FERT TE des Bewegungsapparates

Funktioneller Knochenersatz

Funktioneller Knorpelersatz

ECM:

• Hauptprotein: Kollagen

  • Kettenformendes Protein – triple helix

  • Von Fibroblasten, Chondrozyten, Osteoblasten sezerniert

• Knochen: Typ I, V

• Knorpel: Typ II, IX, XI

• Bänder, Sehnen: Typ I, V, XII

• Anorganische Knochensubstanz

  • 70% des Knochens

  • Knochenapatit (carbonatreiche Form des Hydroxyapatits - Ca5(PO4)3(OH))

• Organische Knochensubstanz

  • Hauptanteil Kollagen Typ I

  • Weitere Proteine: Osteonektin (bindet Ca), Osteocalcin, und viele mehr

• „Critical size defects“

  • Heilung auch durch mechanische Fixierung nicht möglich

  • Tumore

  • Massives Trauma

  • Vor allem in den großen Röhrenknochen

    • Schienbein (Tibia)

    • Oberschenkelknochen (Femur)

• „non union“ – keine Verheilung auch nach langer Zeit (~9 Monate)

• Wirbelsäule

  • Spine fusion (operative Gelenksversteifung – Athrodese)

• Künstlicher Gelenksersatz

• Osteoporose, Osteoarthritis

• Versteifung von 2 (oder mehreren) Wirbelkörpern („Spine Fusion“)

• Grund:

  • Degeneration der Bandscheiben

  • Bandscheibenvorfall

  • Tumor

  • Fraktur der Wirbelsäulen

  • Spondylolisthese – Instabilität der Wirbelsäule

  • Spondylose – Osteoarthritis der Wirbelkörper

• Fusion der Wirbelkörper dient zur Stabilisierung der Wirbelsäule

• Bereitstellung eines temporären mechanischen Supports

• Kontrollierter Abbau ohne Verlust der mechanischen Festigkeit

• Übergabe der Last an den entwickelnden Knochen

• 1-3 Monate selbstlasttragend, Abbau in 12-18 Monaten

• Keine toxischen Abbauprodukte

• Substrat für Osteoid-Ablagerung

• Nicht mineralisierte Grundsubstanz des Knochens

• Geeignete poröse Struktur für Vaskularisierung

• Ermöglicht/erhöht Einwanderung von Knochenzellen

• Ermöglicht und unterstützt osteogene Differentiation („Osteoinduktion“) von undifferenzierten Zellen

• Unterstützt die Verbindung des Scaffolds mit dem umliegenden Empfängergewebe („Osseointegration“)

• Keine chronischen Entzündungen

• Steril/Sterilisierbar

1. Auffüllen des Defektes mit Autograft

„Bone Graft Substitutes“:

2. Knochengewebe von Leichenspendern („Allograft“)

3. Xenogene Transplantate

• Wenig verwendet wegen hohen Zahl an Komplikationen

(Virus Transmission, Immunogenizität, Abstossung, …)

4. Synthetische Knochenersatzmaterialien

• Scaffold alleine

  
  

5. Funktioneller Knochenersatz

• Scaffold in Kombination

• Meist Knochen vom Becken bzw. Hüftknochen

• Ca. 30% Komplikationsrate an der Entnahmestelle

  • Schmerz

  • Gefühlslosigkeit

  • Entzündungen, Infektionen

  • Hämatombildung

  • Kosmetik

  • Entnahme von Autograft

a) Frischer Knochen

• Hohes Infektionsrisiko (13%!)

• Hohe Zahl an Immunreaktionen (Abstoßung)

b) Verarbeiteter Knochen

• Gefriergetrocknet (lyophilisiert) oder gefroren

• Sterilisierbar

• Eliminiert im Endeffekt den zellulären Teil

• Geringes Infektionsrisiko

• Kaum Immunogenizität

• Verschiedene Formen: Splitter („Chips“), Streifen, etc

c) Demineralisierte Knochenmatrix

• Knochen aus Leichenspendern

  • Mineralischer Teil wird herausgewaschen und verworfen

  • Proteine, Wachstumsfaktoren, Hormone bleiben über

• Pulver, Granula oder Strips

• Mischung mit verschiedenen Trägermaterialien

  • Synthetische oder natürliche Polymere

in non-unions

z.B. Röhrenknochenfraktur

• Mineralischen Phase aus tierischem Knochen

  • DBBM („Deproteinized Bovine Bone Matrix“)

  • Proteine, Wachstumsfaktoren, Hormone werden zerstört

• Kaum Immunogenizität

• Physiologische Porengrößen

• Restproblem: Virussicherheit

a) Synthetische Ca-basierende Materialien

• Ca-Phosphat Materialien

• Biogläser

b) Natürliche Ca-basierende Materialien

c) Polymer-basierende Materialien

d) Komposit Materialien

a) Wachstumsfaktor-basierende Materialien

b) Zell-basierende Materialien

• Bone Morphogenic Proteins (BMPs)

  • Gehören zur Familie der TGFs

  • Notwendig für die ostogene Differenzierung von mesenchymalen Zellen

• TGFß

• PDGF

• FGFs

• IGFs

• VEGF

• Parathormon (PTH)

• 20 verschiedene Proteine bekannt

• Nicht alle für Knochenwachstum wichtig

  • BMP-2, -4, -7: induzieren am stärksten osteogene Diff.

• Dimere Proteine

• 17kDa

• Rekombinant exprimiert

• BMP mit Trägersubstanz appliziert

  • HA oder ß-TCP – als Pulver vermischt

  • Kollagen

    • Auftropfen auf Kollagenschwamm

    • Vermischen zu Pulver und zu einer Art Paste oder Sand verrührt

  • Titan als Träger

    • Ermöglicht Osseointegration von Titanimplantaten

Mesenchymale Stammzellen

• Am meisten verwendeten Zellen für Knochenregeneration

• Vor allem aus dem Knochenmark oder Fettgewebe

• Sportverletzungen

• Osteoarthritis

  • Degeneration der Knorpel

  • Ca. 70% der über 65-jährigen betroffen

• Funktionen des Knorpels

  • Schmierung des Gelenkes

  • Übertragung des Druckes/Gewichtes

• Praktisch keine natürlich Heilung des Knorpels

  • Kaum Zellen, praktisch nicht durchblutet

1. Autologe Zelltransplantation

2. Kombination von Zellen und Scaffold

• Besiedelung von Scaffold mit Chondrozyten

  • Differenzierung aus BMSCs

  • Isolierung aus gesunden Knorpeln von unbelastetem Knorpel (z.B. Rippen)

• Scaffolds

  • Kollagen mit GAGs

  • PLA

MACI und Chondrogen

• Nanofibrilläre Zellulose mit Chondrozyten gemischt als

  „Tinte“

• >70% Zellviabilität nach 7 Tagen

Tintenstrahl?