Behandling av osteochondral Defekter i kanin kneleddet ved implantering av Allogen stamceller i Fibrint Clots
Summary
En eksperimentell teknikk for behandling av osteochondral defekter i kaninens kneleddet er beskrevet. Implantasjonen av allogene stamceller til osteochondral defekter gir en lovende utvikling innen vevsteknologi. Fremstillingen av fibrin-celle-klumper<em> In vitro</em> Tilbyr en standardisert metode for implantasjon.
Abstract
Behandlingen av osteochondral artikulære defekter har vært utfordrende leger i mange år. Jo bedre forståelse av interaksjoner av leddbrusk og subchondral bein de siste årene ført til økt oppmerksomhet til restaurering av hele osteochondral enhet. I forhold til chondral lesjoner regenerering av osteochondral defekter er mye mer kompleks og en langt større kirurgiske og terapeutiske utfordring. Den skadede vevet omfatter ikke bare den overfladiske brusk lag, men også subchondral bein. For dype, osteochondral skade, som det skjer for eksempel med osteokondros dissecans, må den fulle tykkelse av defekten skiftes ut for å gjenopprette den felles overflaten 1.. Kvalifiserte terapeutiske prosedyrer å vurdere disse to forskjellige vev med sine ulike iboende helbredende potensial to. I de siste tiårene har flere kirurgiske behandlingsalternativer dukket opp og har allerede vært klinisk etablert 3 –6.
Autologe eller allogene osteochondral transplantasjoner bestå av leddbrusk og subchondral bein og tillate utskifting av hele osteochondral enhet. Manglene er fylt med sylindriske osteochondral grafts som tar sikte på å gi en sammenfallende hyaline brusk dekket overflaten 3,7,8. Ulempene er begrenset mengde tilgjengelig grafts, donor området sykelighet (for autologe transplantasjoner) og incongruence av overflaten, og dermed anvendelsen av denne metoden er spesielt begrenset for store defekter.
Nye tilnærminger innen tissue engineering åpnet lovende muligheter for regenerativ osteochondral terapi. Den autologe implantasjon av kondrocytter markerte første celle basert biologisk metode for behandling av full tykkelse brusklesjoner og er nå etablert over hele verden med gode kliniske resultater selv 10 til 20 år etter implantering 9,10. Men til daTE, er denne teknikk ikke er egnet for behandling av alle typer av lesjoner som dype defekter som involverer det subkondrale ben 11.
Sandwich-teknikk kombinerer bentransplantering med dagens tilnærminger i Tissue Engineering 5,6. Denne kombinasjon synes å være i stand til å overvinne de begrensninger som sett i osteochondral grafts alene. Etter autologt bentransplantering til det subkondrale defekte området, er en membran sådd med autologe kondrocytter suturert over og letter å matche topologien av graftet med den skadde området. Selvfølgelig må den foregående rekonstruksjon av ben ytterligere kirurgisk tid og ofte til og med en ytterligere operasjon. Videre, til dags dato, er langsiktige data mangler 12.
Tissue Engineering uten ekstra bein pode som mål å gjenopprette den komplekse struktur og egenskaper av innfødte leddbrusk ved chondrogenic og osteogenic potensialet i de transplanterte cellene. However, igjen, er det vanligvis bare bruskvevet som er mer eller mindre regenereres. Ytterligere osteochondral skade trenger en bestemt videre behandling. For å oppnå en regenerering av den lagdelte strukturen av osteochondral defekter, tredimensjonal vevet utviklet produkter sådd med autologe / allogene celler som kan gi en god regenerering kapasitet 11..
Foruten autologe kondrocytter, stamceller (MSC) synes å være et attraktivt alternativ for utvikling av full tykkelse bruskvev. I mange prekliniske in vitro og in vivo studier, har stamceller vises utmerket vev gjenfødelse potensialet 13,14. Den viktigste fordelen med mesenchymale stamceller spesielt for behandling av osteochondral defekter er at de har kapasitet til å differensiere i osteocytter samt chondrocytes. Derfor vil de gjøre det mulig for en flerlags regenerering av defect.
I de senere årene har flere stillasene med osteochondral regenerativ potensial derfor utviklet og evaluert med lovende foreløpige resultater 1,15-18. Videre ble fibrinlim som en celle bærer en av de foretrukne teknikker i eksperimentell bruskreparasjon og har allerede med hell blitt brukt i flere dyrestudier 19-21 til og med første menneskelige forsøk 22..
Følgende protokoll vil demonstrere en eksperimentell teknikk for å isolere stamceller fra en kanin benmarg, for påfølgende spredning i cellekultur og for fremstilling av et standardisert in vitro-modell for fibrin-Cell-klumper. Til slutt vil en teknikk for implantasjon av pre-etablerte fibrin-celle-blodpropp i kunstige osteochondral defekter i kaninens kneleddet bli beskrevet.
Protocol
Representative Results
Discussion
I de siste årene har muligheten for å behandle komplekse artikulære osteochondral defekter – ble med tissue engineering tilnærminger mer og mer attraktivt – for eksempel de som følge av osteochondritis dissecans, osteonekrose og traumer. I de tidligere nevnte patologiske enheter, strekker vevsskade til det subkondrale ben og omfatter to vev kjennetegnet ved forskjellige iboende kapasiteter en helbredende. Det er en økende interesse i rollen som subchondral bein for sykdomsfremkallende prosesser av osteo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette prosjektet ble finansiert av den tyske Research Association (tilskudd HE 4578/3-1) og delvis ved 7RP EU-prosjektet "GAMBA" nMP3-SL-2010-245993.
Materials
| Name of reagent/equipment | Company | Catalogue Number | Comments |
| DMEM | Biochrom AG | F 0415 | |
| FCS | PAN Biotech GmbH | 0401 | |
| Propofol | Fresenius Kabi | ||
| Penicillin/Streptomycin | Biochrom AG | A 2210 | 1,000 units/10 μg/μl in 0.9% NaCl |
| PBS Dulbecco (1X) | Biochrom AG | L1815 | |
| Ethanol (70%) | Merck KGaA | 410230 | |
| Trypan Blue Solution (0.4%) | Sigma-Aldrich | T8154 | |
| Biocoll Separation Sol. | Biochrom AG | L6115 | Isotonic solution Density: 1,077 g/ml |
| Trypsin-EDTA 0.05% | Invitrogen GmbH | 25300-054 | |
| Fentanyl | DeltaSelectGmBH | 1819340 | |
| NaCl solution (0.9%) | BBraun | 8333A193 | |
| Syringes (Injekt) | BBraun | 4606108V | |
| Needles (Sterican) | BBraun | 4657519 | |
| Forceps (blunt/sharp) | Aesculap | ||
| Scissors | Aesculap | ||
| Scalpels | Feather Safety Razor Co | 02.001.30.022 | |
| Pipettes research | Eppendorf | ||
| Bone Cutter | Aesculap | ||
| Tissue culture dishes 100 mm/150 mm | TPP AG | 93100/93150 | Growth area 60.1 mm2/147.8 mm2 |
| Tissue culture flasks 25/75 mm2 | TPP AG | 90025/90075 | 25 mm2, 75 mm2 |
| Centrifuge Tubes (50 ml) | TPP AG | 91050 | Gamma-sterilized |
| CO2 Incubator | Forma Scientific Inc. | ||
| Cell culture laminar flow hood Hera Safe | Heraeus Instruments | ||
| Sterile saw | Aesculap | ||
| Centrifuge Megafuge 2.0 R | Heraeus Instruments | ||
| Hemocytometer | Brand GmbH+Co KG | 717810 | Neubauer |
| Air operated power drill | Aesculap | ||
| TISSUCOL-Kit 1.0 ml Immuno | Baxter | 2546648 | |
| Fibers (4-0 Monocryl, 4-0 Vicryl) | Ethicon | ||
| Spray dressing (OpSite) | Smith&Nephew | 66004978 | Permeable for water vapor |
References
- Kon, E., et al. Novel nano-composite multilayered biomaterial for osteochondral regeneration: a pilot clinical trial. The American Journal of Sports Medicine. 39, 1180-1190 (2011).
- Kon, E., et al. Orderly osteochondral regeneration in a sheep model using a novel nano-composite multilayered biomaterial. Journal of Orthopaedic Research: Official Publication of the Orthopaedic Research Society. 28, 116-124 (2010).
- Hangody, L., et al. Autologous osteochondral grafting–technique and long-term results. Injury. 39, 32-39 (2008).
- Marcacci, M., et al. Arthroscopic autologous osteochondral grafting for cartilage defects of the knee: prospective study results at a minimum 7-year follow-up. The American Journal of Sports Medicine. 35, 2014-2021 (2007).
- Ochs, B. G., et al. Remodeling of articular cartilage and subchondral bone after bone grafting and matrix-associated autologous chondrocyte implantation for osteochondritis dissecans of the knee. The American Journal of Sports Medicine. 39, 764-773 (2011).
- Aurich, M., et al. Autologous chondrocyte transplantation by the sandwich technique. A salvage procedure for osteochondritis dissecans of the knee. Unfallchirurg. 110, 176-179 (2007).
- Williams, R. J., Ranawat, A. S., Potter, H. G., Carter, T., Warren, R. F. Fresh stored allografts for the treatment of osteochondral defects of the knee. The Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 89, 718-726 (2007).
- Szerb, I., Hangody, L., Duska, Z., Kaposi, N. P. Mosaicplasty: long-term follow-up. Bull. Hosp. Jt. Dis. 63, 54-62 (2005).
- Brittberg, M., et al. Treatment of deep cartilage defects in the knee with autologous chondrocyte transplantation. N. Engl. J. Med. 331, 889-895 (1994).
- Peterson, L., Vasiliadis, H. S., Brittberg, M., Lindahl, A. Autologous chondrocyte implantation: a long-term follow-up. Am. J. Sports Med. 38, 1117-1124 (2010).
- Gomoll, A. H., et al. The subchondral bone in articular cartilage repair: current problems in the surgical management. Knee Surg. Sports Traumatol. Arthrosc. 18, 434-447 (2010).
- Steinhagen, J., et al. Treatment of osteochondritis dissecans of the femoral condyle with autologous bone grafts and matrix-supported autologous chondrocytes. Int. Orthop. 34, 819-825 (2010).
- Guo, X., et al. Repair of large articular cartilage defects with implants of autologous mesenchymal stem cells seeded into beta-tricalcium phosphate in a sheep model. Tissue Eng. 10, 1818-1829 (2004).
- Centeno, C. J., et al. Increased knee cartilage volume in degenerative joint disease using percutaneously implanted, autologous mesenchymal stem cells. Pain Physician. 11, 343-353 (2008).
- Niederauer, G. G., et al. Evaluation of multiphase implants for repair of focal osteochondral defects in goats. Biomaterials. 21, 2561-2574 (2000).
- Nagura, I., et al. Repair of osteochondral defects with a new porous synthetic polymer scaffold. J. Bone. Joint Surg. Br. 89, 258-264 (2007).
- Schlichting, K., et al. Influence of scaffold stiffness on subchondral bone and subsequent cartilage regeneration in an ovine model of osteochondral defect healing. The American Journal of Sports Medicine. 36, 2379-2391 (2008).
- Schagemann, J. C., et al. Cell-laden and cell-free biopolymer hydrogel for the treatment of osteochondral defects in a sheep model. Tissue Engineering. Part A. 15, 75-82 (2009).
- Vogt, S., et al. The influence of the stable expression of BMP2 in fibrin clots on the remodelling and repair of osteochondral defects. Biomaterials. 30, 2385-2392 (2009).
- Schillinger, U., et al. A fibrin glue composition as carrier for nucleic acid vectors. Pharm. Res. 25, 2946-2962 (2008).
- Ahmed, T. A., Giulivi, A., Griffith, M., Hincke, M. Fibrin glues in combination with mesenchymal stem cells to develop a tissue-engineered cartilage substitute. Tissue Engineering. Part A. 17, 323-335 (2011).
- Haleem, A. M., et al. The Clinical Use of Human Culture-Expanded Autologous Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells Transplanted on Platelet-Rich Fibrin Glue in the Treatment of Articular Cartilage Defects: A Pilot Study and Preliminary Results. Cartilage. 1, 253-261 (2010).
- Pape, D., Filardo, G., Kon, E., van Dijk, C. N., Madry, H. Disease-specific clinical problems associated with the subchondral bone. Knee Surg Sports Traumatol. Arthrosc. 18, 448-462 (2010).
- Shirazi, R., Shirazi-Adl, A. Computational biomechanics of articular cartilage of human knee joint: effect of osteochondral defects. Journal of Biomechanics. 42, 2458-2465 (2009).
- Jorgensen, C., Gordeladze, J., Noel, D. Tissue Engineering through autologous mesenchymal stem cells. Curr. Opin. Biotechnol. 15, 406-410 (2004).
- Chen, F. H., Tuan, R. S. Mesenchymal stem cells in arthritic diseases. Arthritis Res. Ther. 10, 223 (2008).
- Le Blanc, K., Tammik, C., Rosendahl, K., Zetterberg, E., Ringden, O. HLA expression and immunologic properties of differentiated and undifferentiated mesenchymal stem cells. Exp. Hematol. 31, 890-896 (2003).
