Autologous mesenchymal stem cell-seeded gene-supplemented collagen scaffolds for articular cartilage tissue engineering
Final Report Abstract
Die Charakterisierung der chondrogenen Potenz mesenchymaler Stammzellen im Ziegenmodell zeigte, dass bei dieser Spezies eine große interindividuelle Variabilität des Differenzierungpotenzials vorlag. Etwa 77% der Spender zeigte eine mäßige bis kräftige Knorpelneubildung trotz standardisierter Entnahme und Kulturbedingungen. Dieses Phänomen wurde bislang in keinem Grosstiermodel beschrieben und es liegen noch keine Daten über die Variabilität im humanen Organismus vor. FGF-2/bFGF zeigte sich nicht nur als günstiger Faktor zur Stimulation der Zellproliferationsrate und der chondrogenen Potenz, erstmals wurden auch Daten erarbeitet, die Hinweise liefern, dass FGF-2 auch die Überexpression von Zielproteinen nach nicht-viraler Gentransfektion steigert. Dies ist insbesondere beim therapeutisehen Einsatz von mesenchymalen Stammzellen bei der Gentherapie zur lokalen Steigerung und Anreicherung eines Zielproteins von wegweisender Bedeutung. Für das Tissue-Engineering mit mesenchymalen Stammzellen konnte im Laufe des Projektes ein biologisch degradierbarer, kollagener Zellträger entwickelt werden, der eine homogene Besiedelung mit MSCs erlaubte und dabei eine knorpelige Differenzierung der Stammzellen zuließ. Erstmals konnte eine Technik entwickelt werden mit der Plasmid-DNA aufgerüstete, „Gen-aktiviert" Kollagen Typ II Matrices hergestellt werden konnten, um einen Matrixassoziierten dreidimensionalen Gentransfer mesenchymaler Stammzellen durchzuführen Das Maximum der Überexpression des Zeilproteins (IGF-1) lag dabei am 12ten Tag. In vitro konnte durch IGF-1 gen-aktivierte Kollagen Typ II Matrices nach Besiedelung mit mesenchymalen Stammzellen eine signifikante Steigerung der chondrogenen Differenzierung erzielt werden. Die extrazelluläre GAG Synthese war dabei signifikant höher als durch Zusatz des rekombinanten Proteins allein. Überraschend war, dass sich nach Implantation von IGF-1 Gen-aktivierten Kollagen Matrices in mikrofrakturierte, rein chondralen Defekte im Ziegenmodel sich nicht wie erwartet eine Steigerung der Regeneratqualität im Sinne von mehr hyalinartigem Regeneratwebe erzielen hat lassen. Es fand sich ein überwiegend faserknorpeliges (51% der Fläche) und bindegewebiges Regenerat. Erstaunlich war, dass im Mittel 19% des Regeneratgewebes aus neu gebildetem Knochen bestand. Vorbehaltlich entsprechende Kontrollen muss vermutet werden, dass die lokale Anreicherung von IGF-1 durch Gen-aktivierte Kollagen Matrices zu einer Steigerung der Knochenneubildung im Knorpelregenerat 16 Wochen nach Implantation führt. Die im Rahmen des Projektes erarbeiteten Daten belegen die prinzipielle Möglichkeit der Verknüpfung von stammzellbasiertem Tissue Engineering und der Gen-Therapie. Mit einem derartigen bioaktiven Implantat könnte in Zukunft eine Regeneration verschiedenster Gewebeschäden durch Auswahl geeigneter Wachstumsfaktoren möglich werden.
Publications
- (2007) Effects of a Regionally-Specific Collagen-Based Implant on Repair of Osteochondral Defects in a Caprine Model. In: World Congress of the International Cartilage Repair Society. Warsaw, Poland
Vickers, S. M., Lynn, A., Gotterbarm, T., Zhang, D., Hsu, H. P., Bonfield, W., Gibson, L., Yannas, I. V., Rushton, N., Spector, M.
- (2007) Effects of Scaffold Cross-linking and Contraction on Stem Cell Differentiation and Chondrogenesis. In: Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society Meeting - North America. Toronto, Canada
Vickers, S. M., Gotterbarm, T., Spector, M.
- (2008) Effects of Autologous Chondrocyte-seeded Type II Collagen Scaffolds on Repair of Chondral Defects in a Caprine Model. In: Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society. San Francisco, USA
Vickers, S. M., Gotterbarm, T., Zhang, D., Schmid, T., Hsu, H. P., Spector, M.
- (2008) IGF-1 Gene-supplemented Type II Collagen Scaffolds for Mesenchymal Stem Cell-driven Chondrogenesis in vitro. In: Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society. San Francisco, USA
Gotterbarm, T., Niska, J., Capito, R. M., Vickers, S. M., Spector, M.
- (2008) Technetium Uptake in Mineralizing Cultures of Marrow-Derived Mesenchymal Stem Cells in Osteogenic Medium. In: Annual Meeting of the Orthopaedic fesearch Society. San Francisco, USA
Grossner, T., Gerbaudo, V., Gotterbarm, T., Spector, M.
