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Fragestellung: Für das Knorpel Tissue Engineering (TE) bzw. die Behandlung fokaler Knorpeldefekte mittels Matrix gestützter ACT werden zellbasierte Trägermaterialien verwendet. Derzeit eingesetzte Träger bestehen oftmals aus einer Kombination von Kollagen Typ I und Fibrin. Allerdings bergen Kollagen- und Fibrinogen-Abbauprodukte, die während der Biodegradierung freizusetzen werden, die Gefahr, katabole Prozesse zu initiieren. Meeresschwämme der Gattung Verongida (Demospongiae: Porifera) besitzen ein natürlich gebildetes 3D-Chitin-Skelett das durch die Evolution bereits optimal an die Besiedlung mit Zellen und deren Nährstoffversorgung angepasst ist. Ziel dieser Studie war es, dieses neuartige Biomaterial bezüglich Bioverträglichkeit und Eignung für das Knorpel TE in vitro und in vivo zu charakterisieren.

Methodik: Chitin-Scaffolds wurden aus dem Schwamm Aplysina cauliformis gewonnen, indem andere Bestandteile des Schwammskeletts durch wiederholte Extraktion mit 20% Essigsäure und 2,5 M NaOH entfernt wurden. Chondrozyten wurden durch Kollagenase/Hyaluronidase-Verdau aus Knieknorpel von Schlachtschweinen bzw. aus humanem Knieknorpel gewonnen. Für die in vitro Analysen wurden porcine Zellen auf den Chitinträger gegeben und für 4-6 Wochen in chondrogenem Medium kultiviert. Anschließend wurden die Proben entweder einer Lebend-Tod-Färbung zur Bestimmung der Zellvitalität unterzogen, oder für histologische Auswertungen aufgearbeitet und HE-, Alzian-Blau-, und Kollagen Typ II-gefärbt. Für die in vivo Analysen wurden humane Zellen auf die Scaffolds gegeben und subkutan in SCID-Mäuse implantiert. Nach 4 Wochen wurden die Tiere geopfert, die Proben geerntet, histologisch aufgearbeitet und die Invasion der Konstrukte mit Mauszellen beurteilt. Um humane Spenderzellen von murinen Wirtszellen zu unterscheiden wurde zudem ein Protokoll entwickelt, das beide Zelltypen auf Basis speziesspezifischer genomischer repetetiver Elemente selektiv detektiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Formgebung, Stabilität und Handhabung der Chitin-Scaffolds war sehr gut. Die Zellverteilung innerhalb der in vitro Konstrukte, deren Vitalität (>80%) und die Synthese einer knorpel-ähnlichen Extrazellulärmatrix war, basierend auf der Alzian-Blau- und Kollagen Typ II-Färbung, überzeugend. Speziesspezifische genomische in situ-Hybridisierung der in vivo Konstrukte zeigten zudem, dass ausschließlich die implantierten humanen Chondrozyten eine knorpeltypische extrazelluläre Matrix ablagerten, keine humanen Zellen dedifferenzierten und in das umgebende fibröse Mausgewebe abwanderten und nahezu keine murinen Zellen in die proteoglykanreiche Knorpelmatrix einwanderten. Die natürlichen Chitin-Scaffolds stellen somit eine aussichtsreiche 3D-Matrix für das Knorpel TE dar. Ihre chemische Struktur eignet sich zudem dazu gezielt chemische Modifikationen vorzunehmen, die eine spezifische Aufrüstung der Scaffolds mit Migrations-, Adhäsions-, Proliferations- oder Chondrogenese fördernden Faktoren erlaubt.