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Fragestellung: Mit dem Ziel der Entwicklung einer neuen Therapiestrategie zur Behandlung großer Knochendefekte wurde in den letzten Jahren an der Entwicklung von axial vaskularisiertem Knochenersatz gearbeitet. Hierzu wurde in vorangegangenen Versuchen das arteriovenöse (AV) – Loop Modell des Schafes entwickelt, in welchem zunächst eine intrinsische, axiale Vaskularisation verschiedener biologischer und bioartifizieller Knochenersatzstoffe gezeigt werden konnte. In bisherigen Studien wurden verschiedene Knochenersatzstoffe mit mesenchymalen Stammzellen und Knochenwachstumsfaktoren kombiniert, allerdings konnte kein stabiler vaskularisierter Knochenersatz gezüchtet werden. Die Vaskularisation großer Konstrukte erfolgte relativ langsam, was zu langen Implantationszeiten und fehlender knöcherner Durchbauung führte. Zum Erreichen einer schnelleren Vaskularisation von Konstrukten in klinisch relevanter Größenordnung mit dem Ziel der Züchtung von axial vaskularisiertem stabilem, transplantierbarem Knochenersatzgewebe wurde in diesem Projekt die Vaskularisation einer primär stabilen Knochenersatzmatrix zum einen intrinsisch durch eine Gefäßschleife sowie gleichzeitig extrinsisch mittels zusätzlich von außen einsprießender Gefäße untersucht und mit dem geschlossenen Kammersystem verglichen.

Methoden: In Merinolandschafen wurden im AV-Loop Modell zwei unterschiedliche Kammerkonstruktionen getestet: zum einen eine geschlossene Isolationskammer aus Teflon, wobei die Vaskularisation des Knochenersatzstoffes ausschließlich intrinsisch durch die Gefäßschleife erfolgt. Zum anderen eine perforierte Titankammer, die neben der intrinsischen auch eine zusätzliche extrinsische Vaskularisation zulässt. Die Implantation erfolgte in Kombination mit einer klinisch zugelassenen nanokristallinen Hydroxylapatit – Knochenersatzmatrix und autologem Blut. Die Auswertung erfolgte nach 3, 6, 12 und 18 Wochen histologisch, auf molekularbiologischer Ebene und mit bildgebenden Verfahren wie MRT und mikroCT.

Ergebnisse: Durch sequentielle Perfusion konnte bei Verwendung der perforierten Titankammer eine zusätzliche extrinsische Gefäßeinsprossung gezeigt werden, welche die Gefäßversorgung der Konstrukte unterstützt und Anschluss ans AV-Loop System findet. Durch Rekrutierung der extrinsischen Vaskularisation, welche sich mit dem intrinsischen axialen AV-Loop System verbindet, konnte in der perforierten Kammer eine schnellere Vaskularisation gezeigt werden. Diese frühere Vaskularisation des sich neu bildenden Ersatzgewebes führt zu einer beschleunigten Knochenneubildung und einem gesteigerten Remodelling im Vergleich zur geschlossenen Teflonkammer. In immunhistochemischen Färbungen konnten die neu gebildeten Knochenflächen mit Collagen I und Alkalischer Phosphatase detektiert werden. Mit Hilfe einer TRAP Färbung konnten Osteoklasten identifiziert und somit ein aktiver Prozess des Knochenumbaus gezeigt werden. Eine CD 31-glatte Muskelzellen Doppelfärbung bestätigte ein hierarchisches Gefäßnetzwerk in der Isolationskammer. Real time-qPCR Analysen zeigten die verstärkte Expression von angiogenen and osteogenen Markern.

Schlussfolgerungen: Durch die verkürzte Prävaskularisationszeit konnte erstmalig eine schnellere vollständige Vaskularisation sowie ein schnellerer Umbau der Konstrukte zu körpereigenem Knochen zur Generierung von Knochenersatz gezeigt werden. In Zukunft sollen diese prävaskularisierten Konstrukte, die nach Anastomosierung ausschließlich über die Gefäßschleife versorgt werden, schließlich mikrovaskulär in Knochendefekte transplantiert werden. Im Gegensatz zum Einsatz von "prefabricated” Lappenplastiken muss bei dieser Methode kein Muskel- und autologes Knochengewebe geopfert werden, so dass nur eine geringe Hebemorbidität resultiert. Mit diesem neuen Therapiekonzept könnte es in Zukunft möglich sein, Knochernersatzgewebe individuell auf den Patienten und seinen Gewebedefekt zugeschnitten im Körper züchten zu können.