Stem cell based bone grafting
Final Report Abstract
Zielsetzung des Projektes war die Entwicklung eines Herstellungsverfahrens zur Produktion von implantierfähigem menschlichem Knochengewebe in vitro. Zunächst musste eine ausreichende Verfügbarkeit knochenbildender Zellen bzw. deren Vorläufer sichergestellt werden. Parallel zu dem sonst hierfür als Ausgangsmaterial verwendeten Knochenmark wurden Zellen erfolgreich aus kleinen Stückchen trabekulären Knochens isoliert und ihr Potenzial sowohl zu Fettzellen (Adipocyten) als auch zu Knochen bildenden Zellen (Osteoblasten) zu differenzieren nachgewiesen. Identisch zu Zellen, die aus Knochenmark isoliert wurden, konnten sie bis zu 10 Passagen unter Beibehaltung ihres Knochen bildenden Potenzials kultiviert werden. Aus jeder Passage konnten die Zellen dabei ohne Schwierigkeiten auf die für ein hypothetisches Implantat relevanter Größe geforderte Zellzahl von 120 Millionen expandiert werden. Die Entwicklung geeigneter Kulturmedien erlaubte die Vermehrung von Vorläuferzellen und deren anschließende zielgerichtete Differenzierung in Osteoblasten. Als ideale Systeme für die Zellvermehrung erwiesen sich adhärente Kulturen in Wannenstapeln, die im Gegensatz zu Suspensionskulturen mit sphärischen oder hexagonalen Mikroträgern (Microcarrier-Kulturen) eine problemlose Abtrennung der Zellen von den Kulturoberflächen ermöglichte und damit einhergehende Zellverluste minimierte. Anschließend wurden geeignete hochporöse, bioresorbierbare Trägergerüste mit den gewonnenen Zellen besiedelt um dort unter optimierten Kultivierungsbedingungen eine extrazelluläre Matrix auszubilden, in der schließlich neue mineralische Matrix gebildet wird. Hierfür kamen neuartige Prototypen von Trägergerüsten aus verschiedenen keramischen oder polymeren Materialien, häufig auch als Komposite zum Einsatz (ß-Tricalciumphosphat, Hydroxylapatit, Polylactid-Polyglycolid-Copolymer, Calciumcarbonat). Diese Materialien haben in vivo die Eigenschaft gemein, eine allmähliche Resorbierung durch den Körper zu erlauben, wobei es im Idealfall im Zuge der Knochenremodelierung durch neugebildeten körpereigenen Knochen ersetzt wird. Die in vitro Kultivierung erfolgte in einem neuartigen Perfusionsbioreaktorsystem mit kontinuierlichem Medienaustausch, das eine komplette Durchströmung durch die interkonnektierenden Poren des Trägergerüstes erlaubte, sowie parallel in konventionellen statischen oder dynamischen Kultivierungssystemen. Um nach einer Implantation ein Absterben des Knochengewebes zu vermeiden, ist es von großer Wichtigkeit, dass das Gewebe möglichst schnell an die körpereigene Blutversorgung angeschlossen wird. Hierzu müssen normalerweise erst die Gefäß bildenden Zellen einwandern um sich dann zu Kapillaren zu organisieren. Um den für diesen Prozess benötigten Zeitraum deutlich zu reduzieren wurden Studien zur Ko-Kultivierbarkeit dieser Zellen mit den Knochen bildenden Zellen eingeleitet. Zunächst wurden mikrovaskuläre Endothelialzellen ebenfalls erfolgreich auf dem Trägermaterial vermehrt. Es stellte sich jedoch heraus, dass eine synchrone Ko-Kultivierung aufgrund von Inkompatibilitäten der Nährmedienansprüche beider Zelltypen nicht durchführbar ist. Demgegenüber erscheint eine zeitlich aufeinander folgende Besiedlung möglich, konnte jedoch nicht mehr experimentell umgesetzt werden. Nach einem entsprechenden Umbau des Bioreaktorsystems wurden auch kleinere Trägergerüste aus verschiedenen Materialien mit osteogenen Zellen besiedelt und kultiviert um anschließend wie vorgesehen für in vivo Versuche nach Göttingen transferiert zu werden.
Publications
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