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32 Biologische Knorpelregeneration Die autologe Chondrozyten-Transplantation (ACT) von Univ.-Prof. Dr. Dr. med. Reinhard Schnettler* und Prof. Dr. med. Olaf Kilian** Mit der regenerativen Medizin verbindet sich die Vorstellung und auch Hoffnung, mit Hilfe neu zu etablierender Behandlungsverfahren dem Körper Unterstützung bei der Regeneration oder auch dem Ersatz geschädigter Gewebe zu geben. Zur Erreichung dieser Ziele kommen der Herstellung von Ersatzgeweben aus biologisch abbaubaren Trägermaterialien (Scaffold) sowie körpereigenen (autologen) Zellen des Patienten eine hohe Bedeutung zu. Bereits in der klinischen Anwendung sind der Ersatz für geschädigte Haut, unterschiedliche Knochenersatzmaterialien mit und ohne bioaktive Werkstoffe sowie unterschiedliche Ansätze in der Regeneration des geschädigten Knorpels. Generell kann die Herstellung dieser künstlichen Gewebe über eine Implantation von Gewebebildung fördernden zellfreien Trägerstrukturen erfolgen, über die Injektion von körpereigenen Zellen in geschädigte Körpergewebe und über die Herstellung neuer Gewebe außerhalb des Körpers durch Anzüchtung von Zellen auf Trägerstrukturen. Im ersten Fall spricht man von der sogenannten Guided Tissue Regeneration, im zweiten Fall geht es um eine Zelltherapie und im letzten Fall um das sogenannte Tissue Engineering. Die ACT ist ein zelltherapeutisches Verfahren zur Behandlung großflächiger, isolierter, umschriebener Knorpelschäden am Knieund Sprunggelenk. Da Knorpelgewebe sich nicht regenerieren kann, ist das Ziel der Behandlung, Knorpeldefekte durch die Formation eines hyalin-like Knorpelgewebes zu „reparieren“. Hyaliner Knorpel besteht zu 30 bis 40 Prozent aus der extrazellulären Matrix, die sich aus den Grundsubstanzen Proteoglykane, Proteoglykanaggregane, Glukosaminglykane und Kollagenfibrillen, größtenteils aus Kollagen Typ II, in geringem Anteil aus Kollagen V, VI, IX, X und XI, zusammensetzt. Proteoglykane haben eine hohe Wasserbindungsfähigkeit, so daß die dreidimensionale Matrix durch Wassermoleküle aufgefüllt wird. Diese Bindung führt zur Stabilität, Viskosität und Elastizität des hyalinen Knorpelgewebes. * Klinik und Poliklinik für Unfallchirurgie und Labor für Experimentelle Unfallchirurgie am Universitätsklinikum Gießen-Marburg ** Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, Zentralklinik Bad Berka Struktur und Ausrichung der Kollagenfibrillen sind den herrschenden Verhältnissen optimal angepasst, das heißt, die Fasern verlaufen entlang der Linien des größten Zuges und Druckes (Trajektorien). Nur etwa ein bis drei Prozent der gesamten Knorpelmasse bestehen aus zellulären Strukturen, den Chondronen (Chondroblast/Chondrozyt und Knorpelhof), die zunächst einzeln in die Matrix eingebettet sind, dann mehrere Chondrone zusammen als Gruppe, und nehmen schließlich unter der Oberfläche des Knorpels einen bogenförmigen Verlauf, was zu einer Verdichtung des Fasernetzes führt. So wird der größte Zug und Druck schon an der Oberfläche abgefangen (Abb. 1). Abb.1: Hyaliner humaner Knorpel, Kniegelenk Die Mikrobiomechanik des Knorpelgewebes basiert auf: • dem hohen Wassergehalt (60–70 Prozent des Gewebes), • einem osmotisch erzeugten Quellungsdruck durch Aggregane als Polyanionen, • einer elektrostatischen Elastizität, • einem permanenten Expansionsdruck von 0,1 bis 0,2 MPa, • dem dehnungsresistenten Kollagenfasernetz.
Univ.-Prof. Dr. Dr. Reinhard Schnettler Knorpelgewebe hat eine geringe metabolische Aktivität (bradytrophes Gewebe). Die Knorpelzellen weisen einen anaeroben Stoffwechsel mit einer niedrigen Glykolyserate auf. Der hyaline Knorpel ist ein avaskuläres und anisotropes Gewebe, das über synoviale Perfusion und in geringem Grad durch Diffusion aus perichondralen Gefäßen versorgt wird. Hyaliner Knorpel neigt mehr als die anderen Knorpelarten zur Degeneration. Dabei wird in den meisten Fällen Kalk eingelagert. Dies führt dazu, dass die Diffusion von Nährstoffen nicht mehr richtig funktioniert, die Chondrozyten hypertrophieren und schließlich zugrunde gehen. Dagegen sind für Faserknorpel charakteristisch die dichten Kollagenfaserbündel, zwischen denen kleine Chondrone mit meist einzelnen Chondrozyten liegen (Abb. 1). Ungeformte Grundsubstanz ist nur wenig vorhanden. Die Kollagenfasern bestehen im wesentlichen aus Kollagen Typ 1 und sind scherengitterartig nach der vorliegenden Druck- oder Zugbelastung angeordnet. Zwischen den Fasern liegen kleine Territorien (Chondrone) mit nur wenigen Chondrozyten. Faserknorpel ist mechanisch weniger belastbar als hyaliner Knorpel. Artikuläre Knorpeldefekte im Knie- und Sprunggelenk können traumatisch, vaskulär in Form einer Osteochondrosis dissecans mit einer Durchblutungsstörung der subchondralen Knochenplatte, durch Entzündungen und durch metabolische Dysregulationen bedingt sein. Abb. 2: Zustand nach ACT-Transplantation (human) Prof. Dr. Olaf Kilian Die Einteilung der Knorpelschäden erfolgt bisher nach Outerbridge, wobei die Klassifikation durch die International Cartilage Repair Society (ICRS) detailliert wurde: Stadium 0 keine Knorpelschädigung Stadium 1 oberflächliche Läsionen 1A Erweichung der Oberfläche 1B oberflächliche Fissuren Stadium 2 Knorpelläsionen erreichen bis zu 50 Prozent der Knorpeldicke Stadium 3 3A Knorpelläsionen erreichen über 50 Prozent der Knorpeldicke 3B Knorpelläsionen erreichen die Zone des mineralisierten Knorpels 3C Knorpelläsionen erreichen die subchondrale Lamelle 3D Blasenbildung kann periläsional auftreten Stadium 4 4A Knorpelläsion bis kurz unter die subchondrale Lamelle 4B Knorpelläsion tief in den spongiösen Knochen (Abb. 2) Regenerationen umschriebener artikulärer Knorpelschäden sind aufgrund der fehlenden Migration von Chondrozyten in den Defekt nicht zu beobachten. Bei Zerstörung der subchondralen Schicht, auch bei der Spongiolisation oder Mikrofrakturierung, kommt es im Bereich des frischen Knorpeldefektes zu einem Wundhämatom. Die Fribrinmatrix des Blutkoagels ist dann die Leitstruktur für das Einwandern von Stammzellen. Die weitere Differenzierung der Stammzellen, ausgelöst durch den lokalen Einfluss von Zytokinen und Wachstumsfaktoren, verläuft weniger zu Chondroblasten/zyten, sondern bildet als Bindegewebszellen Kollagentyp I und extrazelluläre Matrix des Bindegewebes. Es entsteht ein fibrokartilaginäres Knorpelgewebe, welches histologisch faserknorpeligem Narbengewebe entspricht. 33
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