ArchivDeutsches Ärzteblatt21/2006Regenerative Medizin: Auf dem Weg zu einer funktionellen Kontrolle

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Regenerative Medizin: Auf dem Weg zu einer funktionellen Kontrolle

Leinmüller, Renate

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Foto: dpa
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Die autologe Chondrozyten-Transplantation am Kniegelenk muss einer Wirksamkeitsprüfung unterzogen werden, bevor ihre breite Anwendung empfohlen werden kann.
Gelenkknorpelschäden, die durch ein Trauma oder eine Osteochondrosis dissecans entstehen, sind häufig mit erheblichen Schmerzen und funktioneller Beeinträchtigung verbunden. Mit zunehmender Größe des Knorpeldefektes steigt das Arthroserisiko und damit die Gefahr der fortschreitenden Gelenkzerstörung. Seit einigen Jahren versucht man, derartige Verletzungen biologisch zu rekonstruieren, um die Beschwerden der Patienten zu beseitigen und den Folgeerscheinungen vorzubeugen.
Vor allem im Bereich des Kniegelenks steht für die biologische Rekonstruktion von lokalisierten Knorpelschäden eine Reihe von Methoden zur Verfügung. Nach Ansicht von Prof. Dr. med. Wiltrud Richter (Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg) ist die bevorzugte Technik allerdings „weitgehend Glaubenssache“ und die regelrechte Knorpelbildung „nicht eindeutig belegt“.
Einer dieser Methoden, der autologen Chondrozyten-Transplantation (ACT), kam in den letzten Jahren besondere Aufmerksamkeit zu. Hierbei werden körpereigene Knorpelzellen in der Zellkultur vermehrt, um sie anschließend in den Knorpeldefekt zu transplantieren. Die ersten viel versprechenden Ergebnisse der ACT wurden von einer schwedischen Arbeitsgruppe 1994 im New England Journal of Medicine veröffentlicht. „Seitdem hat sich die ACT zu einem etablierten Verfahren entwickelt, das unter Berücksichtigung bestimmter Indikations- und Anwendungskriterien zu überwiegend guten klinischen Ergebnissen führt“, heißt es auf den Online-Seiten der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie (DGU/ www.dgu.de).
Um die ACT und ihre Ergebnisse weiter zu verbessern und um eine Indikationserweiterung für biologische Rekonstruktionsverfahren zu erreichen, wird weltweit an verschiedenen Instituten und wissenschaftlichen Einrichtungen intensiv geforscht. Zu diesem Zweck wird mit unterschiedlichen Zellen (Knorpelzellen oder adulten Stammzellen), verschiedenen Biomaterialien (natürlicher oder synthetischer Herkunft), Wachstums- und Differenzierungsfaktoren, Bioreaktoren, biomechanischen Reizen, gentechnischen Methoden und anderen Einflussgrößen gearbeitet.
Schon heute existieren vielfältige Varianten der ursprünglichen ACT, die sich entweder noch im experimentellen Stadium oder bereits in der klinischen Evaluationsphase befinden. Die DGU betont, dass die Methoden und Produkte des Tissue Engineerings „einer eingehenden und kontrollierten Wirksamkeits- und Sicherheitsprüfung unterzogen werden müssen, bevor deren breite klinische Anwendung für die regenerative Medizin empfohlen werden kann“. Auch müssten vorab einige indikations- und anwendungsbezogene Fragestellungen beantwortet werden.
Diese Bedingungen für den regelrechten Einsatz der autologen Chondrozyten-Transplantation, die überwiegend jungen Menschen mit lokalisierten Knorpelschäden im Kniegelenk angeboten wird, unterstützt Richter als Leiterin der Abteilung für Experimentelle Orthopädie. Denn exakte Daten, wie häufig die Verfahren eingesetzt werden, lägen ebenso wenig vor wie valide Untersuchungen zur Effizienz der Neubildung von Knorpelgewebe, erklärte Richter bei einem wissenschaftlichen Kolloquium am Paul-Ehrlich-Institut in Langen.
Die mittel- und langfristigen Ergebnisse würden nur subjektiv abgefragt – meist von dem Arzt, der die Behandlung vorgenommen hat. Messbare, objektive Parameter könnten kaum dokumentiert werden – weil eine geeignete bildgebende Diagnostik fehlt und weil Kontrollbiopsien von beschwerdefreien Patienten aus ethischen Gründen meist nicht entnommen werden dürfen, erklärte die Referentin.
Chondrozyten des Patienten werden in der Zentrifuge sedimentiert. Foto: CellTec
Chondrozyten des Patienten werden in der Zentrifuge sedimentiert. Foto: CellTec
Dabei sei nicht geklärt, ob und in welchem Ausmaß die in vitro expandierten Chondrozyten überhaupt noch die Fähigkeit zur effizienten Knorpelbildung besitzen. Die bisherige Qualitätskontrolle beschränke sich auf Sterilität und Vitalität der Zellen; funktionell wichtige Kriterien wie Eignung, Heterogenität oder Wirksamkeit würden nicht geprüft.
Das Kernproblem bei der Expansion der Chondrozyten in vitro ist das langsame Wachstum und die Dedifferenzierung der Zellen: Die Fähigkeit, knorpelspezifische Proteine zu bilden, nimmt ab; dafür sind vermehrt Fibroblasten-spezifische Produkte nachzuweisen. Dieser „shift“ geht einher mit einer Veränderung im Phänotyp der Zellen. Dieser wiederum kann offensichtlich durch eine dreidimensionale Kultivierung besser erhalten werden als bei Monolayer-Kulturen. Trotzdem ist ihr Genexpressionsprofil nach den Untersuchungen der Heidelberger Arbeitsgruppe deutlich verändert und weist auf eine abnehmende Fähigkeit zur Knorpelbildung hin.
Um das Potenzial der Zellen zur Knorpelbildung zu prüfen, hat Richter einen Test entwickelt: Nach Expansion wird eine Million Chondrozyten als ektopes Isolat subkutan in Mäuse transplantiert und das entstandene Gewebe nach vier Wochen immunhistochemisch auf Knorpelmarker wie Kollagen-2 untersucht. „Wenn die Zellen in diesem unphysiologischen Milieu ohne Knochenkontakt und ohne Belastung keinen Knorpel bilden, lässt das zwar keine direkten Rückschlüsse auf die therapeutische Situation zu. Aber wenn sie es hier schaffen, dann schaffen sie es auch im Knie“, kommentierte Richter die Validität des Modells.
Für die molekularbiologischen Untersuchungen wurde ein cDNA-Array entwickelt, der Aussagen zur Expression von 230 Genen erlaubt – überprüft werden zahlreiche Knorpel-Differenzierungsmarker, extrazelluläre Matrix-Komponenten, aber auch Stammzellmarker. Durch den Vergleich der Genprofile von frisch verdautem Biopsiegewebe und verschieden lang kultivierten Zellen ist es gelungen, spezifische Kandidatengene zu identifizieren, die sich für eine Qualitätskontrolle der expandierten Chondrozyten eignen – für zwei Genprodukte läuft derzeit ein Patentierungsverfahren.
Bei der Dedifferenzierung tritt ein „Shift“ auf
Foto: CellTec Vor der Transplantation der expandierten Chondrozyten wird das defekte Knorpelgewebe im Gelenk entfernt.
Foto: CellTec Vor der Transplantation der expandierten Chondrozyten wird das defekte Knorpelgewebe im Gelenk entfernt.
Der Vorteil dieser Methode gegenüber einer Real-time-PCR ist nicht nur die Quantifizierbarkeit, sondern vor allem die Tatsache, dass der Test im Überstand der Zellkultur vorgenommen werden kann. „Wir brauchen dann keine Zellen mehr, um den Phänotyp zu bestimmen und vorauszusagen, ob sie noch die Fähigkeit haben, Knorpel zu produzieren oder ob diese verloren gegangen ist“, verdeutlichte die Forscherin das Ziel der Bemühungen. Der Test muss allerdings noch ausreifen, Schwellenwerte erhoben und die Robustheit validiert werden, bevor er zur Qualitätskontrolle eingesetzt werden kann.
Da bei der dreidimensionalen Kultur der bioptisch gewonnenen Chondrozyten der Phänotyp besser erhalten bleibt, geht der Trend inzwischen weg von der Suspensionstechnik und hin zur Anreicherung der Zellen auf einer Matrix vor Implantation. Seriöse Studien für die Vorteile der einen oder anderen Variante sind nach Angaben der Referentin nur in Ansätzen vorhanden.
Keineswegs geklärt ist für die Expertin aber auch, ob die teure Expansion sein muss: Bei kleineren Defekten unter 4 cm2 scheint die Stimulation des Knorpelwachstums auch durch die Anlockung von Stammzellen aus dem darunterliegenden Knochengewebe – dazu werden kleine Löcher in die subchondrale Knochenplatte gemacht – zu gelingen. Die einzelnen Schritte dieser Spontanreparatur gezielt zu optimieren könnte sich in Zukunft auch für größere Defekte erfolgreich erweisen.
Eine Alternative zur Chondrozytenexpansion sind mesenchymale Stammzellen, die sich zu Chondrozyten differenzieren lassen. In vitro besteht dabei allerdings das Problem, dass die Differenzierung nicht beim Chrondrozyten „stehen bleibt“, sondern in Richtung knöcherne Entwicklung weitergeht. Damit besteht nach Angaben von Richter die Gefahr der Hypertrophie. Während dies im Knie definitiv nachteilige Folgen hätte, bestehen weniger Bedenken beim Einsatz zur Regeneration von Bandscheiben. Im „schlimmsten Fall“ resultiert eine Versteifung – und damit das, was in der konventionellen Therapie in schwerwiegenden Fällen indiziert ist. Dr. rer. nat. Renate Leinmüller

Quelle: Wissenschaftliches Kolloquium „Myths and facts in quality control of chondrocytes for cartilage repair“ am 3. Mai im Paul-Ehrlich-Institut in Langen

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