfür wurde die LDH als Marker für irreversibel geschädigte Zellen verwendet. Die LDH Konzentration konnte mit dem CyQuant LDH-Assay durch die Messung der Absorption gemessen werden. Es konnte nachgewiesen werden, dass LDH die erforderliche Stabilität und Nachweisbarkeit im Medium besitzt. Mithilfe der Lyse, analog zum Herstellungsprozess, gezüchteter Mini-Knorpelimplantate, konnten die maximal erreichbaren LDH Konzentrationen ermittelt werden. Mithilfe dieser Konzentrationen wurde eine Eichkurve generiert. Diese dient als Beurteilung der Viabilität zukünftig gemessener Absorptionen des Überstandmediums.
Das entwickelte Verfahren erfordert keine invasiven Eingriffe am Implantat und zeichnet sich durch eine einfache Durchführung aus, da nur der Überstand gemessen werden muss. Die durchgeführte Validierung der Methode bescheinigte eine hohe Robustheit, Linearität, Genauigkeit und Präzision.