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Fragestellung: Um bovine artikuläre Knorpelexplantate und deren Verhalten unter zyklischer Belastung über einen längeren Zeitraum zu untersuchen, sollte eine sterilisierbare Belastungskammer entwickelt werden. Ziel der ersten Versuche war es den Bioreaktor auf seine Funktion zu überprüfen und ein Modell für kommende Untersuchungen zu etablieren.

Methodik: Aus frisch geschlachteten bovinen Schultergelenken wurden unter sterilen Bedingungen Knorpelknochenzylinder mit einem speziell entwickelten Diamant beschichteten Hohlbohrer (Durchmesser 10mm -grit D64) gewonnen. Nach Zurechtsägen der Knorpelzylinder wurden diese unter einer Clean bench in einen speziell konstruierten sterilen Bioreaktor überführt und im Brutschrank bei 37°C und 5% CO₂ und konstant zirkulierendem Medium kultiviert. Die Knorpelkonstrukte in den Kammern wurden für den Belastungszeitraum aus dem Brutschrank entnommen und in die Halterung einer Frank Prüfmaschine eingespannt. Die Belastung der Knorpelzylinder erfolgt für 250 Zyklen pro Tag mit 150 N und einer Geschwindigkeit von 5 mm pro Minute (ca. 40 Minuten pro Belastung). 4 Proben wurden ohne Belastung kultiviert und dienten als erste Kontrollgruppe. Weitere sechs Knorpelzylinder wurden direkt in 10% gepuffertem Formalin fixiert und nach Entkalkung mit EDTA der Paraffineinbettung zugeführt.

Nach Beendigung des Belastungs- und Kultivierungszeitraumes von 14 Tagen wurden die Knorpelknochenexplantate fixiert, entkalkt und nach aufsteigender Alkoholreihe in Paraffin eingebettet. Nach dem Erstellen von 4–5 µm Schnitten wurde die Anzahl der apoptotischen Zellen mittel einer Tunel Färbung dargestellt. Die Schnitte wurden unter 400-facher Vergrößerung (Leitz Aristomed) und über die Software Image pro Plus 6.2 ausgewertet.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die Bioreaktoren ließen sich problemlos mit den Knorpelproben befüllen. Technische Probleme bei der Probengewinnung, Kultivierung oder Belastung traten nicht auf. Eine mikrobiologische Kontamination konnte für alle Proben ausgeschlossen werden. Das in situ-Cell Death Detection Kit-Roche 1684817 (Tunel) konnte zur Auswertung für die Knorpelproben adaptiert werden. 13 belastete Knorpelzylinder sowie die Kontrollen konnten ausgewertet werden. Insgesamt wurden 539 Einzelbildern, aufgenommen in dem mittleren Knorpelanteil ausgezählt. In den umgehend nach Explantation fixierten Probe lebten 73,8% (STABW 5,8), in den belasteten 59,8% (STABW 8,5) und in den nicht belasteten Kontrollen 39,5% (STABW 17,9).

Es ist gelungen einen Bioreaktor zu entwickeln in dem Knorpelknochenexplantate in einer 3D-Kultur unter zyklischer Belastung über einen längeren Zeitraum belastet werden können. Ein Tunel-Assay konnte als Methode zur Apoptose Detektion für das Knorpelgewebe adaptiert werden. Die Ergebnisse der ersten Versuche zeigen die Praktikabilität des Bioreaktors und unterstreichen die Wichtigkeit der Belastung zur Ernährung des Knorpels [1;2]. Der Bioreaktor stellt eine interessante Alternative zur Erforschung von 3D-Knorpelproben dar.