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67. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie
89. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie
44. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie

11. bis 16.11.2003, Messe/ICC Berlin

Tissue-Engineering zum Ersatz von Sehnen und Bändern

Kurzbeitrag (DGU-DGOOC 2003)

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  • U. Bosch - Zentrum für Orthopädische Chirurgie, Sporttraumatologie, International Neuroscience Institute, Alex-Carrel-Straße 4, 30625 Hannover

Deutsche Gesellschaft für Unfallchirurgie. Deutsche Gesellschaft für Orthopädie und orthopädische Chirurgie. Berufsverband der Fachärzte für Orthopädie. 67. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie, 89. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie und 44. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie. Berlin, 11.-16.11.2003. Düsseldorf, Köln: German Medical Science; 2003. Doc03dguI6-5

Die elektronische Version dieses Artikels ist vollständig und ist verfügbar unter: http://www.egms.de/de/meetings/dgu2003/03dgu0566.shtml

Veröffentlicht: 11. November 2003

© 2003 Bosch.
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Gliederung

Text

Band- und Sehnenverletzungen gehören zu den häufigsten Verletzungen in der Unfallchirurgie und Orthopädie. Ein Großteil dieser Verletzungen ereignet sich im Freizeit- und Leistungssport. Trotz eines enormen Therapiewandels in den letzten 15 Jahren - von immobilisierend nach funktionell - ist das Ziel einer Restitutio ad integrum nach Verletzungen noch nicht erreicht. Band- und Sehnenheilung bedeutet immer noch - auch unter optimalen Bedingungen - Reparatur und nicht Regeneration. Ligamentäre Gelenkverletzungen können daher zu einer dauerhaften Störung der Gelenkkinematk mit Funktionsverlust, Degeneration und Schmerzen führen. Unser zunehmendes Verständnis für die strukturelle Komplexität von Band- und Sehnengewebe sowie für die komplexen Mechanismen bei der Heilung wird in Zukunft die Therapie von Band- und Sehnenverletzungen beeinflussen. Mit dem Tissue Engineering, dem Verfahren Ersatzorgane und Ersatzgewebe neu zu züchten, rückt das Ziel der vollständigen funktionellen und strukturellen Wiederherstellung in greifbare Nähe. Das Tissue Engineering bietet prinzipiell die Möglichkeit, die originäre Struktur von Sehnen und Bändern herzustellen, um so wieder eine physiologische Gelenkkinematik zu ermöglichen und vorzeitige degenerative Veränderungen zu vermeiden.

Wachstumsfaktoren

In den letzten Jahren lag der Forschungsschwerpunkt auf der Modulation der Band- und Sehnenheilung durch die Applikation von Wachstumsfaktoren, da diese für die Band- und Sehnenheilung von essentieller Bedeutung sind. Obwohl die Stimulation des komplexen Heilungsprozesses mit exogenen Wachstumsfaktoren zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Band- und Sehnengewebe führt, konnte bisher für den klinischen Einsatz kein akzeptabler Applikationsmodus etabliert werden. Wachstumsfaktoren erfordern eine lokale Applikation um die potentiell nachteiligen Effekte einer systemischen Anwendung zu vermeiden. Die lokale Anwendung führt jedoch zu einer raschen Verdünnung und Metabolisierung der Faktoren, so dass therapeutisch wirksame Konzentrationen nicht über einen längeren Zeitraum nachzuweisen sind. Die wiederholte lokale, z.B. intraartikuläre Injektion ist kaum praktikabel und führt ebenfalls zu unerwünschten Nebenwirkungen wie Arthrose oder einer vermehrten Bindegewebsproliferation (Arthrofibrose). Die Entwicklung sogenannter Slow-Release-Systeme führte bisher nicht zu einer klinischen Anwendung. Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es keine konkreten Empfehlungen hinsichtlich der Auswahl an Wachstumsfaktoren, der Applikationsform und dem Zeitpunkt der Applikation. Auch die potentiell synergistischen oder additiven Effekte von Kombinationen aus verschiedenen Wachstumsfaktoren konnten in vivo nicht eindeutig nachgewiesen werden.

Gentherapie

Aufgrund der Probleme bei der Applikation von Wachstumsfaktoren wurde das Konzept der lokalen Produktion dieser Faktoren durch ortsständige Zellen entwickelt. Mit Hilfe der lokoregionären Gentherapie werden exogene Gene, die für einen bestimmten Wachstumsfaktor kodieren, in ein Individuum transferiert. Für die Aufnahme der Gene sind Transfersysteme (Vektoren) notwendig, da isolierte DNA in der Regel nicht aufgenommen und exprimiert wird. Grundsätzlich werden non-virale und virale Vektoren für den Gentransfer unterschieden, wobei virale Vektoren bisher effizienter sind als non-virale. Der Vektor kann direkt in das Zielgewebe eingebracht werden (in vivo Technik) oder Zellen aus dem Zielgewebe werden in vitro transduziert und dann wieder in das Zielgewebe replantiert (ex vivo Technik).

Bisher wurden nur wenige potentiell therapeutische Gene (PDGF-BB, HGF) in Band- und Sehnenfibroblasten transferiert. Unbefriedigend ist noch die geringe Transfektionsrate von in extrazellulärer Matrix eingebetteten Zellen, die kurze Expressionszeit und die fehlende Akzeptanz des viralen Gentransfers bei nicht lebensbedrohlichen Band- und Sehnenverletzungen. Ungeklärt ist auch das Schicksal der in vitro transfizierten und anschließend replantierten Zellen im Zielgewebe. Das Ende der Expression eines Gens kann sowohl den Zelltod als auch nur das Abschalten (Inaktivierung) des betreffenden Gens bedeuten. Die genannten Probleme sind Gründe dafür, dass bisher kein tragfähiges klinisches Konzept etabliert wurde.

Zelltherapie

Mesenchymale Stammzellen können u.a. zu Fibroblasten, Osteoblasten und Adipozyten differenzieren. Diese Zellen synthetisieren Kollagen, Proteoglykane, Zytokine und Gewebeenzyme (z.B. Kollagenasen) und sind damit für die Gewebeheilung von essentieller Bedeutung. Als Quelle von Fibroblasten sind sie auch für die Band- und Sehnenheilung von großer Bedeutung. Aufgrund des großen Pools an mesenchymalen Stammzellen im Knochenmark, kann dieses als Basis für die Zelltherapie von verletzten Band- und Sehnenstrukturen dienen. Die Therapie von Band- und Sehnenverletzungen mit mesenchymalen Stammzellen erscheint sehr vielversprechend. Vor der klinischen Anwendung sind jedoch weitere Studien notwendig, die zeigen, dass das neu gebildete Gewebe hinsichtlich seiner biomechanischen Eigenschaften besser ist als das nach konventioneller Therapie.

Bioaktive Konstrukte

Azelluläre Gerüste als Ligament- und Sehnenersatz, in die Wirtszellen einwachsen sollen, haben sich im klinischen Alltag nicht bewährt. Aktuelle Konzepte verfolgen die Herstellung von bioaktiven Konstrukten auf der Basis von zellbesiedelten dreidimensionalen Matrices. Die Matrix kann aus Komponenten wie Kollagen und Fibronektin oder aus Polymeren wie Polylactid (PLA) und Polyglycolsäurederivaten (PGA) aufgebaut sein. Kollagengerüste bieten eine gute Basis für die Adhärenz von Fibroblasten. Zellbesiedelte Kollagen-Gele kontrahieren sich ähnlich der Kontraktion von Wunden bei der Wundheilung. Dies führt zu einer Änderung der Zellorientierung und -form. Parallel dazu kann eine erhöhte Proliferations- und Kollagensyntheserate der darauf ausgesäten Fibroblasten gemessen werden. Die Zellaktivität ist dabei vom Zelltyp, von der Matrix und deren Interaktionen abhängig. Kollagen-Matrices werden auch mit mesenchymalen Stammzellen aus dem Knochenmark besiedelt. Die Kinetik der Kontraktion der Konstrukte hängt dabei von der initialen Zelldichte ab. Die Zelldichte hat wiederum auch einen Einfluss auf die gerichtete Differenzierungsinduktion. Zukünftige Studien müssen zeigen welchen Einfluss weitere physiologische Stimuli, wie zyklische Dehnung und Wachstumsfaktoren, auf die Zelldifferenzierung und -proliferation haben.

Von großer Bedeutung für Zell-Matrix-Konstrukte ist die Fähigkeit der Zellen die Degradation des Fasergerüstes durch Synthese von funktioneller extrazellulärer Matrix auszubalancieren. Nach Implantation müssen die Konstrukte physiologischen Kräften widerstehen können. Daher ist nicht nur der Ursprung der Zellen und der Matrix von Bedeutung, sondern auch die initialen biomechanischen Eigenschaften des Konstruktes, die Degradationsrate der Matrix, die Überlebensrate der Zellen und ihre Fähigkeit auf physiologische Kräfte adäquat zu reagieren.

Andere favorisieren die Verwendung von Gerüsten aus synthetischen Materialen. Die Zelladhärenz auf PLAGA (Polylactid und Polyglycolid) weist zellspezifische Unterschiede auf. Welchen Einfluss die dreidimensionale Struktur des synthetischen Gerüstes auf die Zellorientierung, Zellproliferation und den Phänotyp der Zellen hat, ist Gegenstand aktueller Forschungsprojekte. Zukünftige Untersuchungen werden zeigen müssen, ob biodegradable synthetische Polymere, besiedelt mit autologen Zellen, einen adäquaten Bandersatz darstellen können.

Diskussion

Mit dem wachsenden Verständnis für die zellulären Vorgänge bei der Band- und Sehnenheilung, wurde die potentielle Bedeutung von pluripotenten Zellen erkannt. Erste Versuche mit mesenchymalen Stammzellen aus dem Knochenmark, die unter entsprechenden physiologischen Stimuli zu Band- und Sehnenfibroblasten in situ differenzieren, sind vielversprechende Ansätze für das Tissue Engineering. Dabei kann die Gewebeherstellung durch die Applikation adäquater mechanischer Stimuli in vitro, eventuell in Kombination mit Wachstumsfaktoren (PDGF, IGF, TGF-ß, FGF-2, VEGF), gesteuert werden. Denkbar wäre auch die einfache Überexpression von Matrixproteinen (z.B. Typ I-Kollagen). Die Erforschung biologischer Matrices und biodegradabler synthetischer Polymere sowie spezifischer Zell-Matrix-Interaktionen werden die Möglichkeiten der de novo Herstellung von Ligament- und Sehnengewebe entscheidend erweitern. Tissue Engineering ist somit für die Behandlung von Band- und Sehnenverletzungen ein zukunftsträchtiges Konzept.

Die Herstellung von Ligament- und Sehnengewebe erfordert die interdisziplinäre Zusammenarbeit auf wenigstens vier Gebieten: Suche nach geeigneten Zellen, Regulation von Zellproliferation und -differenzierung durch spezifische Signalmoleküle, Verwendung von geeigneten dreidimensionalen Matrices als strukturelle Basis für die Gewebeentwicklung und Kontrolle der physikalischen Kulturparameter.