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Fragestellung: Ein Hauptproblem in der implantatbasierten Therapie artikulärer Knorpeldefekte stellt die Integration in die Defektzone dar. Aus diesem Grund ist das langfristige Ziel dieses Projektes die Entwicklung eines auf Seidenfibroin (SF) basierten multifunktionalisierten osteochondralen Implantats. Dieses ist so konzipiert, dass eine simultane lokal definierte Bildung von knorpel- und knochenähnlichem Gewebe mit stratifizierter Übergangszone gefördert wird (unterschiedliche Porengröße, Präsentation spezifischer Wachstumsfaktoren). Als erste Schritte waren die Ziele dieser Studie (a) die Herstellung von SF-Implantaten mit unterschiedlicher Porengröße auf einem Implantat und (b) die prinzipielle Untersuchung der chondrogenen und osteogenen Differenzierung von Stammzellen aus dem Knochenmark (MSC) in diesen Implantaten.

Methodik: Unter Verwendung von Paraffin als Porogen wurden zylindrische SF-Implantate (Ø 4 mm, Höhe 4 mm) mit definierter Porosität und Interkonnektivität hergestellt. Dazu wurden die Paraffinkugeln bei definierter Temperatur miteinander verschmolzen, mit einer SF-Lösung umgossen, schockgefroren, gefriergetrocknet und abschließend das Paraffin mit Hexan extrahiert. Die Besiedlung der Implantate mit MSCs wurde anhand unterschiedlicher Zelldichten und Besiedlungstechniken untersucht. Die besiedelten Implantate wurden bis zu vier Wochen in chondrogenem bzw. osteogenem Medium kultiviert und mittels histologischer und immunhistochemischer Färbungen auf Schlüsselkomponenten der Extrazellulärmatrix (EZM), biochemischer Assays und qRT-PCR analysiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Es konnten erfolgreich SF-Implantate mit unterschiedlicher Porengröße (100-160 µm und 315-710 µm) auf einem Implantat hergestellt werden. In der Optimierung bezüglich Besiedlungseffizienz und homogener Zellverteilung erwies sich eine Zellzahl von 2*10⁶ in 40 µl Suspensionsvolumen und eine Spritzen-basierte Besiedlungstechnik als besonders geeignet. Nach 10 und 21 Tagen Kultivierung für die chondrogene und 10 und 28 Tagen Kultivierung für die osteogene Differenzierung konnten sowohl Schlüsselkomponenten der EZM von artikulärem Knorpel (Glykosaminoglykane und Kollagen) als auch osteogene Schlüsselmarker (alkalische Phosphatase, Osteopontin) mittels quantitativer biochemischer Assays und ELISA nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse spiegelten sich sowohl in den histologischen und immunhistochemischen Färbungen, wie z.B. auf Glykosaminoglykane und Kollagen II für die Chondrogenese und Kalzium für die Osteogenese, als auch in der Hochregulation spezifischer Marker (u.a. Sox9, Aggr bzw. Runx2, BSP) auf mRNA Ebene wider.

Die erzielten Ergebnisse demonstrieren die prinzipielle Eignung der Implantate für die chondrogene und osteogene Differenzierung. Weiterführende Arbeiten konzentrieren sich auf die lokale Präsentation von Wachstumsfaktoren (chondrogene Stimuli in großen Poren und osteogene Stimuli in kleinen Poren) im Implantat, um eine simultane Entwicklung von knorpel- und knochenähnlichem Gewebe zu unterstützen.