___________________________________________________________________________
Knorpelersatz beim Hund – Untersuchungen zur Besiedlung keramischer Matrices
INAUGURAL - DISSERTATION zur Erlangung des Grades einer
Doktorin der Veterinärmedizin ( Dr. med. vet. )
durch die Tierärztliche Hochschule Hannover
Vorgelegt von Nicole Muschter
aus Altdöbern
Hannover 2007
Wissenschaftliche Betreuung: 1. Prof. M. Fehr 2. Dr. G. Hauschild
1. Gutachter: Prof. M. Fehr, Dr. G. Hauschild
2. Gutachter: Prof. Dr. B. Schröder
Tag der mündlichen Prüfung: 29.05.2007
Meinen Lieben
Inhaltsverzeichnis
Seite
Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen...-9-
1. Einleitung...-13-
2. Literaturübersicht...-15-
2.1. Die verschiedenen Knorpelformen ...-15-
2.2. Aufbau und Funktion des Gelenkknorpels...-17-
2.2.1. Chondrogenese des Knorpelgewebes ...-17-
2.2.2. Stoffwechselvorgänge des Gelenkknorpels ...-18-
2.2.3. Histologische Morphologie des Gelenkknorpels ...-18-
2.2.4. Funktionelle Morphologie des Gelenkknorpels...-19-
2.2.5. Biochemische Zusammensetzung des Gelenkknorpels ...-20-
2.3. Erkrankungen des Gelenkknorpels...-21-
2.3.1. Allgemeine Pathogenese...-21-
2.3.2. Traumatisch bedingte Knorpelschäden...-22-
2.3.3. Osteochondrosis dissecans...-23-
2.3.4. Arthrotische Veränderungen des Gelenkknorpels ...-24-
2.4. Therapieprinzipien bei chondralen Defekten...-26-
2.4.1. Lavage und Débridement...-26-
2.4.2. Nutzung des Selbstheilungspotentials des Knorpels sowie des subchondralen Knochens durch knochenmarkstimulierende Therapieverfahren ...-26-
2.4.2.1. Knorpel-Knochen-Anbohrung nach PRIDIE...-27-
2.4.2.2. Mikrofrakturierung nach STEADMAN...-28-
2.4.2.3. Abrasionsarthroplastik nach JOHNSON ...-29-
2.4.3. Transplantation von Geweben und Zellen ...-29-
2.4.3.1. Periost-/Perichondriumtransplantation ...-29-
2.4.3.2. Mosaikplastik / osteochondrales autologes Transfersystem ...-31-
2.4.3.3. Posteriorer Femurkondylentransfer ...-33-
2.4.3.4. Autologe Chondrozytentransplantation ...-35-
2.5. Einsatz von Biomaterialien bei der Behandlung von Gelenk- knorpeldefekten...-37-
2.5.1. Transplantateigenschaften...-37-
2.5.2. Natürliche Trägermaterialien ...-38-
2.5.2.1. Fibrin...-39-
2.5.2.2. Kollagen...-39-
2.5.2.3. Hyaluronsäure ...-41-
2.5.2.4. Alginat, Agarose ...-41-
2.5.2.5. Chitosan ...-42-
2.5.3. Synthetische Trägermaterialien ...-43-
2.5.3.1. Polyactid-Säure, Polyglykol-Säure, Polyglykol-Polyactid-Säure- Kopolymer ...-43-
2.5.3.2. Dacron, Teflon, Karbonfasern ...-45-
2.6. Einsatz von Biomaterialien bei der Behandlung von osteochondralen Defekten ...-46-
2.6.1. Transplantateigenschaften von Knochenersatzstoffen...-46-
2.6.2. Kalzium-Phosphat-Keramiken...-48-
2.6.2.1. Hydroxylapatit ...-48-
2.6.2.2. Phasenreines Beta-Tricalciumphosphat als keramische Matrix ...-49-
2.7. Kultivierungsverfahren zur Vermehrung artikulärer Chondrozyten ...-51-
2.8. High Mobility Group Proteine...-53-
2.8.1. HMGA Proteine ...-54-
2.8.2. HMGA 2-Protein ...-55-
2.9. Real-Time-Polymerasekettenreaktion in der Diagnostik ...-56-
2.9.1. Ablauf des Prozesses der Polymerasekettenreaktion...-56-
2.9.2. Das Prinzip der Real-Time-Polymeraskettenreaktion ...-57-
2.10. Rasterelektronenmikroskopie zur Untersuchung und bildlichen Darstellung von Oberflächenstrukturen...-65-
2.10.1. Funktionsweise des Rasterelektronenmikroskops ...-65-
2.10.2. Physikalisch-technische Grundlagen der Rasterelektronenmikroskopie ...-67-
2.10.3. Anwendung der Rasterelektronenmikroskopie im Rahmen des Tissue
Engineering...-68-
2.11. Studienspezifische Anwendung der dargestellten Verfahren ...-68-
3. Material und Methoden...-70-
3.1. Geräte und Bezugsquellen...-70-
3.2. Reagenzien, Verbrauchsmaterialien und Bezugsquellen ...-71-
3.3. Versuchsaufbau ...-72-
3.4 Isolierung, Expansion und Gewinnung von Knorpelzellen...-72-
3.4.1. Knorpelzellenisolierung...-72-
3.4.2. Zellkultur...-73-
3.4.3. Ernten der in Zellkultur vermehrten Knorpelzellen...-74-
3.5. Besiedlung der Cerasorb®-Zylinder ...-74-
3.5.1. Besiedlung der Cerasorb®-Zylinder mit in der Zellkultur vermehrten Knorpelzellen...-75-
3.5.2. Beschickung der Cerasorb®-Zylinder mit caninen Knorpelspänen ...-77-
3.6. Auswertung der Besiedlung und Vitalität der Knorpelzellen...-77-
3.6.1. Zellvitalitätstest mit Trypanblau ...-77-
3.6.2. Fluoreszenzmikroskopie zur Beurteilung des Zellwachstums...-78-
3.6.3. Rasterelektronenmikroskopie zur Bestimmung der Zellmorphologie...-78-
4. Ergebnisse ...-80-
4.1. Zellkultur-Kontrollen ...-80-
4.1.1. Zellvitalitätsnachweis mit Trypanblau...-80-
4.1.2. Zellwachstumsnachweis durch Fluoreszenzfärbung mit 4´,6-Diamidino-2-phenylindol ...-80-
4.2. Cerasorb®-Zylinder mit in der Zellkultur vermehrten caninen Chondrozyten ...-81-
4.2.1. Zellvitalitätstest mit Trypanblau ...-81-
4.2.2. Zellwachstumsnachweis durch Flureszenzfärbung mit
4´,6-Diamidino-2-phenylindol nach vorangegangener Trypanblau-
Färbung ...-82-
4.2.3. Zellwachstumsnachweis durch Fluoreszenzfärbung mit 4´,6-Diamidino-2-phenylindol ...-83-
4.2.4. Bestimmung der Zellmorphologie mittels Rasterelektronenmikroskopie .-84- 4.3. Cerasorb®-Zylinder mit caninen Knorpelspänen ...-85-
4.3.1. Zellvitalitätsnachweis mit Trypanblau...-85-
4.3.2. Zellwachstumsnachweis durch Fluoreszenzfärbung mit 4´,6-Diamidino-2-phenylindol ...-87-
4.3.3. Bestimmung der Zellmorphologie mittels Rasterelektronenmikroskopie .-89- 5. Diskussion ...-90-
6. Zusammenfassung...-98-
7. Summary...-100-
8. Literaturverzeichnis...-102-
Danksagung ...-135-
Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen
A : Adenin
Abb. : Abbildung
ACT : autologe Chondrozytentransplantation ACTH : adrenocortikotropes Hormon
ADP : Adenosindiphosphat ATP : Adenosintriphosphat
BMP : Bone Morphogenetic Proteine bzw. : beziehungsweise
Ca : Calcium
ca. : circa cm : Zentimeter
cm² : Quadratzentimeter CO2 : Kohlendioxid
DAPI : 4´,6-Diamidino-2-phenylindol d. h. : das heißt
DNA : Desoxyribonukleinsäure ECM : extrazelluläre Matrix eV : Elektronenvolt evtl. : eventuell
FRET : Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer GAG : Glykosaminoglykane
ggf. : gegebenenfalls HMG : High Mobility Group
HMGA : High Mobility Group AT-Hook bindende Proteine HMGB : High Mobility Group Box bindende Proteine
HMGN : High Mobility Group Nukleosom bindende Proteine IC50 : Schadstoffkonzentration, bei der 50 % der Zellen tot sind i. d. R. : in der Regel
I.U. : International Units
keV : Kiloelektronenvolt
MACT : matrixassoziierte autologe Chondrozytentransplantation Mega-OATS : Mega-osteochondrales autologes Transfersystem
mg : Milligramm
MHz : Mega-Hertz ml : Milliliter mm : Millimeter
mm² : Quadratmillimeter mM/l : Millimol pro Liter
Na : Natrium
nm : Nanometer
OATS : osteochondrales autologes Transfersystem OCD : Osteochondrosis dissecans
OsO4 : Osmiumtetroxid
PBS : Phosphate Buffered Saline
PCR : Polymerasekettenreaktion (engl. Polymerase Chain Reaction) PGA : Polyglykol-Säure
PLA : Polyactid-Säure
PLGA : Polyglykol-Polyactid-Säure-Kopolymer RE : Rückstreuelektronen
REM : Rasterelektronenmikroskop rpm : rounds per minute
RT-PCR : Real-Time-Polymerasekettenreaktion SE : Sekundärelektronen
sog. : sogenannt
T : Thymin
u. : und
usw. : und so weiter v. a. : vor allem Vit. : Vitamin z. B. : zum Beispiel
z. T. : zum Teil
α-TCP : Alpha-Tricalciumphosphat ß-TCP : Beta-Tricalciumphosphat
% : Prozent
> : größer
°C : Grad Celsius µl : Mikroliter
1. Einleitung
Knorpelschäden stellen bei Mensch und Hund in zunehmendem Maße ein schwerwiegendes orthopädisches Problem dar. Reduzierte Gelenkbeweglich- und –belastungsfähigkeit stehen neben erheblichen Schmerzzuständen im Vordergrund der klinischen Symptomatik. Viele verschiedene Ursachen, wie z. B. Traumata, Stoffwechselstörungen und generelle Alterungsprozesse, können beim Hund zu einer Schädigung des Gelenkknorpels führen.
Dieser weist aufgrund seiner Avaskularität, fehlenden Innervation und Lymphgefäßversorgung sowie der relativ geringen Zellularität nur eine unzureichende Selbstheilungstendenz auf (METZ 2001). Intrinsische Reparaturmechanismen des hyalinen Knorpels bewirken keine Heilung im Sinne der Restitutio ad integrum bzw. der Regeneration.
Stattdessen wird meist nur eine Verkleinerung der Läsion oder die Auffüllung durch den biomechanisch weniger beanspruchbaren Faserknorpel erreicht, der zwar eine ausreichende Zugfestigkeit aufweist, aber im Vergleich zum hyalinen Knorpel nicht in der Lage ist, die im Gelenk einwirkenden Druckbelastungen abzufangen (LIEBICH 1999; METZ 2001; ROHEN u. LÜTJEN-DRECOLL 2001). Die durch diesen Prozeß entstehenden Unebenheiten und verminderten Druckelastizitäten der Knorpeloberflächen führen häufig zu Folgeerscheinungen wie Schmerzhaftigkeit oder Einschränkungen in der Beweglichkeit des Gelenkes. Aktuell entwickelte Therapiekonzepte haben in ihrer Gesamtheit daher die möglichst vollständige Wiederherstellung der hyalinen Gelenkknorpeloberfläche zum Ziel. Neben rein symptomatischen Behandlungsverfahren und Methoden, die das Selbstheilungspotential des Knorpels und des subchondralen Knochens durch Knochenmarkstimulation nutzen, findet auch die Transplantation von Gewebe und Zellen Anwendung. Eine weitere therapeutische Option bei Knorpel- oder Knorpel-Knochen-Läsionen stellt die Anwendung von Biomaterialien natürlichen oder synthetischen Ursprungs mit oder ohne Zellbesiedlung dar.
Der Einsatz des in der vorliegenden Studie verwandten phasenreinen Beta- Tricalciumphosphates (ß-TCP) erfolgte dabei bisher vor allem als Knochenersatzmaterial (FOITZIK u. STAMM 1997; HAUSCHILD et al. 2000; MERTEN et al. 2000; ERBE et al.
2001), versuchsweise aber auch als mit mesenchymalen Stammzellen besiedeltes Ersatzmaterial bei osteochondralen Defekten (GUO et al. 2004). Im Rahmen der eigenen Studie werden ß-TCP-Keramiken mit caninen Chondrozyten besiedelt. Dafür ist zunächst die
Vermehrung von Knorpelzellen in Kulturen notwendig. Nach Beendigung der Zellvermehrung erfolgt die Besiedlung der keramischen ß-TCP-Matrices mit den Knorpelzellen. In der Vergleichsgruppe werden die Makroporen der Zylinder mit caninen Knorpelspänen gespickt.
Im Rahmen der vorliegenden Studie wird das Verhalten der caninen Chondrozyten nach kultureller Expansion und Besiedlung einer keramischen ß-TCP-Matrix sowie deren Auswanderungsverhalten auf die Matrix aus einem Knorpelspan untersucht. Bestimmt werden dabei die Anzahl und Morphologie der Zellen sowie deren Vitalität.
2. Literaturübersicht
2.1. Die verschiedenen Knorpelformen
Im Wirbeltierorganismus werden drei Arten von Knorpelgewebe unterschieden: elastischer, Faser- und hyaliner Knorpel. Der elastische Knorpel enthält in seiner Grundsubstanz ein reichverzweigtes Netzwerk elastischer Fasern und kann durch diese Einlagerungen vielseitige mechanische Biegebelastungen abbauen. Die Fasern bestehen vorrangig aus Elastin sowie Glyzin, Alanin und Prolin. Diese Bindegewebseiweißstoffe sind aus Polypeptidketten mit hoher Elastizität und mechanischer Widerstandsfähigkeit aufgebaut. Eine zusätzliche Stabilisierung des Knorpels erfolgt durch Kollagenfasern. Er bildet z. B. die Grundlage für die Ohrmuschel, Teile des äußeren Gehörganges und den Kehldeckel (WIESNER u. RIBBECK 1991; LIEBICH 1999).
Faserknorpel entwickelt sich aus straffem Bindegewebe, auf das Druck- und v. a. Zugkräfte ausgeübt werden. Die Anordnung der Faserbündel erfolgt dabei in Hauptzugrichtung. Diese sehr widerstandsfähige Knorpelform findet sich vor v. a. in den Disci intervertebrales, im Hufknorpel, in der Beckensymphyse, als Gelenkscheiben (Disci und Menisci articulares) und als Sehneneinlagerung im Musculus biceps brachii des Pferdes. Im Vergleich zum hyalinen Knorpel ist der Anteil des Kollagens Typ I hier deutlicher höher als der des Typs II. Eine zonale Gliederung ist nicht erkennbar. Die Funktion des Faserknorpels, Stöße und Erschütterungen abzufangen, begründet sich v. a. auf seiner Zugfestigkeit. Die Elastizität und Druckfestigkeit ist im Vergleich zu den anderen Knorpelformen nur gering ausgeprägt (LIEBICH 1999; SCHRÖDL 2005). Eine histologische Gegenüberstellung von elastischem und Faserknorpel erfolgt in Abbildung (Abb.) 1.
Abb. 1: Elastischer Knorpel (links) mit dichtem Netz aus elastischen Fasern und eingelagerten Chondrozyten und Faserknorpel (rechts) mit kollagenen Faserbündeln und parallel dazu angeordneten Chondrozyten (LIEBICH 1999)
Der hyaline Knorpel (Abb. 2) ist die im Körper am häufigsten vorkommende Knorpelform und bildet die Gelenkoberflächen, Rippenknorpel, Nasenknorpel und den Knorpel der mittleren und tiefen Atemwege.
Abb. 2: Hyaliner Knorpel mit erkennbarer zonaler Gliederung (LIEBICH 1999)
Er unterscheidet sich unter anderem in der Zusammensetzung der Kollagene und im Gehalt an Elastin von elastischem und Faserknorpel. Alle drei Knorpelformen enthalten in ihrer Matrix
Kollagenfaserbündel in relativer Unordnung
Chondrozyt elastische Fasern Grundsubstanz
Knorpelhaut (Perichondrium)
Chondrozyten (in der Peripherie spindelförmig, in der Tiefe sphärisch)
Interzellularsubstanz
mit 90 bis 95 % am höchsten ist. Im Vergleich dazu weist der Faserknorpel einen ähnlich hohen Gehalt (> 90 %) an Kollagen Typ I auf, während Kollagen Typ II lediglich einen Anteil von maximal 5 % ausmacht
Die Kollagenfasern des hyalinen Knorpels ordnen sich aufgrund mechanischer Zug- und Druckbelastungen, so dass deren Verlauf optimal den herrschenden Verhältnissen angepasst ist. Der bogenförmige Verlauf der Fasern unter der Knorpeloberfläche führt zu einer Verdichtung des Fasernetzes, so dass der größte Zug und Druck bereits an der Oberfläche abgefangen wird. Die große Wasserbindungsfähigkeit des Gelenkknorpels sorgt zudem für druckelastische Eigenschaften. Bei einwirkenden Druckkräften verformt sich der Knorpel bis zu einem bestimmten Grad. Dann setzen Abstoßungskräfte innerhalb der Zellularsubstanz dem Vorgang einen gewissen Widerstand entgegen und sorgen außerdem dafür, dass im Anschluss das Gewebe wieder seine Ausgangsform und -lage zurückfindet (LIEBICH 1999;
NAUMANN et al. 2002; JUNQUEIRA et al. 2005).
2.2. Aufbau und Funktion des Gelenkknorpels
2.2.1. Chondrogenese des Knorpelgewebes
Alle drei Knorpelformen finden ihren Ursprung im mesenchymalen Bindegewebe, welches nach lamellärer Verdichtung den Knorpel zeitlebens als Perichondrium umgibt und seine Fähigkeit zur Knorpelbildung behält. Die Mesenchymzellen differenzieren als perichondrale Fibroblasten zu Chondroblasten und beginnen mit der Ausscheidung von Knorpelmatrix, bestehend aus Grund- und Interzellularsubstanz. Mit fortschreitender Neubildung von extrazellulärer Matrix (ECM) weichen die Zellen auseinander. Die noch abgeplatteten randständigen Chondroblasten runden sich während der weiteren Differenzierung zu Chondrozyten ab (LIEBICH 1999). Im Unterschied zum elastischen und zum Faserknorpel wird der hyaline Knorpel im ausdifferenzierten Zustand nicht von Perichondrium umgeben, so dass seine Fähigkeit zur Selbstregeneration sehr stark eingeschränkt ist (CAMPBELL 1969; BUCKWALTER et al. 1988).
Das Knorpelwachstum kann sowohl von außen (häufigere Form), als auch von innen erfolgen.
Durch die Vermehrung und Differenzierung der perichondralen Chondroblasten wächst der Knorpel appositionell, d. h. von außen. Teilen sich hingegen differenzierte Knorpelzellen nochmals, wächst der Knorpel interstitiell, d. h. von innen, da diese Zellen neue Grundsubstanz bilden und dabei auseinanderweichen.
Beeinflusst wird das Knorpelwachstum durch eine Reihe von Vitaminen und Hormonen.
Während Vitamin (Vit.) A das Wachstum anregt, stimuliert Vit. C die Synthese und Erhaltung von Kollagenfasern und Knorpelmatrix. Wachstumshormone, Thyroxin und Geschlechtshormone steigern die sekretorische Aktivität der Chondrozyten. Das adrenokortikotrope Hormon (ACTH) und Kortisol verzögern die Knorpelreifung (LIEBICH 1999; GIERE 2005).
2.2.2. Stoffwechselvorgänge des Gelenkknorpels
Wie der elastische und der Faserknorpel ist auch der Gelenkknorpel nicht innerviert und findet keinen Anschluss an das Blut- oder Lymphgefäßsystem, der Stoffwechsel verläuft bradytroph. Die Ernährung erfolgt ausschließlich durch Diffusion vom Gelenkspalt aus und wird teils durch onkotische Druckunterschiede, teils durch intermittierende Druckbeanspruchungen maßgeblich gefördert. Die Nährstoffe gelangen von der Synovialmembran über die Gelenkflüssigkeit durch die Grundsubstanz zu den einzelnen Knorpelzellen. Im juvenilen Knorpel, d. h. vor Ausbildung der Verkalkungszone, werden die tiefen Zonen zusätzlich von den Markgefäßen des subchondralen Knochens versorgt (METZ 2001). FRISBIE et al. (2006) konnten in einer histologischen Studie Angaben zur Dicke der Knorpelschichten in Kniegelenken von Hunden machen, die von 0,6 – 1,3 mm, im Vergleich zu 1,5 – 2 mm bei Pferden und 2,2 – 2,5 mm bei Menschen, reichten. Dies lässt darauf schließen, dass die Ernährung des Gelenkknorpels über die Synovia nur über eine begrenzte Distanz erfolgen kann.
2.2.3. Histologische Morphologie des Gelenkknorpels
Im histologischen Schnitt lässt der hyaline Knorpel eine zonale Gliederung mit wechselnder Dichte, Form und Ausrichtung der Chondrozyten und der extrazellulären Matrix erkennen. In der gelenkspaltnahen Tangentialfaserzone (= superfiziale Zone), charakterisiert durch einen hohen Kollagenanteil bei niedrigem Proteoglykangehalt, liegen die Kollagenfasern und die spindelförmigen, „fibroblastenähnlichen“ Chondrozyten mit ihrer Längsachse parallel zur Gelenkoberfläche. In der sich anschließenden Intermediärzone mit Kollagenfibrillen größeren Durchmessers und höherem Gehalt an Proteoglykanen wechselt die Ausrichtung der Fasern bogenförmig in einen zur Oberfläche senkrechten Verlauf. Die rundlichen Chondrozyten der folgenden breiten Radiärzone liegen in isogenen Gruppen organisiert. Sie bilden säulenartige Formationen und sind ebenso wie die parallel dazu angeordneten Kollagenfibrillen senkrecht zur Gelenkoberfläche ausgerichtet. In dieser Schicht findet sich der höchste Gehalt an Proteoglykanen und die niedrigste Wasserkonzentration. Die sogenannte Tidemark, eine dünne Schicht mit einem höheren Calciumgehalt in der ECM, trennt diese Zone von der folgenden Schicht des mineralisierten Knorpels, von der wiederum zapfenartig der Übergang in den subchondralen Knochen erfolgt (BRUNS u. STEINHAGEN 2000; MARLOVITS u.
VÉCSEI 2000; REIFENRATH 2005).
2.2.4. Funktionelle Morphologie des Gelenkknorpels
Der Verbund aus Knorpelzellen und hochvisköser Interzellularsubstanz mit Verfestigung und Verstärkung durch die Ausbildung fadenförmiger Makromoleküle in netz- und bündelartigen Verbänden gewährleistet eine hohe Druck-, aber nur eine geringe Zugfestigkeit. Ein direkter Zell-Zell-Kontakt zwischen den Chondrozyten fehlt. Allerdings sind die Zellen durch die mechanische Anbindung an das Netzwerk der ECM funktionell mit ihrem Stoffwechsel integriert. Die Vernetzung der kollagenen Fibrillen mit Proteoglykanen und die arkadenartige Anordnung des Kollagenfasergerüstes gewährleisten einerseits ein gewebstypisches Maß an Verformbarkeit und Elastizität, andererseits aber auch an Druck- und Stoßfestigkeit.
Druckbelastungen bzw. Belastungsspitzen, die einseitig auf die Knorpeloberfläche einwirken,
werden in allseitige hydrostatische Drücke umgewandelt, wodurch ihre gewebsschädigende Wirkung deutlich gemindert wird (METZ 2001; ROHEN u. LÜTJEN-DRECOLL 2001). Die wasserreiche Grundsubstanz bildet zusammen mit der Synovialflüssigkeit ein geschlossenes System, welches einem hydraulischen Stoßdämpfer- und Pumpsystem entspricht und so die Ernährung der Chondrozyten sicher stellt (STEINBRÜCK et al. 1980; STASHAK 1989;
METZ 2001).
Als Überzug der kongruierenden Flächen echter Gelenke ist der hyaline Knorpel verantwortlich für die Verteilung der einwirkenden Kräfte und die Reduzierung der Beanspruchung der am Gelenkaufbau beteiligten Bindegewebe. Er übernimmt die Lastverteilung und die Herabsetzung der mechanischen Druckbelastung auf den subchondralen Knochen (BRUNS u. STEINHAGEN 2000; MARLOVITS u. VÉCSEI 2000).
2.2.5. Biochemische Zusammensetzung des Gelenkknorpels
Mit 70-80 % macht gebundenes Wasser den größten Anteil der extrazellulären Matrix aus.
Das Zellvolumen beträgt je nach Gelenk und Lokalisation 1-10 % vom Gesamtvolumen.
Organische und anorganische Bestandteile (20-30 % der ECM) bilden v. a. Kollagene und Proteoglykane, aber auch Proteine, Glykoproteine und Lipide.
Die Kollagene stellen den Hauptbestandteil der Trockenmasse der ECM dar, verleihen dem Knorpelgewebe seine Struktur und garantieren dessen Festigkeit. Proteoglykane und andere Bestandteile der ECM werden darin wie in einer Art Maschenkonstruktion chemisch oder mechanisch eingeschlossen. Mit 90-95 % stellt das Kollagen Typ II den Hauptanteil der Kollagene des hyalinen Knorpels dar. Quantitativ gering hingegen sind die übrigen Typen VI, IX, X und XI repräsentiert. In direkter Umgebung der Chondrozyten findet sich das Kollagen Typ VI und ist beteiligt an der Verbindung zwischen den Zellen und der ECM. Die Typen IX und XI haben durch die Bildung von Quervernetzungen eine stabilisierende Funktion für das Kollagengerüst. Ausschließlich in der Zone des mineralisierten Knochens findet sich Kollagen vom Typ X.
Die Proteoglykanmonomere bestehen aus einem zentralen Proteinanteil, an den in unterschiedlicher Zusammensetzung Polysaccharide geknüpft sind. Im hyalinen Knorpel
können mehrere Proteoglykanmonomere über Verbindungsproteine an Hyaluronsäure gebunden werden und so komplexe Proteoglykanpolymere bilden. Das Aggrecan gilt als knorpelspezifisches Proteoglykan des hyalinen Knorpels im Vergleich zum Versican beim Faserknorpel. Der Polysaccharidanteil besteht im Gelenkknorpel überwiegend aus den Glykosaminoglykanen Chondroitin-4-Sulfat, Chondroitin-6-Sulfat, Keratansulfat und Hyaluronsäure. Diese Glykosaminoglykane verfügen im physiologischen Milieu über ionisierte Carboxyl- und Sulfatgruppen. Um eine Elektronenneutralität zu gewährleisten, werden Bindungen mit Ionen (Calcium [Ca++] und Natrium [Na+]) aus der interstitiellen Flüssigkeit eingegangen. Dies führt über einen osmotischen Gradienten zur hohen Wasserbindungsfähigkeit der Glykosaminoglykane (GAG).
Die Glykoproteine, bestehend aus Eiweißen und kovalent daran gebundenen Kohlenhydratketten, vermitteln im Gewebe Bindungen zwischen Adhäsionsproteinen der ECM und Integrinen der Zellmembranen. Dazu zählen Vitronektin, Laminin, Thromospondin und Fibronektin, von denen letzteres für die Verankerung der Zellen in der ECM und für den Zusammenhalt der Proteoglykane und Fasern innerhalb der ECM sorgt (BUCKWALTER u.
MANKIN 1997a; LIEBICH 1999; BRUNS u. STEINHAGEN 2000; MARLOVITS u.
VÉCSEI 2000; GIERE 2005; REIFENRATH 2005).
2.3. Erkrankungen des Gelenkknorpels
2.3.1. Allgemeine Pathogenese
Die beschriebenen morphologischen Grundlagen des Knorpelgewebes bezüglich der Avaskularität, fehlenden Innervation und Lymphgefäßversorgung sowie die relativ geringe Zellularität bedingen als biologische Besonderheiten im Wesentlichen die mangelnde Selbstheilungspotenz des hyalinen Knorpels. Bei Verletzungen anderer Bindegewebe kommt es zu einer kaskadenartigen Entzündungsreaktion mit Migration von Zellen mit regenerativer Potenz, die aber beim Knorpel aufgrund der fehlenden Blutgefäßversorgung nicht möglich ist.
Die Abgrenzung der Chondrozyten von der Defektzone durch die ECM begründet zusätzlich die mangelnde Regenerationstendenz (HARDINGHAM et al. 1992).
Traumatisch bedingte Knorpelschäden müssen von denen, die systemisch ausgelöst werden oder Folge normaler Alterungsprozesse sind, abgegrenzt werden. Intrinsische Reparaturmechanismen bewirken keine Heilung im Sinne der Restitutio ad integrum bzw. der Regeneration. Als Reparaturphänomene werden gesteigerte Chondrozytenaktivitäten und ggf.
sogenannte Zellclusterbildungen am Defektrand beobachtet. Durch Abrundung der Ränder und „Einfließen“ von Knorpelgewebe („Cartilage-flow-Phänomen“) in den Defekt wird eine Verkleinerung der Läsionen erreicht, aber keine vollständige Auffüllung (BRUNS et al.
1997). Ist der subchondrale Knochen eröffnet, kommt es zusätzlich zur Auswanderung von mesenchymalen Zellen in den Defekt. Dies führt zu einer Narbenbildung und bestenfalls zur Defektauffüllung mit dem mechanisch weniger beanspruchbaren Faserknorpel (BRUNS u.
STEINHAGEN 2000).
Mögliche Ursachen, die zur Schädigung des Gelenksknorpels führen können, werden im Folgenden beschrieben.
2.3.2. Traumatisch bedingte Knorpelschäden
Knorpelschäden können sowohl Folge verschiedener makro- und mikrotraumatischer als auch nichttraumatischer oder nicht sicher geklärter Ursachen sein. Traumatische Läsionen entstehen entweder durch direkte Kontusionen oder indirekt durch Distorsionen oder Luxationen. Eine umschriebene Läsion kann auch durch Mikrotraumen im Sinne von Impulsbelastungen entstehen, die nicht einzeln, aber durch eine hohe Repetition zu einem Defekt führen. Histomorphologisch erfolgt die Unterscheidung von chondralen und osteochondralen Defekten.
Der Initialschaden besteht in der Eröffnung der oberflächlichen Tangentialfaserschicht.
Soweit kein makrotraumatischer Defekt mit Substanzverlust vorliegt, weist die Knorpelschicht zunächst einen erhöhten Flüssigkeitsgehalt auf, wodurch die Kollagenfasern auseinandergedrückt werden und ihre Belastbarkeit verlieren. Am Defektrand bilden sich sog.
Brutkapseln bzw. Chondrozytencluster sowie azelluläre Bereiche. Diese Cluster sind nicht in der Lage, eine regelrechte und mikromorphologisch korrekte Defektauffüllung im Sinne der Regeneration zu gewährleisten. Die Chondrozyten weisen eine erhöhte Stoffwechselaktivität
auf und bewirken eine Steigerung der Grundsubstanzproduktion, um die zerstörte Matrix damit zu ersetzen. Nicht möglich ist es ihnen aber, an den Ort des Geschehens zu gelangen (MARLOVITS u. VÉCSEI 2000). Dies führt zu einer Reparatur, nicht aber zu einer Regeneration. Bei fortschreitender Ausdehnung des oberflächlichen Defektes werden tiefere Schichten eröffnet und die Kollagenfaserarchitektur bis auf die Basalschicht zerstört (MOHR 1983; BUCKWALTER u. MANKIN 1997b). Die durch den Detritus initiierte Synovialitis führt über entzündliche Reaktionen, unter anderem infolge der Aktivität lysosomaler Enzyme und der Verschlechterung der Knorpelernährung durch reduzierte Diffusion, zusätzlich zur Destruktion. Die Chondrozyten weisen in dieser Phase eine verminderte Stoffwechselaktivität auf. Parallel dazu treten Veränderungen am subchondralen Knochen auf, er verliert seine ursprüngliche Elastizität und wird steifer (RADIN u. ROSE 1986).
2.3.3. Osteochondrosis dissecans
Die Osteochondrosis dissecans (OCD) ist eine häufig auftretende Skelettentwicklungsstörung rasch wachsender Hunde mittelgroßer und großer Rassen (Deutsche Dogge, Labrador und Golden Retriever, Neufundländer, Deutscher Schäferhund, Akita, Chow Chow, Boxer, Bull Terrier, Mastiff) im Alter von fünf bis acht Monaten, die sich v. a. an den konvexen Gelenkflächen des Schulter-, Ellbogen-, Sprung- und Kniegelenkes manifestiert. Seltener betroffen sind die Cavitas glenoidalis, der dorsale Azetabulumrand, die distale Radiusgelenkfläche und die Terminalflächen der Wirbelkörper (SLATER et al. 1991;
OLSSON 1993; HARARI 1998; KÁSA et al. 2001).
Sie stellt eine multifaktorielle Erkrankung dar, die in fokalen Fehlern beim Prozess der enchondralen Ossifikation begründet ist und zu degenerativen Veränderungen am Knorpel und subchondralen Knochen führt (GRÖNDALEN 1979; BOUDRIEAU et al. 1983).
Mögliche Ursachen stellen Traumata, genetische Faktoren, schnelles Wachstum, Ischämien, Entzündungen oder Ernährungsfehler dar (EKMAN u. CARLSON 1998; HARARI 1998;
RICHARDSON u. ZENTEK 1998; HANKEMEIER et al. 2003). Chronische Fehl- und Überbelastungen konvexer Gelenkflächen bei Jungtieren führen zu einem Anpassungswachstum der Chondrozyten in den oberflächlichen Schichten des
Gelenkknorpels und bedingen dessen Dickenzunahme. Die damit einhergehende Verlängerung der Transitstrecke zu den tiefer liegenden Chondrozyten führt zu deren Unterversorgung und Degeneration mit nachfolgender Lösung der Verbindungen zwischen den Zellen und der ECM (OLSSON 1993). Dadurch entstehen lockere Bereiche der Knorpel- Knochengrenze, die sich bei mechanischer Belastung zu Zusammenhangstrennungen weiterentwicklen können, so dass sich der Gelenkknorpel flächig von seiner knöchernen Unterlage löst (DÄMMRICH u. LOPPNOW 1990; KÁSA et al. 2001).
Grundsätzlich ist es möglich, den Verlauf der OCD in vier Stadien zu unterteilen. Das Initialstadium (Stadium I) ist durch eine subchondrale Osteonekrose bei noch intaktem Gelenkknorpel gekennzeichnet. Im Stadium II zeigt sich eine sklerotische Abgrenzung des gesunden Knochens zur Nekrosezone, so dass Sklerose und Nekrose unmittelbar nebeneinander zu liegen kommen. Das Eintreten einer spontanen Regeneration ist in diesem Stadium bereits unwahrscheinlich. Das Fortschreiten der Demarkation führt zum Stadium III, der Phase des „Dissekates in situ“. Der integrative Verbund mit dem Knorpel-Knochen- Gewebe der Gelenkfläche geht zunehmend verloren. Löst sich das Dissekat von der knöchernen Unterlage, ist das Stadium IV (Dissekation) der OCD erreicht (STEINHAGEN et al. 2001).
Bei einer sekundären Schädigung des subchondralen Knochens tritt zusätzlich durch den Kontakt mit der Synovia eine Entzündungsreaktion auf (FOX u. WALKER 1993; KÁSA et al. 2001), die sich klinisch in Schmerzen, Lahmheiten und Funktionseinschränkungen des Gelenkes äußert. Die Lösung der Knorpelschuppe verursacht zeitnah arthrotische Veränderungen im Gelenk, so dass nur eine schnelle chirurgische Versorgung zu einer Besserung führen kann (DENNY 1996).
2.3.4. Arthrotische Veränderungen des Gelenkknorpels
Ätiologisch lassen sich zwei Arthroseformen unterscheiden. Die primäre oder idiopathische Arthrose entsteht durch direkte Überanstrengungsschäden, wie intensive Belastung, Sport, hohes Körpergewicht, oder indirekte, relative Überlastung des Knorpels bei endogenen Knorpelveränderungen wie Alterung oder Stoffwechselstörungen. Die sekundäre Arthrose
findet sich bei kongenitalen Dysplasien, nach Luxationen, Osteochondrosen und anderen Entwicklungsstörungen sowie als Folgezustände entzündlicher und nichtentzündlicher Arthropathien wie Fehlstellungen nach Gelenktraumata (KÁSA et al. 2001). Symptome reichen von anfänglich intermittierenden bis später progressiven permanenten Lahmheiten, bishin zur Steifigkeit, die sich im Verlauf einer Belastung, bei kaltem Wetter oder nach längerer Ruhezeit verstärken.
Der Verlauf der Arthroseentwicklung gliedert sich in drei Phasen. Zunächst entsteht durch die Einwirkung akuter oder chronischer Traumata eine Eröffnung der oberflächlichen Tangentialfaserschicht (BRUNS u. STEINHAGEN 2000). Aufgrund der Destabilisierung dieses Netzwerkes kommt es zu einem Verlust von Proteoglykanen mit nachfolgender Verschiebung der Osmolarität und steigendem Wassergehalt. Das Gewebe verliert an Stabilität und Elastizität, es kommt zur Erhöhung der Reibungswiderstände und die Oberfläche rauht auf. Bis zu diesem Punkt ist der Vorgang reversibel, wenn das betroffene Gelenk geschont und die traumatisierende Ursache behoben wird. Geschieht dies nicht, werden in Phase zwei die Chondrozyten aufgrund entzündlicher Prozesse aktiviert.
Einhergehend mit einer Dedifferenzierung der Chondrozyten entstehen Zellcluster durch Proliferation und gesteigerte anabolische Aktivitäten rund um die Fissuren. Es werden vermehrt minderwertige Matrixbausteine und unkontrolliert Knorpel-lysierende Enzyme produziert. Dieser Zustand kann über Jahre andauern und zeigt das Bild einer aktivierten Arthrose. In Phase drei werden die Chondrozyten apoptotisch und das Gewebe geht zugrunde.
Die komplette Knorpelschicht löst sich vom subchondralen Knochen, welcher aufgrund der hohen Reibungswiderstände sklerosiert. Kompensatorisch kommt es zu einer überschießenden Kallusbildung, knöchernen Auswüchsen (Osteophyten) und osteogener Zystenbildung. Die Gelenkflächen werden zunehmend inkongruent (www.endoportal.de).
2.4. Therapieprinzipien
2.4.1. Lavage und Débridement
Diese rein symptomatischen Therapieverfahren (JUBEL et al. 2002) bringen nur sehr kurzfristige Erfolgsraten. Instabile oder freie Knorpelstückchen können mechanische Probleme wie Einklemmung oder Krepitation verursachen. Außerdem induzieren Knorpelverletzungen oft eine Synovitis mit nachfolgendem Gelenkerguss. Nach der arthroskopischen Entfernung instabiler oder abgescherter Knorpelteile erfolgt die Glättung der Knorpelränder und -oberflächen mit Hilfe von scharfen Löffeln oder Messern. Im Anschluss wird das Gelenk von Detritus und Entzündungsmediatoren freigespült. Zwar können Lavage und Débridement die mechanischen und inflammatorischen Symptome zuächst reduzieren, hinsichtlich der langfristigen Wiederherstellung der Gelenkfunktion stellen sie aber insuffiziente therapeutische Maßnahmen dar. Sie führen weder zu einer Stimulation der Regeneration der Gelenkflächen noch halten sie das Fortschreiten des degenerativen Prozesses auf (MARLOVITS u. VÉCSEI 2000; BURKART et al. 2001; GAISSMAIER et al.
2003).
2.4.2. Nutzung des Selbstheilungspotentials des Knorpels sowie des subchondralen Knochens durch knochenmarkstimulierende Therapieverfahren
Um eine Regeneration des Gelenkknorpels und damit die Wiederherstellung der Gelenkoberflächen zu erreichen, gibt es eine Reihe von Therapieverfahren, die sich das Selbstheilungspotential der betroffenen Gewebe zu Nutze machen. Die grundlegende Idee stellt die Nutzung pluripotenter Knochenmarkstammzellen dar, die als primäre undifferenzierte Zellen die Fähigkeit besitzen, sich unter dem Einfluss biologischer und mechanischer Faktoren unter anderem in Knochen oder Knorpel umzuwandeln. Durch die chirurgische Penetration des subchondralen Knochens wird die Vaskularisationszone erreicht und die Bildung eines Fibrinpfropfens hervorgerufen, der die erwünschten pluripotenten Stammzellen enthält. Diese Zellen differenzieren zu faserknorpeligem Ersatzgewebe
(BURKART et al. 2001), das im Sinne eines Regenerates die Funktion des hyalinen Knorpels übernimmt. Folgende Therapieverfahren stehen in diesem Zusammenhang gegenwärtig zur Verfügung:
2.4.2.1. Knorpel-Knochen-Anbohrung nach PRIDIE
Durch das Anbohren des geschädigten Knorpels sowie des sklerosierten subchondralen Knochens bis in die gut durchbluteten spongiösen Areale wird die Ausbildung einer glatten Faserknorpeloberfläche angeregt (PRIDIE 1959). Auf der Oberfläche des Defektes bildet sich durch die Anbohrung ein Fibringerinnsel, das unter anderem pluripotente Stammzellen enthält. Nach der Differenzierung der Zellen beginnen diese, ein knorpelartiges Ersatzgewebe zu bilden, das v. a. Kollagen vom Typ I und – im Gegensatz zum hyalinen Knorpel – deutlich weniger Proteoglykane (1 % im Vergleich zu 7 % Nassgewicht) enthält (ADAMS u. MUIR 1981; ADAMS u. HO 1987). Zudem sind die Proteoglykane durch andere GAG gekennzeichnet. So weist das Ersatzgewebe beispielsweise einen deutlich höheren Gehalt an Dermatansulfat auf (HABUCHI et al. 1973). Dadurch fehlen diesem Gewebe die mechanischen Eigenschaften und die Haltbarkeit des eigentlichen Gelenkknorpels, so dass es nach geraumer Zeit zum Verschleiß kommt und erneute Beschwerden auftreten. Der Nachteil der Anbohrung liegt in der bei fehlender oder ineffizienter Spülung häufig entstehenden Hitzenekrose, die zu einer zusätzlichen Schädigung des subchondralen Knochens führen kann. Als Indikationen für die Anwendung dieses Therapiekonzeptes gelten die OCD und die Osteoarthrose. Von Vorteil ist die einfache Durchführbarkeit ohne aufwendige Zusatzinstrumente. Zudem kann das Verfahren an großen Gelenken arthroskopisch durchgeführt werden. Weitere Folgeeingriffe sind später uneingeschränkt durchführbar (MÜLLER u. KOHN 1999; MARLOVITS u. VÉCSEI 2000; GAISSMAIER et al. 2003;
HANKEMEIER et al. 2003). Die zunächst erreichte Verminderung der Schmerzhaftigkeit sowie die Verbesserung der Gelenkfunktion (SCUDERI et al. 1997) sind jedoch in den meisten Fällen nur von kurzer Dauer (SCHMIDT u. HASSE 1989).
2.4.2.2. Mikrofrakturierung nach STEADMAN
Bei der Mikrofrakturierung werden mit Hilfe einer dornbesetzten Ahle zahlreiche Perforationen in den freiliegenden subchondralen Knochen eingebracht. Durch die konische Form des Dorns entstehen randständig an den Löchern feine Fissuren, aus denen zusätzlich Blut aus dem Knochenmark treten kann. Im Gegensatz zur PRIDIE-Bohrung besteht bei diesem Verfahren nicht das Risiko einer zusätzlichen Hitzenekrose (STEADMAN et al. 1997;
PÄSSLER 2000). Nach MARLOVITS u. VÉCSEI (2000) sowie BURKART et al. (2001) sind drei bis vier Perforationen pro Quadratzentimeter (cm²) nötig, die eine Tiefe bis vier Millimeter (mm) erreichen. Dadurch sollen lediglich Mikrofrakturen der Trabekel auftreten, ohne eine weitere Knochenzerstörung hervorzurufen. Das entstehende Blutkoagel bleibt an der rauhen Oberfläche des subchondralen Knochens hängen. Die darin befindlichen unspezifischen Zellen differenzieren sich und bilden ein fibröses Narbengewebe, das auch hier überwiegend aus Kollagen Typ I-haltiger Matrix besteht. Als Indikation gelten alle bis auf den Knochen reichenden Knorpeldefekte, v. a. in der Belastungszone der Femurkondylen oder im Bereich der femoropatellaren Kontaktzone (PÄSSLER 2000; BERNHOLT u.
HÖHER 2003). Bei Vorliegen einer OCD bei noch offenen Wachstumsfugen werden deutlich bessere Ergebnisse erreicht als nach der Skelettreife (GAISSMAIER et al. 2003).
Die kurz- und mittelfristigen Ergebnisse zeigen eine verbesserte Schmerzsituation und Beweglichkeit des betroffenen Gelenkes. In Abhängigkeit von der einwirkenden Belastung und v. a. bei größeren Knorpelschäden wird der entstehende Faserknorpel aber aufgrund seiner deutlich schlechteren biomechanischen Eigenschaften wieder abgetragen und die Knorpeldegeneration schreitet fort. In Nachuntersuchungsstudien über einen Zeitraum von zwei bis fünf Jahre post operationem zeigten etwa ein Viertel der Patienten eine erneute Verschlechterung der klinischen Situation (STEADMAN et al. 1999; PÄSSLER 2000;
GAISSMAIER et al. 2003).
2.4.2.3. Abrasionsarthroplastik nach JOHNSON
Bei der Abrasionsarthroplastik nach JOHNSON (1986) wird der Knorpeldefekt bis zum angrenzenden gesunden Knorpel débridiert und der subchondrale Knochen mit Hilfe eines Bohrers oberflächlich abgetragen bis breitflächig punktförmige Blutungen aus dem vitalen Knochen hervortreten. Das anfänglich fibröse Ersatzgewebe wandelt sich nach ca. vier bis sechs Monaten in faserknorpeliges Gewebe um (JOHNSON 1986; GOYMANN 1999;
BURKART et al. 2001; HANKEMEIER et al. 2003). Eine Verbesserung der klinischen Ausgangssituation wird je nach Studie bei 60 (FRIEDMAN et al. 1984) bis 75 % der Patienten angegeben (JOHNSON 1986).
Die Gesamtheit der knochenmarkstimulierenden Therapieverfahren führen zur Ausbildung eines faserknorpeligen Ersatzgewebes, dass aufgrund seiner schlechter ausgeprägten druckelastischen Eigenschaften im Vergleich zum hyalinen Knorpel den einwirkenden Kräften im Gelenk weniger standhalten kann. Zusammenfassend zeigen etwa ein Viertel der Patienten nach geraumer Zeit keine Verbesserung der Problematik, so dass andere Therapieverfahren, die die Fähigkeit zur Regeneration eines hyalinen Knorpelgewebes aufweisen sollen, entwickelt wurden.
2.4.3. Transplantation von Geweben und Zellen
2.4.3.1. Periost- / Perichondriumtransplantation
Periostales oder perichondrales Gewebe kann aufgrund seines chrondrogenen Potentials, welches die Regeneration von Gelenkknorpelschäden prinzipiell möglich macht, zur Behandlung von Knorpeldefekten verwendet werden (O´DRISCOLL 1999). Dieses Potential beruht auf der Fähigkeit der mesenchymalen Stammzelle, die die Vorläuferzelle bei der Entwicklung des Skelettsystems bildet, sich unter bestimmten physikalischen und biochemischen Bedingungen in Knorpel oder Knochen umzuwandeln (MARLOVITS u.
VÉCSEI 2000). Folglich kann der hyaline Knorpel sowohl aus perichondralen als auch aus periostalen Gewebselementen entstehen. Die Richtung der Differenzierung zu Knorpel oder
Knochen hängt dabei wesentlich mehr von der Umgebung als vom Phänotyp der Zelle ab (RITSILÄ et al. 1994).
Als Periostentnahmestelle eignet sich v. a. die mediale Tibiafläche. Die Kambiumschicht weist neben der osteogenen auch eine chondrogene Potenz auf. Bisher gibt es allerdings nur wenige Berichte über eine klinische Anwendung (NIEDERMANN et al. 1985; KORKALA u.
KUOKKANEN 1991). Die Entnahme von Perichondrium erfolgt an der sternumnahen kaudalen Rippe. Bestehend aus Stratum fibrosum und Stratum cellulare, besitzt dieses Gewebe die Fähigkeit, unter speziellen Bedingungen Knorpelgewebe zu synthetisieren und Kollagen Typ II zu produzieren (BRUNS et al. 1992; COUTTS et al. 1992). Die Fixierung der Periost- bzw. Perichondriumtransplantate im Defekt erfolgt mit Hilfe von Fibrinkleber oder Fixationsnähten. Post operationem erfolgt zunächst die Auffüllung des Defektes mit einem aus einer Mischung von faserigem und hyalinem Knorpel bestehenden Ersatzgewebe (MARLOVITS u. VÉCSEI 2000).
O´DRISCOLL u. SALTER (1986) wiesen nach, dass mit autologen Periostlappen behandelte osteochondrale Defekte in Kniegelenken von Hasen unter Bildung von hyalinem Knorpel ausheilten. Dieser bestand zu über 90 % aus Kollagen Typ II, physiologischem Wassergehalt, Proteoglykanen, Chondroitin und Keratansulfat. Im Vergleich zu einer Kontrollgruppe ohne passive Mobilisierung zeigten dabei Gelenke, die mit einer passiven Bewegungsschiene bewegt wurden, eine deutlich gesteigerte Chondrogenese. Auch nach der Einbringung von Rippenperichondrium in einen Knorpeldefekt konnten sowohl HOMMINGA et al. (1990) als auch RITSILÄ et al. (1994) eine Differenzierung zu hyalinem Knorpel nachweisen.
Schwierigkeiten bei der Anwendung von perichondralem Gewebe stellen die nur sehr begrenzt zur Verfügung stehenden Mengen dar, ein möglicherweise überschießendes Transplantatwachstum, die mangelhafte Bindung zwischen Knorpel und subchondralem Knochen sowie die Ossifikationstendenz des Transplantates (BURKART et al. 2001).
Nachdem sowohl nach der Transplantation von Periost als auch von Perichondrium postoperativ zunächst gute Ergebnisse erzielt werden konnten, erbrachten Langzeitergebnisse deutlich schlechtere Befunde, z. B. in Form von Transplantatverkalkungen und Osteoarthrosen (MARLOVITS u. VÉCSEI 2000). GAISSMAIER et al. (2003) beschrieben im weiteren Verlauf häufig die Entstehung von enchondralen Ossifikationen in den Transplantaten und vermuteten die Ursache in der ursprünglich osteoblastär geprägten
Differenzierungsneigung von Vorläuferzellen dieser Herkunft. Im Rahmen ihrer Nachuntersuchungen konnten sie keine Bildung von hyalinem Knorpel nachweisen. Ebenso konnten BOUWMEESTER et al. (1997) nach Anwendung von Perichondrium und ANGERMANN et al. (1998) nach Anwendung von Periost zwar eine kurzfristige Besserung der Beschwerden bei den Patienten erreichen, nicht aber die Bildung von hyalinem oder hyalinähnlichem Knorpel.
2.4.3.2. Mosaikplastik / osteochondrales autologes Transfersystem
Anstelle der Transplantation von Geweben mit chondrogenem Potential, wie Periost oder Perichondrium, wird bei der Mosaikplastik bzw. dem osteochondralen autologen Transfersystem (OATS) intakter hyaliner Knorpel transplantiert. Dafür werden Knorpel- Knochen-Zylinder aus gering belasteten Knorpelarealen des Gelenkes entnommen und anschließend in die Knorpeldefekte der Belastungszonen transplantiert. So wird eine vollständig ausgebildete und funktionell intakte Knorpelmatrix zur Verfügung gestellt.
Die gewonnenen Knorpel-Knochen-Spenderzylinder sollten in ihrem Durchmesser etwa 0,3 mm größer als dass entsprechende Aufnahmebett sein, da nur so der Sitz des Transplantates im Sinne einer „Press fit“-Technik ohne zusätzliche Fixation gewährleistet werden kann. Um die Gefahr der Zylindernekrose zu vermeiden, sollte eine Mindestlänge von 8 mm für die Spenderzylinder nicht unterschritten werden.
Die zylindrische Form der Transplantate erlaubt keine 100 %ige Auffüllung des Defektes.
Durch die Kombination unterschiedlich großer Spenderzylinder konnten HANGODY et al.
(2004) aber eine 90 bis nahezu 100 %ige Defektauffüllung erreichen (Abb. 3).
Abb. 3: Schematische Darstellung der Mosaikplastik mit Knorpel-Knochen- Spenderzylindern unterschiedlichen Durchmessers
Während im Bereich des spongiösen und subchondralen Knochens die Einheilung stattfindet, bleibt diese auf Knorpelniveau aus. Stattdessen wird der verbleibende Hohlraum zwischen transplantiertem und ortsständigem Knorpel mit Faserknorpel aufgefüllt, der einen geringen Gehalt an Proteoglykanen aufweist und auch nach der Inkorporation deutlich abgrenzbar bleibt.
Die Mosaikplastik findet v. a. Anwendung am Knie-, Ellbogen- und Schultergelenk sowie am Talus. Als Indikationen gelten dabei bis zu drei mal zwei Zentimeter (cm) große Defekte und subchondrale Nekrosen mit einer maximalen Tiefe von 10 mm, die infolge Trauma, OCD oder Osteonekrosen entstehen können (BURKART et al. 2001; BENTLEY et al. 2003;
HANGODY et al. 2004). Für Defekte größeren Ausmaßes steht in der Regel kein Spendermaterial in ausreichender Menge zur Verfügung.
Als absolute Kontraindikationen gelten Neoplasien, Infektionen, rheumatoide oder generalisierte Arthritiden, Defektgrößen von mehr als 6 cm² und 10 mm Tiefe, intraartikuläre Frakturen oder multiple Läsionen. Eventuell vorhandene Band- oder Meniskusschäden sollten gleichzeitig korrigiert werden (HANGODY et al. 2004; COONS u. BARBER 2005).
Als Hauptproblem der Mosaikplastik gilt die Inkongruenz der Knorpeloberfläche, da die zu transplantierenden Zylinder aus einem Bereich des Gelenkes mit einer anderen Oberflächenkontur stammen. Weitere Schwierigkeiten ergeben sich bezüglich der Langzeitstabilität und Integration des Spendermaterials im Empfängerbett. Die Lebensfähigkeit der Chondrozyten an den Rändern der Knorpel-Knochen-Zylinder ist wichtig für den Langzeiterfolg, denn die Abwesenheit von Matrix-produzierenden Zellen im Bereich
Knorpeldefekt
Spenderzylinder mit unterschiedlichen Durchmessern
der Knorpel-Knorpel-Berührung macht eine Integration des implantierten Knorpels unwahrscheinlich. Das Fehlen einer natürlichen Einheilung führt über nutritive und funktionelle Limitierungen zur fortschreitenden Gewebedegeneration (MARLOVITS u.
VÉCSEI 2000; GAISSMAIER et al. 2003; HUNTLEY et al. 2005). Weiterhin muss in Langzeitstudien noch bewiesen werden, ob Knorpelgewebe aus weniger belasteten Arealen den hohen mechanischen Ansprüchen der Hauptbelastungszonen der Gelenke standhalten kann. Im Bereich der Hauptlastzone kann es nach FRANK (2003) durch die stärkeren und ungewohnten Krafteinwirkungen zur Auffaserung des transplantierten Knorpels und nachfolgend zum Verlust an hyalinem Gelenkknorpel kommen.
In der von BURKART et al. (2001) durchgeführten Studie zeigten die Patienten eine vollständige Inkorporation und Vitalität sowie eine gute Oberflächenkongruenz der Transplantate. Deutlich schlechtere Ergebnisse erzielten BENTLEY et al. (2003) bei Langzeituntersuchungen, die nach einem Jahr eine Verschlechterung bei über 30 % der Patienten nachwiesen. SZERB et al. (2005) berichteten in ihrer Langzeitstudie ebenfalls über zunächst gute bis exzellente Ergebnisse, die sich aber im Laufe der Zeit verschlechterten.
2.4.3.3. Posteriorer Femurkondylentransfer / Mega-osteochondrales autologes Transfersystem
Indikationen für den posterioren Femurkondylentransfer bzw. das Mega-osteochondrale autologe Transfersystem (Mega-OATS) stellen ausgedehnte Knorpeldefekte im gewichtstragenden Bereich des lateralen oder medialen Femurkondylus dar, bei denen das OATS-Verfahren nicht mehr möglich ist, weil die Größe der zur Verfügung stehenden Spenderareale unzureichend ist. Der posteriore Femurkondylus wird dafür entlang der Femurlängsachse scharf abgetrennt (Abb. 4) und auf die Größe des Knorpeldefektbettes zurechtpräpariert. Nachdem zunächst eine provisorische Fixation des Transplantates im Knorpeldefekt mit Hilfe von Kirschner-Bohr-Drähten stattfindet (Abb. 5), erfolgt die eigentliche Befestigung mittels Kleinfragmentschrauben (Abb. 6), die in einer zweiten Sitzung nach ca. sechs Wochen wieder entfernt werden müssen.
Abb. 4 Abb. 5 Abb. 6
Abb. 4: In Beugestellung des Kniegelenkes Entnahme des posterioren Kondylus parallel zur Femurlängsachse (IMHOFF et al. 1999).
Abb. 5: Temporäre Fixation des zu transplantierenden posterioren Kondylus mit Hilfe eines Kirschner-Bohr-Drahtes (IMHOFF et al. 1999).
Abb. 6: Fixation des Kondylustransplantates mit Kleinfragmentschrauben (IMHOFF et al. 1999).
Im Rahmen der Weiterentwicklung zum Mega-OATS-Verfahren wird der posteriore Femurkondylus in einer sog. „work station“ auf die zuvor mit einer speziellen runden Größenschablone ausgemessene Defektgröße zurechtgefräst, so dass das Transplantat press-fit und somit ohne zusätzliche Fixation eingesetzt werden kann (IMHOFF et al. 1999). Die Einheilung des Transplantates erfolgt in der Regel problemlos (BURKART et al. 2001;
HANKEMEIER 2003). In der 1964 veröffentlichten Studie konnte WAGNER über gute Ergebnisse bei 70 % der Patienten in den ersten zwei bis fünf Jahren berichten. BRUCKER et al. (2002) erreichte drei Monate post operationem eine Verbesserung der Schmerzsymptomatik bei 90 % der Patienten.
Aufgrund der erheblichen Komorbidität an der Entnahmestelle und der Gefahr der Gelenkinstabilität durch den Verlust des posterioren Femurkondylus sollte die Anwendung dieses Verfahrens jedoch nur erfolgen, wenn alternative Techniken aufgrund der Größe und Tiefe des Defektes nicht möglich sind (BRUCKER et al. 2002; GAISSMAIER et al. 2003).
2.4.3.4. Autologe Chondrozytentransplantation
Nach MARLOVITS et al. (2004b) gelten als Grundvoraussetzungen für die autologe Chondrozytentransplantation (ACT) eine erhaltene Knorpelschulter, ein unverletzter Umgebungsknorpel, eine intakte korrespondierende Gelenkfläche, unbeschädigte Menisken, maximal zwei voneinander unabhängige Defekte, eine intakte Bandführung und physiologische Gliedmaßenachse sowie die freie Beweglichkeit des Gelenkes. Die ACT besteht im Wesentlichen aus drei Einzelschritten. Zunächst wird dem Patienten Knorpelgewebe aus einem Gelenkareal außerhalb der Belastungszone entnommen. Die Freisetzung der Chondrozyten aus der Biopsie erfolgt durch mechanische Zerkleinerung und enzymatische Andauung der ECM. Anschließend werden die Zellen in In-vitro-Verfahren expandiert und nach Erreichen einer definierten Anzahl in eine Zellsuspension überführt. Im Rahmen eines Zweiteingriffs erfolgt über eine Arthrotomie die Präparation des Knorpeldefektgrundes, ohne eine Verletzung des subchondralen Knochens hervorzurufen, und die Glättung der Knorpelränder bis zu den intakten angrenzenden Knorpelarealen.
Anschließend wird der Defekt mit Hilfe eines Periostlappens abgedeckt, der meist von der proximalen medialen Tibiafläche gewonnen wird. Die Chondrozytensuspension wird durch die Abdeckung hindurch in die Defektzone injiziert. Im Anschluss wird für einen Zeitraum von ca. sechs Wochen maximal eine Teilbelastung für das betroffene Gelenk empfohlen (BURKART et al. 2001; PETERSON et al. 2002; DOROTKA et al. 2004; MARLOVITS et al. 2004; REDMAN et al. 2005).
Mögliche Komplikationen stellen Adhäsionen oder Arthrofibrosen, hypertrophe Veränderungen oder das Versagen des Transplantates sowie Entzündungen dar (BURKART et al. 2001; DOROTKA et al. 2004; MARLOVITS et al. 2004). Die Transplantathypertrophie tritt dabei am häufigsten auf, ist in der Regel aber arthroskopisch gut korrigierbar (GAISSMAIER et al. 2003).
Die In-vitro-Zellvermehrung führt nachweislich nach einem gewissen Zeitraum zu einer Dedifferenzierung der Chondrozyten (STARK et al. 1998). Unklar ist somit, ob die chondrogene Potenz des Implantates den kultivierten Knorpelzellen oder dem Periost zugeschrieben werden muss (BRITTBERG et al. 1994). Verschiedene Studien zeigten, dass die Transplantation von Periost ebenfalls zu einer Defektauffüllung führt, auch ohne
vorherige Beimpfung mit kultivierten autologen Chondrozyten (O´DRISCOLL u. SALTER 1986; MARLOVITS u. VÉCSEI 2000).
Der klinische Vergleich von ACT und Mosaikplastik ein Jahr post operationem erbrachte nach BENTLEY et al. (2003) in beiden Fällen gute bis exzellente klinische Ergebnisse ohne signifikante Unterschiede. Kontrollarthroskopien nach dem gleichen Zeitraum zeigten allerdings, dass 82 % der Patienten mit durchgeführter ACT eine sehr gute Defektauffüllung aufwiesen, im Vergleich zu 34 % bei der Mosaikplastik. BRITTBERG et al. (1999) konnten in 73 % der Fälle nach durchgeführter ACT die Ausbildung von hyalinem Knorpel nachweisen. Im Gegensatz dazu zeigten die zwei Jahre nach der Transplantation autologer Chondrozyten entnommenen Gelenkknorpelbiopsien in der Studie von HORAS et al. (2003) Faserknorpel auf.
Nachteile der ACT sind die hohen Kosten des Verfahrens, die notwendigen zweizeitigen Eingriffe, die lange Entlastungsphase post operationem, die eine erhebliche Belastung für den Patienten darstellt, und die mögliche Schädigung des umliegenden gesunden Knorpelgewebes durch die Fixationsnähte des Periostflaps.
Alle diese Transplantatverfahren führen oftmals zur Auffüllung der Knorpeldefekte durch den deutlich weniger druckbelastbaren Faserknorpel anstelle des erwünschten hyalinen Knorpels.
Die häufig notwendigen Fixationsnähte, die das Anheften des Transplantates am umliegenden gesunden Knorpelgewebe sicherstellen sollen, führen oft zu einer zusätzlichen Schädigung.
Weiterhin bewirkt die autologe Transplantation von Knorpel-Knochen-Stanzen, Periost oder Perichondrium eine erhebliche Komorbidität an der Entnahmestelle und bedeutet eine zusätzliche Belastung für den Patienten. Daher geht man dazu über, die autologen Transplantate durch biologische Materialien zu ersetzen. Als eine Modifikation z. B. der ACT wurde der Periostflap durch resorbierbare Biomaterialien ersetzt, wobei gegenwärtig hauptsächlich Kollagenmembranen Anwendung finden (MARLOVITS et al. 2004;
BARTLETT et al. 2005). Dadurch konnten sowohl die Inzidenz der Komorbidität an der Entnahmestelle des Periostflaps als auch die der Transplantathypertrophie gesenkt werden. In einer weiteren Abwandlung werden Biomaterialien eingesetzt, die als Trägersubstanzen für Zellen dienen können, und direkt und ohne weitere Abdeckung in den Knorpeldefekt eingebracht werden. Diese werden im Folgenden beschrieben.
2.5. Einsatz von Biomaterialien bei der Behandlung von Gelenkknorpeldefekten
2.5.1. Transplantateigenschaften
Für den Einsatz eines Stoffes als Biomaterial, das als Transplantat zur Behandlung chondrogener Defekte eingesetzt werden soll, gelten verschiedene Eigenschaften als Grundvoraussetzung (RUDERT u. WIRTH 1998; SOLCHAGA et al. 2000; HUNZIKER 2002; PARK et al. 2005; REDMAN et al. 2005; STARK et al. 2006). Dazu zählen:
1) Interkonnektierende Porosität
Um die Migration von Zellen in das Biomaterial zu ermöglichen, ist ein hohes Maß an interkonnektierender Porosität nötig. So werden eine ausreichend große Oberfläche für die Interaktion zwischen den Zellen und dem Biomaterial geschaffen, genügend Zwischenräume für die Regeneration von ECM bereitgestellt und eine minimale Diffusionsbarriere während der In-vitro-Kultur gebildet.
2) Biodegradierbarkeit
Idealerweise dient das Trägermaterial als Startermatrix, die solange erhalten bleibt, bis die Zellen die eigene und somit autologe extrazelluläre Matrix deponiert haben. Bis zu diesem Zeitpunkt soll die Matrix die gewünschte Organstruktur vorgeben und aufrechterhalten. Die Biodegradierbarkeit des Trägermaterials kann u. a. durch seine Dichte bzw. durch die Art seiner Quervernetzung bestimmt werden (REICHMANN et al. 2005). Durch die Steuerbarkeit der Degradationsrate egalisiert sich die Regenerationsrate des gewünschten Gewebes.
3) Biokompatibilität
Die Verträglichkeit zum körpereigenen Gewebe stellt sicher, dass keine Abstoßungsreaktionen stattfinden. Weder das Transplantatmaterial noch dessen Degradationsprodukte sollten eine entzündliche Reaktion oder Toxizität in vivo erzeugen.
4) Verfügbarkeit
Das Material sollte reproduzierbar in eine dreidimensionale Struktur gebracht werden können.
5) Biomechanische Stabilität
Nur eine gewisse strukturelle und biomechanische Stabilität erlaubt den Einsatz eines Biomaterials zur Behandlung chondraler Defekte in vivo. Einwirkende Kräfte sollten nicht zur unmittelbaren Zerstörung des Materials führen.
6) Strukturelle Eigenschaften der Oberfläche
Die Oberflächenstruktur soll die Anheftung, Proliferation und Differenzierung von Zellen erlauben und unterstützen.
2.5.2. Natürliche Trägermaterialien
Natürliche Trägermaterialien sind i. d. R. biokompatibel, biodegradierbar und setzen sich aus den strukturgebenden Bestandteilen physiologischer Gewebe zusammen (z. B. Kollagen, GAG). Die geringe mechanische Stabilität, unkontrollierte Degradationsraten, Sterilisationsschwierigkeiten und die damit in Zusammenhang stehende mögliche Übertragung von Pathogenen schränken deren Anwendung ein (WANG et al. 2005). Häufig finden sie Gebrauch in Form von Composites (z. B. Kombination mit synthetischen Biomaterialien) oder chemischen Modifikationen, woraus jedoch zytotoxische Effekte und eine reduzierte Biokompatibilität resultieren können (KARAGEORGIOU u. KAPLAN 2005).
Zu den natürlichen Trägermaterialien zählen unter anderem Fibrin, Kollagen, Hyaluronsäure, Alginat, Agarose, Chitosan und Seide, die als wesentliche Biomaterialien im Rahmen der Chondro-Reparation im Folgenden beschrieben werden.
2.5.2.1. Fibrin
Dieses auf einer Proteinbasis basierende Polymer gehört zu den natürlichen Komponenten des intravaskulären Raumes. Das biokompatible und biodegradierbare Fibrin erleichtert und fördert die Gewebsheilung durch die Erhaltung der Entzündung, die Induktion des eigenen Abbaus und die Substitution durch zelluläre Komponenten aus dem extravaskulären Raum. Es weist einen hohen Gehalt an Fibronektin auf, das als essentielles Protein in der Knorpelmatrix für die Interaktion zwischen Zellen und ECM sorgt. Die Abbauprodukte des Fibrins sind physiologisch und somit nicht-toxisch, allerdings wurden immunologische Reaktionen beobachtet (HAISCH et al. 2000; FRENKEL u. DI CESARE 2003). Aufgrund seiner schlechten mechanischen Eigenschaften und der schnell stattfindenden Degradation kann das Fibrin keine stabilisierende Funktion übernehmen (FRENKEL u. DI CESARE 2003; PARK et al. 2005).
Bei Gelenkknorpelschäden konnte in verschiedenen Tierversuchen keine Unterstützung oder Verbesserung des Heilungsprozesses durch die Anwendung von Fibrin beobachtet werden (VAN SUSANTE et al. 1998; FRENKEL u. DI CESARE 2003), während HENDRICKSON et al. (1994) bei 61 % der behandelten Defekte Kollagen vom Typ II nachwiesen, im Vergleich zu 25 % bei den Kontrolldefekten.
Um die weniger vorteilhaften Eigenschaften auszugleichen, wird Fibrin häufig in Form von Composites (z. B. mit Kollagen, Alginat) angewandt. Bei der Kombination mit Hyaluronsäure übernimmt diese die Zellanheftung, Proliferation und Differenzierung, während das Fibrin für eine einfache und sichere Fixation sorgt und die Interaktionen zwischen Zellen und ECM sicherstellt (PARK et al. 2005).
2.5.2.2. Kollagen
Im Rahmen vieler In-vitro-Studien wurde bisher das Zellverhalten von Chondrozyten oder mesenchymalen Stammzellen auf dem Trägermaterial Kollagen untersucht (TOOLAN et al.
1996; NEHRER et al. 1997). Die natürliche adhäsive Oberfläche und die im Kollagen enthaltenen biologischen Informationen, die die Zellaktivität beeinflussen, fördern die
Zellanheftung und das -wachstum. Nach der autologen Implantation dieses Biomaterials ist keine Irritation des umliegenden Gewebes nachweisbar, die Abbauprodukte sind physiologisch und daher nicht-toxisch (STARK et al. 2006).
DE FRANCESCHI et al. (2005) untersuchten Träger aus equinem Kollagen vom Typ I und verglichen die Heilung chondraler Defekte nach Implantation des Trägers mit und ohne Chondrozyten sowie bei Leerdefekten. Während nach drei Monaten keine Gewebsbildung in irgendeiner Gruppe nachgewiesen werden konnte, zeigte sich nach sechs Monaten neugebildetes Gewebe mit fibrokartilaginärem Charakter nur beim zellbesiedelten Träger.
Sowohl WILLERS et al. (2005) als auch LUBIATOWSKI et al. (2006) konnten bei Membranen aus Kollagen Typ I und III eine Stimulation zur Bildung von hyalinartigem Knorpel nachweisen. Die Behandlung chondraler Defekte führte nach Implantation von zellbesiedelten Membranen nach sechs Wochen zur Produktion von Gelenkknorpel mit glatten und intakten Oberflächen, während unbehandelte Defekte eine Auffüllung mit Faserknorpel oder fibrösem Gewebe mit oberflächlichen Unregelmäßigkeiten erfuhren.
NEHRER et al. (1997) untersuchten die Auswirkungen verschiedener Kollagentypen auf die Besiedlung mit Chondrozyten. Während bei der Anwendung von Kollagen Typ II 70 % der Chondrozyten die kugelige Form des chondrozytären Phänotyps reexprimierten, wiesen die meisten Zellen bei Anwendung von Kollagen Typ I eine fibroblastenartige, langgestreckte und abgeflachte Morphologie auf.
Die schnelle Degradationsrate, die alle natürlichen Trägermaterialien aufweisen, schränkt nach WANG et al. (2005) die Anwendung von Kollagen als Biomaterial zur Behandlung von Gelenkknorpeldefekten ein. JANSSON et al. (2000) schätzen die Anwendung als Trägerkonstrukt sogar als ungeeignet ein, weil Kollagene innerhalb einer Knorpelschicht nicht abgebaut werden können und demzufolge auf Dauer im Gewebe verbleiben. Sie stellen eine präformierte, nicht im Sinne des hyalinen Knorpels strukturierte und damit als ungünstig zu bewertende Kollagenstruktur dar. Nach FRENKEL u. DI CESARE (2003) sowie WILLERS et al. (2005) kann durch die Implantation einer chondrozytenbesiedelten Kollagen-Matrix in chondrale Defekte die Bildung von hyalinartigem Knorpel stimuliert werden, dessen biochemische und mechanische Eigenschaften dem natürlichen Gewebe entsprechen.
2.5.2.3. Hyaluronsäure
Die Hyaluronsäure, ein GAG der extrazellulären Matrix des Knorpelgewebes, zeichnet sich durch ihre hervorragende Biokompatibilität und Biodegradierbarkeit aus. Die für den Einsatz in der Knorpelregeneration notwendigen physiko-chemischen und strukturellen Eigenschaften werden allerdings nur durch Quervernetzungen oder Esterverbindungen erreicht. Diese Modifizierung des Biomaterials führt zu einer Verminderung der Biokompatibilität (GOA u.
BENFIELD 1994).
Durch die Anwendung von Hyaluronsäure als Trägergerüst für kultivierte Chondrozyten kann die Bildung von nativem hyalinartigem Knorpelgewebe induziert werden (PAVESIO et al.
2003; NEHRER et al. 2006).
2.5.2.4. Alginat, Agarose
Bei diesen natürlichen Trägermaterialien handelt es sich um Polysaccharide, die aus braunen Algen gewonnen werden. Sie können Anwendung als injizierbares Material oder als Hydrogel finden. Durch den hohen Wassergehalt erlauben sie eine adäquate Diffusion von Nährstoffen und Sauerstoff hin zu den Zellen und von Abfallprodukten und Carbondioxiden weg von den Zellen (SÖNTJENS et al. 2006).
Alginat begünstigt in vitro die Chondroneogenese und den Erhalt des chondralen Phänotyps im 3D-Kultursystem (WONG et al. 2001; HUNZIKER 2002; WANG et al. 2005). So können dedifferenzierte Knorpelzellen in einer Alginat-3D-Kultur redifferenzieren und mesenchymale Stammzellen bei entsprechenden mechanischen Bedingungen zu Chondrozyten differenzieren (HUNZIKER 2002). Durch die schnelle Biodegradation und eingeschränkte Biokompatibilität ist dieses Trägermaterial für die Knorpeltransplantation nicht geeignet (PERKA 2000; WANG et al. 2005). Im Rahmen der Untersuchung von FRAGONAS et al. (2000) konnte bei Kaninchen nach der Implantation dieses Trägermaterials die Auffüllung entsprechender Läsionen durch fibröses Gewebe nachgewiesen werden. Durch die Implantation als Zell-Matrix-Konstrukt werden z. T. starke Fremdkörper- und immunologische Reaktionen induziert (HUNZIKER 2002).
