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Fragestellung: Der Erfolg matrix-basierter Verfahren zur Rekonstruktion fokaler Gelenkknorpeldefekte hängt von der lateralen Integration des implantierten Konstruktes in den umgebenden Geklenkknorpel und der Synthese knorpelspezifischer Extrazellulärmatrix durch die transplantierten Zellen ab. Aufgrund der limitierten Verfügbarkeit autologer Chondrozyten und einer De-differenzierung dieses Zelltyps während der Expansionskultur stellen mesenchymale Stammzellen (MSZ) eine vielversprechende Alternative dar. Unsere Studie vergleicht das regenerative Potential mesenchymaler Stammzellen, differenzierter und de-differenzierter Chondrozyten in einem bovinen in vitro Knorpeldefektmodell.

Methodik: Native Gelenkknorpelringe mit einem zentrierten 4 mm Defekt wurden aus Kniegelenken von 6 Monate alten Kälbern gewonnen. In einem ersten Experiment wurden zellbelladene Agarosekonstrukte (10x106 Zellen/ml) mit frisch isolierten, bovinen Chondrozyten, de-differenzierten (2, 5 oder 8 population doublings) Chondrozyten oder MSZ hergestellt und unmittelbar in den nativen Knorpel implantiert. In einem zweiten Experiment wurden analog hergestellte Konstrukte zunächst für 3 Wochen in einem serumfreien Medium unter Zusatz von TGF-β3 (10ng/ml) kultiviert und anschließend implantiert. Nach Implantation wurden alle Hybridkonstrukte für 4 Wochen in einem chemisch definierten, serumfreien Medium kultiviert. Anschließend wurden die Stärke des lateralen Knorpel-Konstrukt-Interface, die biomechanischen Eigenschaften und der Kollagen- bzw. Glukosaminoglykangehalt des implantierten Konstruktes bestimmt.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Nicht vorbehandelte Agarosekonstrukte mit de-differenzierten Chondrozyten und MSZ zeigten eine signifikant schwächere Integration in den nativen Gelenkknorpel und einen geringeren Gehalt an knorpelspezifischen Matrixkomponenten als Konstrukte mit differenzierten Chondrozyten. Im Vergleich zu de-differenzierten Chondrozyten konnte in der Gruppe der vorbehandelten Konstrukte bei Verwendung von MSZ eine signifikant stärkere Integration, ein höherer Gehalt an knorpelspezifischen Matrixkomponenten und bessere biomechanische Eigenschaften nachgewiesen werden. Diese Resultate demonstrieren, dass Chondrozyten mit steigendem Grad der De-differenzierung einer signifikanten Veringerung der Extrazellulärmatrixsynthese unterliegen, dies resultiert in einer Verminderung der biomechanischen Eigenschaften und der lateralen Integration der implantierten Konstrukte. Zusätzlich weisen de-differenzierte Chondrozyten eine geringere Empfindlichkeit gegenüber anabolen Wachstumsfaktoren wie TGF-β3 auf. MSZ durchlaufen während der Vorkultivierung mit TGF-β3 eine chondrogene Differenzierung und zeigen eine signifikant bessere in vitro Knorpelregeneration als de-differenzierte Chondrozyten nach Imlantation in diesem in vitro Defektmodell.