Tissue Engineering des Knochens: Let’s face it

4. August 2016
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Forscher zeigen erstmalig, dass große Knochendefekte im Gesicht mit künstlich gezüchteten Knochen wiederhergestellt werden können. Das Knochengerüst ist hierbei anatomisch exakt an den auszufüllenden Defekt angepasst und mit patienteneigenen Stammzellen besiedelt.

Knochensubstanzdefekte entstehen nach Traumata, Knochenentzündungen und Tumorresektionen. Chirurgen sind in solchen Situationen auf autologe Knochentransplantate angewiesen: Für kleinere Defekte kann die Transplantation geringer Mengen spongiösen Knochens ausreichen, während größere Defekte komplexe mikrochirurgische Gewebsverpflanzung erfordern (z.B. freies Fibula-Transplantat). Die Verfügbarkeit solcher Transplantate ist beschränkt, deren anatomische Anpassung im Empfängersitus aufwendig und nur bedingt möglich sowie mit bedeutsamen Einschränkungen an der Entnahmestelle verbunden. Wissenschaftler fahnden deshalb seit Jahren nach Methoden der künstlichen Knochenzüchtung.

Das Team um Gordana Vunjak-Novakovic, Direktorin des „Laboratory for Stem Cells and Tissue Engineering“ an der Columbia Universität in New York, konnte am klinisch relevanten und realitätsnahen Schweinemodell mit einem Unterkieferdefekt zeigen, dass ein in vitro hergestelltes Knochengerüst sich erfolgreich integrieren lässt. Es kann große Substanzdefekte überbrücken und mechanische Aufgaben übernehmen. Als Modell wählten die Forscher die Einheit aus Ramus und der Condyle des Unterkiefers adulter Tiere aus, weil dieser Knochen besonders starker und repetitiver Belastung ausgesetzt ist.

Bioreaktor mit azellulärem Rinderknochen

Die Wissenschaftler in der aktuellen Studie haben erstmalig ein Knochengerüst produziert, das die exakte anatomische Passform des zu überbrückenden Defekts aufweist. Der Schädel der Tiere wurde mittels CT dargestellt, und die Aufnahmen dienten dazu, einen exakt passenden Bioreaktor für die Ramus-Condyle-Einheit der Tiere zu produzieren. Der Bioreaktor wurde anschließend mit azellulärem Rinderknochen als Gerüst befüllt und das daraus erworbene anatomische Knochengerüst wurde mit den Fettgewebsstammzellen des Empfängers besiedelt. Diese Zellen sind unkompliziert durch Liposuktion zu gewinnen und besitzen osteogenes Potenzial. Weitere Zellen oder Wachstumsfaktoren waren nicht notwendig, und die Knochenformation war innerhalb von drei Wochen vollendet.

Nach der Implantation der Konstrukte durch einen Mund-Kiefer-Gesichtschirurgen wurden die Tiere sechs Monate lang beobachtet. Die Regeneration des Unterkieferdefektes wurde mittels CT verfolgt sowie durch histologische Untersuchungen nach der Explantation ergänzt. Es zeigte sich hierbei, dass die künstlichen Konstrukte die ursprüngliche Form behielten und sich in das Knochengewebe des Empfängers integrierten. Die Forscher beobachteten, dass das eingesetzte Knochengerüst abgebaut und gleichzeitig durch neues Knochengewebe ersetzt wurde. Zudem konnte man die Entstehung einer neuen und stabilen Gefäßversorgung beobachten. Und auch die wichtigste Funktion erfüllten die Konstrukte: Die Tiere konnten problemlos kauen.

Knochen von New York nach Los Angeles

Die Forscher setzten sich auch mit der Problematik der Anwendbarkeit in der Praxis des neu gezüchteten Knochens auseinander. Sie ließen die Fettgewebszellen und das zu implantierende Konstrukt zwischen den beteiligten Zentren in New York und Los Angeles transportieren und haben dadurch die realitätsnahe Situation in der angestrebten zukünftigen klinischen Anwendung getestet: Der Bedarf nach Knochentransplantaten ist überall groß und die Zentren, die Knochenneuzüchtungen durchführen können, werden zunächst nur wenige sein. Es ist daher wichtig, dass der Transport schnell funktioniert, und dass hierbei die Qualität des Gewebes nicht gemindert wird. Die Versorgung von komplexen und akuten Knochendefekten, wie sie bei Patienten nach Traumata oder Tumorresektionen auftritt, wird nur eine geringe Toleranz gegenüber langen und unzuverlässigen Transportwegen haben.

Solche logistischen Überlegungen sind entscheidend für den Erfolg des neuen Verfahrens. Daran arbeitet auch das neu gegründete Unternehmen, an dem Dr. Vunjak-Novakovic beteiligt ist. Das Team der Forscher arbeitet weiterhin an der Entwicklung der Technologie, insbesondere an dem klinisch äußerst relevanten Problem, Knorpel gemeinsam mit Knochen zu ersetzen. Sie sind aktuell im Planungsstadium einer klinischen Studie, für die sie noch Genehmigung der FDA brauchen. Die Studie soll die klinische Anwendung am Patienten untersuchen.

Methode ist effizient und robust

Der thailändische Forscher Sarindr Bhumiratana, Erstautor der Studie, beschreibt das aktuelle Projekt als inspirierend, weil es unmittelbaren Einfluss auf die Zukunft der Menschheit habe. Und Vunjak-Novakovic sagt, die Gewebezüchtung verändere unsere Denkweise über Gewebeersatz und Medikamententestung. In diesen Bereichen sei es heute möglich, Zellen zu züchten und Gewebe herzustellen, in dem wir die biologische Umgebung der Zellen nachahmen.

Die Forscher haben mit dieser Arbeit einen wichtigen Fortschritt für die klinische Anwendung von künstlich gezüchtetem Knochen geleistet. Sie haben nicht nur eine gute Methode der Knochenzüchtung demonstriert, sondern auch gezeigt, dass diese Methode einfach, effizient und robust ist. Es ist durchaus denkbar, dass wir in naher Zukunft in der klinischen Arbeit diese neuen Werkzeuge anwenden werden. So können wir Knochensubstanzdefekte maßgeschneidert, zuverlässiger und für die Patienten weniger traumatisierend, behandeln.

Originalpublikation:

Tissue-engineered autologous grafts for facial bone reconstruction
Bhumiratana S. et. al.; Science Translational Medicine, doi: 10.1126/scitranslmed.aad5904; 2016

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Chirurgie, Forschung, Medizin

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