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Fragestellung: Das in vitro Tissue Engineering (TE) von Knorpel stellt einen viel versprechenden Ansatz zur Therapie von Knorpeldefekten dar. Aufgrund limitierter Ablagerung knorpeliger Extrazellulärmatrix (EZM) erreichen in vitro generierte Knorpel TE Konstrukte bislang jedoch nicht die funktionellen biomechanischen Eigenschaften nativen Knorpels. Bekannte Faktoren der Bone morphogenetic protein (BMP) Subfamilie können die EZM Ablagerung durch Chondrozyten in TE Konstrukten nachhaltig steigern. Für BMP Heterodimere, in denen zwei unterschiedliche BMP Moleküle im selben Proteinkomplex vereint sind, konnte inzwischen eine bis zu 20-fach erhöhte biologische Aktivität im Vergleich zum klassischen BMP Homodimer gezeigt werden. Das Potential von BMP Heterodimeren zur Verbesserung biochemischer und biomechanischer Eigenschaften von Knorpel TE Konstrukten wurde dennoch bislang nicht untersucht. Ziel der Studie war es zu prüfen, ob durch Stimulation mit BMP-4/-7 funktionelle biomechanische Eigenschaften von nativem Knorpel erreicht werden können.

Methodik: Kollagen Typ I/III Matrices wurden mit expandierten porcinen artikulären Chondrozyten besiedelt und für 28 Tage in chondrogenem Medium mit 10 ng/ml TGF-ß1 allein oder in Kombination mit 100 ng/ml BMP-4/-7 Heterodimer zur Stimulation des BMP-Signalweges behandelt. Ein in unserer Gruppe kürzlich etablierter sensitiver biomechanischer Indentationstest nach dem Very Low Rubber Hardness (VLRH) - Prinzip sowie Confined Compression Analysen gaben Auskunft über biomechanische Auswirkungen. Die histologische Identifikation von EZM Molekülen erfolgte mittels Safranin O Färbung und Kollagen Typ II Immunhistochemie. Die biochemische Analyse der PG-Ablagerung erfolgte mittels DMMB-Assay.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Stimulation mit BMP-4/-7 Heterodimer führte zu einer signifikanten Steigerung der PG- und Kollagen Typ II - Ablagerung im Trägermaterial sowie zu einer signifikanten Zunahme der Konstruktdicke. Die mittlere 6-fache Zunahme der PG-Menge wurde begleitet von einer 1,7-fachen Steigerung des biomechanischen Härtewertes VLRH, wobei nach 28 Tagen Kultur ca. 78 % der Härte nativen Knorpels erreicht wurde. Zusätzlich wiesen Konstrukte eine signifikante Zunahme der Steifigkeit und des Kompressionsmoduls sowie eine verringerte Permeabilität auf. Es zeigte sich eine signifikante Korrelation zwischen abgelagerten PG und dem VLRH der Konstrukte.

BMP-4/-7 Heterodimer stellt einen hoch potenten biologischen Faktor zur Steigerung knorpeliger EZM Ablagerung in TE Konstrukten dar, für den hier erstmalig auch eine funktionelle biomechanische Verbesserung des in vitro generierten Knorpelgewebes dokumentiert werden kann. Basierend auf der Korrelation zwischen PG-Gehalt und VLRH, könnte eine Verlängerung der Kulturdauer über ca. fünf Wochen theoretisch in einer Steigerung der Konstrukthärte hin zu Werten nativen Knorpels führen.