5. Zellbasierte Therapie der Ruptur des vorderen Kreuzbandes im Alter (VKB)

Arbeitsfeld:
Teilprojekt 2: Zellapplikation / Zelltracking

Stand der Wissenschaft und Technik
Verletzungen des vorderen Kreuzbandes (VKB) sind häufig und können derzeit nur ungenügend behandelt werden. Unser Ziel ist es einen minimal-invasiven Therapieansatz für eine biologisch augmentierte primäre Naht des rupturierten VKB zu entwickeln. Die biologische Augmentation der Ankernaht erfolgt durch Autologous Conditioned Plasma (ACP, Fa. Arthrex) mit und ohne Zugabe von mesenchymalen Stammzellen (MSZ). Nach Optimierung der biologischen Augmentation in vitro soll der Ansatz später am Grosstiermodell zur Anwendungsreife gebracht werden.

Epidemiologie und Bedeutung der VKB Ruptur
Mit einer Inzidenz von 1/3000 in westlichen Industrienationen gehören die Rupturen des vorderen Kreuzbandes (VKB) zu den häufigsten Kniegelenksverletzungen. Der Verlust der VKB-Funktion führt dabei unweigerlich zu Knie-Instabilität, Verlust der Propriozeption und vorzeitigen Arthroseentwicklung. Heute haben sich autologe Sehnenersatzplastiken als Therapiestandard bis zu einem biologischen Lebensalter von etwa 45 Jahren etabliert, jedoch können diese Bandersatzplastiken nicht die komplexe Architektur und Biomechanik des VKB wiederherstellen und werden nach diesem Lebensalter wegen der aufwendigen Operationstechnik nicht mehr durchgeführt. So weisen mehr als 50% der Patienten bereits 7 Jahre postoperativ radiologische Zeichen einer Gonarthrose auf. Dementsprechend ist die VKB-Ruptur ein wichtiges klinisches Problem und es besteht Bedarf an einem verbesserten Therapiekonzept.

Konzept der biologisch augmentierten primären VKB Rekonstruktion
Die theoretisch einfachste Methode zur Wiederherstellung des VKB in Form und Funktion ist die primäre Naht. Bei den ersten Versuchen der primären VKB-Naht versagten die Regenerate bei mehr als 50% der Patienten nach etwa einem Jahr, da die Nähte insuffizient wurden. Als Hauptgrund hierfür ist die fehlende Ausbildung eines provisorischen Blutkoagels im intraartikulär gelegenen Defekt zu nennen, der sich im Gegensatz dazu bei der extraartikulären Ligamentheilung (z.B. Innenbandheilung) bildet und die Basis für den Heilungsvorgang darstellt. Basierend auf diesen Erkenntnissen postulieren wir, dass eine VKB Heilung stattfinden kann, wenn eine provisorische Matrix als Basis für den Reparaturprozess in den Rupturspalt eingebracht wird. Unterstützt wird unsere Hypothese durch kürzlich veröffentlichte Arbeiten zur VKB Heilung mit der sog. „Healing Response“. Hierbei wird im Bereich der femoralen VKB Insertionsstelle bei proximaler Ruptur eine Mikrofrakturierung zur Erzeugung eines Knochenmarkkoagels zur Heilungsinduktion durchgeführt. Die bisher veröffentlichten Ergebnisse mit dieser Technologie zeigen erstaunlich hohe Heilungsraten (>77%), bei jedoch sehr streng selektionierten Patientenkollektiven. Die Antragsteller vertreten die Ansicht, dass sich diese Ergebnisse durch eine Ankernaht zur Fixierung des VKB Stumpfes und das Einbringen einer biologisch augmentierten Matrix weiter verbessert werden. Durch diese wenig aufwendige Operationstechnik kann die Indikation für eine VKB-Reparatur auf ein breiteres Patientenkollektiv auch über einem Lebensalter von 45 Jahren erweitert werden.

Basierend auf diesen Untersuchungen zielt dieses Projekt auf die Entwicklung eines biologischen Ersatzes für das Rupturhämatom beim VKB mittels Tissue Engineering, welches den Heilungsvorgang des genähten Bandes einleitet. Hierbei hat sich Verwendung von autologen Serumpräparationen als Vorteilhaft für die Weichteilheilung gezeigt. Als biologisches Trägermaterial eignet sich eine Mischung eines Kollagen Hydrogels zusammen mit Serumplasma in idealer Weise zur Zellapplikation. Das autologe Serum mit dem Autologous Conditioned Plasma (ACP®) System wird von der Fa. Arthex hergestellt. Zur Zellapplikation wird das ACP mit MSZ und Typ I Kollagen Hydrogel gemischt, welches in Kooperation mit Herrn Prof. Fries (Koop WP1) optimiert wird.

Zellen. Als Zellquelle um die VKB Heilung lokal zu stimulieren eignen sich sowohl differenzierte Fibroblasten verschiedener Herkunft, als auch MSCs aus dem Knochenmark. Aufgrund der limitierten Verfügbarkeit von VKB Fibroblasten und der Notwendigkeit der ex vivo Isolation und Amplifikation der Zellen, favorisieren die Antragsteller die Verwendung von MSZ, da diese einfach intraoperativ gewonnen werden können. Die positive Rolle von MSZ bei der Bandheilung und ihre ligamentogene Differenzierbarkeit wird durch zahlreiche Studien belegt.

Ligamentogene Stimuli. Wachstumsfaktoren: Verschiedenen Aspekte der Ligamentheilung wie Mitose und Matrixsynthese können durch Wachstumsfaktoren wie z.B. TGF-, IGF-1, bFGF und PDGF gesteigert werden. Diese Wachstumsfaktoren können mittels blutplättchenhaltigen autologen Serumpräparationen (ACP; Fa. Arthrex) effektiv intraartikulär dargereicht werden. Die Darreichung der Wachstumsfaktoren via ACP ist insbesondere wegen ihrer klinischen Applizierbarkeit im Bereich des geplanten Kreuzbanddefektes attraktiv. Ob die funktionellen Wachstumsfatorkonzentrationen via ACP Darreichung zur Heilungsinduktion bei VKB-Rupturen ausreichen, müssen die geplanten Studien zeigen. Gentherapie: Sollte die VKB-Heilungsinduktion mittels ACP +/- MSZ nicht ausreichen, planen wir den Ansatz mit Methoden des Gentransfers zu ergänzen, die einen alternativen Ansatz des „Protein-Delivery“ zur Ligamentregeneration darstellen. Die Sicherheit und z.T. auch Effektivität dieser Technologie in humanen Gelenken konnte bereits durch eine Phase I klinische Studie zur Arthritistherapie belegt werden. Biomechanik: Weiterhin konnten mechanische Einflüsse wie zyklische Dehnung von 1 Hz die Matrixsynthese und den ligamentogenen Phänotyp von MSZ und Fibroblasten positiv beeinflussen.

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