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Ruptures of the anterior cruciate ligament (ACL) and defects of the rotator cuff represent the most common ligament and tendon injuries in knee and shoulder. Both injuries represent significant implications for the patients. After an injury, the ACL and the rotator cuff both exhibit poor intrinsic healing capacities. In order to prevent further defects such as arthritis of the knee and fatty infiltration of the rotator cuff, surgical interaction is essential. In both cases, the currently used surgical techniques are far from optimal because even after the therapy many patients report problems ranging from pain and reduced mobility to complete dysfunction of the involved joint and muscles. Tissue engineering may be a possible solution. It is a promising field of regenerative medicine and might be an advantageous alternative for the treatment of musculoskeletal injuries and diseases in the near future. In this thesis, different tissue engineering based approaches were investigated. For the reconstruction of damaged or diseased ligaments and tendons, the use of MSCs and gene therapy with growth factors is especially suitable and possesses a great therapeutic potential. Therefore, the first method studied and tested in this thesis was the development of a biomaterial based construct for the repair of a ruptured ACL. The second approach represents a cell based strategy for the treatment of the fatty infiltration in the rotator cuff. The third approach was a combined cell, biomaterial, and growth factor based strategy for ACL ruptures. Biomaterial based ACL construct The implant is currently tested in a preclinical in vivo study in mini pigs. This proof-of-principle study is performed to validate the functional capability of the collagen fiber based implant under load in vivo and its population with fibroblasts which produce a ligamentogenic matrix. Cell based treatment of the fatty infiltration in the rotator cuff Regarding the treatment of the fatty infiltration of the rotator cuff in a rabbit model, the in vivo results are also promising. The group treated with autologous MSCs (+MSC group) showed a lower fat content than the untreated group (–MSC group) 6 weeks after the treatment. Furthermore, the SSP muscle of the MSC-treated animals revealed macroscopically and microscopically only few differences compared to the healthy control group. The exact underlying mechanisms leading to the positive results of the treatment are not yet fully understood and have therefore to be further investigated in the future. Cell, biomaterial, and growth factor based treatment of ACL ruptures Studies described in current literature show that collagen hydrogel scaffolds are not ideal for a complete ligament or tendon reconstruction, because of their insufficient mechanical stability. Introduced as an alternative and superior therapy, the combined strategy used in this thesis proves that the cultivation of BMP-12, -13, and IGF-1 transduced MSCs and ACL fibroblasts in a collagen hydrogel is successful. The results of the performed in vitro study reveal that the cells exhibit a fibroblastic appearance and produce a ligamentogenic matrix after 3 weeks. Furthermore, the adenoviral transduction of MSCs and ACL fibroblasts showed no negative effects on proliferation or viability of the cells nor was apoptosis caused. Therefore, the application of these cells represents a possible future therapy for a partial ligament and tendon rupture where the mechanical stability of the remaining ligament or tendon is sufficient and the healing can be improved substantially by this therapy. In general, prospective randomized clinical trials still have to prove the postulated positive effect of MSCs for the treatment of various musculoskeletal diseases, but the results obtained here are already very promising. Ideally, the treatment with MSCs is superior compared to the standard surgical procedures. Because of current safety issues the use of genetically modified cells cannot be expected to be applied clinically in the near future. In summary, the different tissue engineering approaches for novel therapies for musculoskeletal injuries and diseases invested in this thesis showed very promising results and will be further developed and tested in preclinical and clinical trials.
Vergleich zweier Verfahren zur Rekonstruktion des vorderen Kreuzbandes:
Ligamentum patellea vs. Semitendinosussehnentransplantat.
10-jahres Ergebnisse einer prospektiven, randomisierten klinischen Studie.
Verfahren:
Diese Studie vergleicht die Ergebnisse einer 10-Jahres Nachuntersuchung nach arthroskopisch unterstütztem Ersatz des vorderen Kreuzbandes mittels zweier verschiedener autologer Transplantate. Zwischen November 1998 und November 1999 wurden in der Orthopädischen Universitätsklinik König-Ludwig-Haus in Würzburg 62 Studienteilnehmer (45 Männer, 17 Frauen) mit Ruptur des vorderen Kreuzbandes operiert. Bei 31 Patienten erfolgte die ACL-Ersatzplastik mittels Lig. Patellae Transplantat (BTB-Transplantat), bei der anderen Hälfte mittels Semitendinosussehnentransplantat. Die Gruppenzusammensetzung zeigte vor dem Verletzungszeitpunkt keinen signifikanten Unterschied bezüglich Alter, Geschlecht und Aktivitätsniveau. Alle Patienten erhielten die gleiche postoperative Behandlung mit Don-Joy Schiene (Ext/Flex 0/0/90), Teilbelastung bis 20 kg während der ersten 6 Wochen und externe Rehabilitationsmaßnahmen. Nach über 10 Jahren konnten 47 (24 LP/23 ST) Patienten vollständig klinisch untersucht und bei 9 (5 LP/4 ST) weiteren zumindest standardisierte Fragebögen ausgewertet werden. 2 Studienteilnehmer (beide ST) schieden wegen einer Transplantatruptur, ein weiterer Patient (ebenfalls ST) aufgrund einer postoperativen Kniegelenksinfektion vorzeitig aus der Studie aus.
Ergebnisse:
Die klinische Untersuchung ergab bezüglich der verwendeten Parameter IKDC- und Lysholm-Score, Tegener-Aktivitätsskala, KT-1000-Arthrometer-Messung und radiologischer Kontrolle keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Gruppen. Auch in den verwendeten Fragebögen mit Evaluation der subjektiven Kniefunktion, möglicher Schmerzen im Kniegelenk, Entnahmestellenmorbidität und der Zufriedenheit mit dem Operationsergebnis konnten keine signifikanten Gruppenunterschiede festgestellt werden.
In der vorliegenden Studie fanden sich somit auch über 10 Jahre nach vorderem Kreuzbandersatz keine relevanten Unterschiede oder Vorteile für eines der beiden untersuchten autologen Sehnentransplantate.
Hintergrund: Das Ziel der Studie war es, die Resultate nach arthroskopischer Rekonstruktion des vorderen Kreuzbandes (ACL)unter Verwendung der zentral-dritten Knochen-Patellarsehne-Knochen (LP) Autografts und der dreifachen/vierfachen Semitendinosus (ST) Autografts zu vergleichen. Hypothese: In der untersuchten Zeitdauer bietet die ACL-Rekonstruktion unter Verwendung der LP-Autografts mehr Stabilität aber zeigt auch mehr Entnahmestellenprobleme als ST-Autografts. Studienentwurf: Randomisierte kontrollierte Studie; Level of Study 1. Methoden: Eine randomisierte Reihe von 62 Patienten (17 Frauen und 45 Männer) mit einer einseitigen ACL-Ruptur, die rekonstrutive Chirurgie durchmachten, waren in der Studie eingeschlossen. Die LP-Transplantation (LP Gruppe) und die Semitensinosussehne Transplantation (ST-Gruppe) wurden gleichmäßig bei 31 Patienten durchgeführt. Die Patienten wurden in einer mittleren Zeitdauer von 67 Monaten (Range 62 bis 84 Monate) nach der Rekonstruktion nachuntersucht. Resultate: 44 von 62 Patienten (71%) konnten am Anschluss nachuntersucht werden. Die klinischen Untersuchungen zeigten keine signikanten Unterschiede zwischen der LP-Gruppe und der ST-Gruppe in der Lysholm-Score, Tegner-Aktivitätsniveau, IKDC-auswertungssystem, Einbeinsprungtest, KT-1000-Arthrometer, manueller Lachmantest auf. Eine bedeutende klinische Verbesserung wurde in beiden Gruppen gesehen. Zusammenfassung: Nach der Anwendung des zentralen Patellarsehnendrittels und des dreifachen/vierfachen ST-autografts fünf Jahre nach ACL-Rekonstruktion, waren die subjektiven und objektiven Resultate ähnlich. Außerdem wurde kein relevanter Unterschied in der Entnahmestellemorbidität zwischen den 2 Gruppen gefunden.
Das ACL ist eine der am häufigsten verletzten Strukturen des menschlichen Körpers bei Sportunfällen und die Anzahl der Rekonstruktionen wird weiterhin zunehmen. In den letzten Jahren wurden große Fortschritte in der Charakterisierung der biomechanischen Eigenschaften von Sehnen und Bändern erzielt und neue Ansätze auf dem Gebiet des Tissue Engineering eröffnen neue Möglichkeiten. In dieser Arbeit wurde ein ACL-Konstrukt aus biomaterialbasiertem Kollagen I entwickelt und getestet. Die gewonnenen Ergebnisse können als Grundlage für die Herstellung eines Kreuzbandkonstruktes verwendet werden.
Verletzungen des vorderen Kreuzbandes gehören zu häufigsten Verletzungen des menschlichen Bandapparates. Da das vordere Kreuzband über ein schlechtes intrinsisches Heilungspotenzial verfügt, ist heutzutage die chirurgische Rekonstruktion mittels Sehnentransplantaten die Therapie der Wahl. Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Fragestellung, ob es möglich ist, ein Kreuzband-Konstrukt aus mesenchymalen Stammzellen (MSCs) und einem Kollagen Typ I-Hydrogel herzustellen und wie die Einwirkung von mechanischem Stress die Struktur und Eigenschaften eines solchen Bandäquivalentes verändert. Dafür wurden MSCs und endständige Knochenblöcke in ein Kollagen Typ I-Hydrogel eingebracht. Das Konstrukt wurde zunächst eine Woche horizontal kultiviert, um den Zellen eine Umwandlung des Gels und eine Anheftung der Knochenblöcke zu ermöglichen. Anschließend wurde über 2 Wochen eine zyklische Dehnung in einem speziell dafür entworfenen Bioreaktur auf das Konstrukt ausgeübt. Histochemische ( HE, Masson-Goldner, Azan, Sirius-Red) und immunhistochemische (Kollagen I und III, Fibronektin, Vimentin und Elastin) Färbungen zeigten eine Induktion der Matrixproduktion mit wellenförmig in Achse des Zuges ausgerichteten Kollagenfasern, die Zellkerne stellten sich elongiert dar. RT-PCR-Analysen zeigten ebenso eine deutlich vermehrte Expression der oben genannten Fibroblastenmarker. Bei ungedehnten, horizontal kultivierten Kontrollkonstrukten waren keinerlei Veränderungen der Matrix zu erkennen. Das Konstrukt war jedoch nicht stabil genug, um für die klinische Anwendung zum Einsatz zu kommen.