Plättchenreiches Plasma als sicherer Ersatz für tierisches Serum im Knochen Tissue Engineering : eine in vitro und in vivo Studie zur Knochenregeneration mit mesenchymalen Stammzellen und Knochenersatzstoffen

Abstract

Die Rekonstruktion langstreckiger Knochendefekte gehört in der Orthopädie und Unfallchirurgie zu den schwierigsten Aufgaben. Nach wie vor ist die Verwendung von autologem Knochen als der Goldstandard in der Therapie solcher Defekte anzusehen. In letzter Zeit haben auch Techniken des so genannten Knochen Tissue Engineering an Bedeutung gewonnen, bei denen Knochenersatzmaterialien, Zellen und Wachstumsfaktoren kombiniert werden, um eine Heilung zu erzielen. Für eine sichere und erfolgreiche Anwendung stammzellbasierter Techniken ist es essentiell, dass die notwendigen Zellzahlen in möglichst kurzer Zeit zur Verfügung stehen, dass ihre Funktionalität für den gewünschten Zweck erhalten bleibt und dass bei ihrer Vermehrung auf den Einsatz tierischen Serums (FCS) verzichtet wird, da mit seinem Gebrauch verschiedene Risiken wie Immunreaktionen oder die Übertragung von Prionen verbunden sind. In der vorliegenden Arbeit wurde der Gebrauch von plättchenreichem Plasma (PRP) als ein Ersatz für FCS in einem Expansionsmedium für mesenchymale Stammzellen (MSC) untersucht. Unsere Hypothese war, dass eine entsprechende PRP-Konzentration FCS vollwertig ersetzen kann und spenderunabhängig eine gleiche oder sogar größere Menge undifferenzierter MSC hervorbringen kann. Wir untersuchten, ob PRP-expandierte MSC ihre Fähigkeit, osteogen, chondrogen und adipogen zu differenzieren, behalten würden und ob sie unter definierten Bedingungen in vivo zur Knochenneubildung fähig wären. Durch den Einsatz von PRP an Stelle von FCS wurde die Expansion der MSC in vitro verbessert, während ihre Fähigkeit zur Differenzierung in die drei untersuchten Richtungen des mesenchymalen Gewebes in vitro und zur Knochenbildung in vivo erhalten blieben. Die Risiken, die mit dem Gebrauch xenogener Zusätze verbunden sind, können so vermieden werden. Diese Technik ist an einen rein autologen Gebrauch adaptierbar. Somit ist mit unserem neuen Expansionsmedium der Einsatz von MSC in der Zelltherapie von Gewebedefekten auch beim Menschen ein Stück realistischer geworden. Unseres Wissens ist dies auch die erste Studie, die die Knochenneubildung von humanen MSC auf der neuartigen Keramik CDHA, die eine große spezifische Oberfläche besitzt, untersucht. Es zeigten sich gleichwertige oder sogar bessere Eigenschaften als bei der im Vergleich untersuchten Keramik ß-TCP. Somit scheint CDHA ein vielversprechender Trägerstoff für die stammzellbasierte Knochenregeneration zu sein. Eine Beschichtung von Keramiken mit dem Ziel, die Stammzellanheftung zu erhöhen, sollte aufgrund der einfacheren Handhabung und Standardisierung von Prozessen mit Fibronektin durchgeführt werden. The reconstruction of long defects in bones is one of the most challenging tasks in orthopaedic medicine. The gold standard in the treatment of those defects is still the use of autologous bone. Recently, the so called bone tissue engineering has offered an alternative. Here, bone substitution materials, cells and growth factors are combined to achieve bone healing. For the safe and effectual use of stem cell based therapies it is crucial that the needed cell numbers can be obtained in a relatively short time, that the cells remain functional for the desired purpose and that the application of FCS during their expansion is avoided due to the risks (e.g. immunological reactions or prion transmission) that are connected with it. In this study, we investigated the use of platelet-rich plasma (PRP) as a substitute for FCS in an expansion medium for mesenchymal stem cells (MSC). Our hypothesis was, that a suitable concentration of PRP could fully replace FCS and would provide a similar or even superior yield of undifferentiated cells in a donor independent manner. We examined whether PRP-expanded MSC would keep their ability to differentiate into the osteogenic, chondrogenic and adipogenic lineages in vitro and whether they would retain their ability to form bone under defined conditions in vivo. By replacing FCS with PRP, better cell expansion could be attained while the cells could still differentiate into the three tested lineages of the mesenchymal tissues and kept their ability to form bone in vivo. The risks inherent in the use of xenogenic media supplements can thereby be eliminated. The setting is adaptable to autologous use. Our new medium for cell expansion has thus succeeded to make cell therapy of tissue injuries in humans a bit more realistic. Additionally, this is to our knowledge the first study in which human MSC were evaluated on the new ceramic high surface ceramic CDHA for their ability to form bone in vivo. The properties shown by CDHA were better than those seen with ß-TCP which was used for comparison. Consequently, CDHA seems to be a promising bone substitution material for MSC-based bone regeneration therapy. Coating of ceramics with the objective to enhance the adhesion of MSC should be conducted with fibronectin, because of its easier handling and in favour of obtaining a more standardized process.