STELLENWERT DER AUTOLOGEN KNORPELZELLTRANSPLANTATION IN DER BEHANDLUNG VON KNORPELDEFEKTEN
Seit Jahrzehnten werden sehr aufwendige Versuche unternommen die ungenügende Regenerationsfähigkeit von Knorpel zu verbessern. Operationsmethoden, wie Bohrung und Abrasionsarthroplastik, zur Behandlung von Knorpeldefekten können nur eine fibrocartilaginäre Vernarbung des Defektes erzielen, wobei der klinische Verlauf und die langfristige biomechanische Belastbarkeit dieses Narbengewebes unvorhersehbar bleibt. Die Implatation von kultivierten, autologen Chondrozyten in chronische Knorpeldefekte erzielte sowohl experimentell, als auch in ersten klinischen Anwendungen eine verbesserte Regeneration von hyalinem Gelenkknorpel. Diese Technik, und noch viel mehr die neuen, in Entwicklung befindlichen, Methoden des "tissue engineerings", werden sicher dazu beitragen, die Prognose in der Behandlung von Knorpeldefekten zu verbessern.
Die Funktion des Gelenkknorpels
Die Funktion und Belastbarkeit von Gelenken im Sport steht in unmittelbarem Zusammenhang mit der intakten Struktur und macromolecularen Integrität des Gelenkknorpels. Veränderungen der Zusammensetzung und Architektur der Gelenkoberfläche durch Trauma oder Überlastung im Sport vermindern die Leistungsfähigkeit des Bewegungsapparates und können zu chronischen Schmerzen und funktionellen Einschränkung führen. Die einzigartige Komposition des hyalinen Gelenkknorpels erfüllt seine Aufgabe in der Gewicht - und Kraftübertragung, sowie als Schockabsorber und Gleitfläche in einem beweglichen Gelenk. Gesundes Knorpelgewebe erneuert seine Struktur ein Leben lang, besitzt einen Selbstschmiermechanismus, der Gleiteigenschaften mit einem Friktionskoeffizienten von einem Fünftel von dem von Eis auf Eis erlaubt, und übertrifft bei weitem mechanische und funktionelle Eigenschaften jeder hochtechnischen, polierten Metalloberfläche eines Gelenkimplantates. Ein schwerwiegendes Defizit und damit auch medizinisches Problem dieses Gewebes liegt in der eingeschränkten Heilungs- und Regenerationsfähigkeit. "Ist der Gelenksknorpel einmal zerstört, gibt es keine Heilung !" wurde von Hunter 1741 festgestellt, und seither von Ärzten und Forschern oft resignierend zur Kenntnis genommen. Während beim älteren Menschen der Gelenkersatz, als eine der erfolgreichsten Behandlungsmethoden in der Orthopädie eine suffiziente Therapie bietet, stehen wir beim jungen, sportlich aktiven Patienten vor einem therapeutischen Problem. Einerseits wird eine möglichst rasche Wiederherstellung der Gelenkfunktion angestrebt, andererseits soll die progressive Gelenksdegeneration unter Ausweitung des Knorpeldefektes, sowie Präarthrosen mit frühzeitiger Einschränkung der Gelenkfunktion vermieden werden. Die Behandlung des Knorpeldefektes beim jungen (< 40a) Patienten stellt daher eine große Herausforderung an die Orthopädie dar. Die Einbeziehung von Zellkultur, molekularbiologischen Methoden und Gentechnologie haben Methoden des "Tissue engineering" in die Behandlung von Knorpeldefekten gebracht.
Wie andere Gewebe setzt sich Knorpel aus Zellen, Matrix und Flüssigkeit mit darin gelösten Regulatoren zusammen. Chondrocyten entwickeln sich aus mesenchymalen Stammzellen und bilden weniger als 5 % des Gewebeanteiles. Sie weisen einen primär anaeroben Stoffwechsel auf, und zeigen meist nur während des Wachstums mitotische Aktivität. Umgeben von Matrix aus Kollagen und Proteoglycanen erscheinen sie isoliert, und sind auf Ernährung durch Diffusion angewiesen (Abb 1). Gelenkknorpel weist keinerlei Gefäß- oder Nervenversorgung auf, und ist alymphatisch. Die eingeschränkte Proliferations- und Migrationsfähigkeit der Chondrocyten, die fehlende Einblutung und damit verbunden , fehlende Invasion von pluripotenten Bindegewebszellen, limitieren die Heilungspotenz dieses Gewebes.
Die Matrix besteht aus Wasser (60- 80 %) und strukturellen Makromolekülen wie Kollagene, Proteoglycane und nicht-kollagene Proteine. Die Quellfähigkeit der Proteoglykane und die stabile, spezifische Faserstruktur der Kollagenfibrillen bewirken einen "Wasserkissen effekt", der die mechanischen und funktionellen Eigenschaften des Knorpels ermöglicht. Schon kleine Veränderungen in der Komposition und Architektur genügen um die Widerstandsfähigkeit und Belastbarkeit dieses Gewebe zu vermindern und eine progressive Degeneration der Gelenkoberfläche zu induzieren. Eine restitutio ad integrum im Knorpelgewebe ist schwer zu erreichen, da einerseits die Zell- und Matrixkomponenten im richtigen Verhältnis vorhanden sein müssen, andererseits die Architektur und Struktur der Gesamtkonstruktion des Gelenkknorpel wiederhergestellt werden muß.
Natürlicher Heilungsverlauf von Knorpeldefekten
Knorpeldefekte werden meist morphologisch beurteilt, was die unterschiedlichen Reparaturvorgänge aber nur ungenügend einbezieht. Von biologischer Seite erscheint folgende Unterteilung sinnvoll: Matrixdefekte ohne Verletzung der Gelenkoberfläche, rein chondrale Defekte ohne Einbeziehung der subchondralen Lamelle und osteochondrale Defekte mit Einblutung aus dem subchondralen Knochen.
Matrixdefekte umfassen Veränderungen der molekularen Struktur im Rahmen stumpfer Traumen und Überlastungen, mit Entleerung von Proteoglycanen und Rupturen der Kollagenfibrillen. Die Chondrozyten weisen in der Folge erhöhte Syntheseraten auf und versuchen den Verlust an Matrixbestandteilen zu kompensieren, was bei limitierter Schädigung zur Wiederherstellung der vollen Funktionsfähigkeit und Struktur führen kann. Im Falle chondraler Defekte wird auf Grund fehlender Blutkoagelbildung kein Reparaturvorgang induziert. Abhängig von Größe und Lokalisation der Defekte, bleibt die Läsion der Gelenkoberfläche entweder weitgehend unverändert bestehen oder der angrenzende Knorpel erleidet Degeneration der Strukturen mit langfristiger Einschränkung der Gelenkfunktion. Kurzfristige Reparaturversuche durch erhöhte Syntheseleistung der angrenzenden Chondrocyten und mitotische Aktivität bleiben meist insuffizient. Keratanhaltige Proteoglycane (Biglycan, Dermatan) an der Defektoberfläche verhindern die Verankerung und Einwanderung von synovialen Zellen.
Schließt die Verletzung des Gelenkknorpels auch die subchondrale Knochenlamelle ein, erfolgt im Zuge der Einblutung die Ausbildung eines Blutkoagulums, das in der Folge zu einer fibrocartilaginären Narbe umgewandelt wird. Während der Defekt des subchondralen Knochens meist vollständig knöchern aufgefüllt wird, bildet sich im knorpeligen Anteil des Defektes teilweise hyalines und faserknorpeliges Mischgewebe. Diese Gewebe kann die mechanischen Eigenschaften von orginärem Gelenkknorpel nicht duplizieren, und je nach Größe und Lokalisation des Defektes, und der Belastung des Gelenkes kommt es zu degenerativenVeränderungen der Strukturen mit folgender Einschränkung der Gelenkfunktion. Entscheidend für die natürliche Heilung von osteochondralen Defekten erscheint die entlastende Mobilisation des Gelenkes, um die Reifung der Knorpelnarbe nicht zu gefährden. Oft aber führt in der Folge Degeneration und mechanische Insuffizienz des Reparaturgewebes zu chronischen Schmerzen des Gelenkes mit synovialem Reizzustand und rezidivierenden Ergüssen.
Operative Behandlung von Knorpeldefekten erzielt keine vollständige Regeneration des Gelenkknorpels
Die direkte operative Behandlung von Knorpeldefekten umfaßte bisher die arthroskopische Knorpelglättung, die Knorpelbohrung nach Pridie, die Abrasionsarthroplastik und die Implantation verschiedener "chondrogener" Gewebe, wie Periosteum und Perichondrium. Ziel der direkten operativen Methoden ist entweder durch Eröffnung der Blutgefäße der subchondralen Lamelle eine Einblutung mit anschließender Vernarbung zu erzielen, oder durch die Verankerung von Periosteum oder Perichondrium chondrogene, pluripotente Stammzellen in den Defekt einzubringen, um eine Knorpelregeneration zu induzieren. Alle diese Methoden können die vollständige Regeneration von Gelenkknorpel nicht erreichen, und führen zu teilweise hyalinem, fibrocartilaginärem Mischgewebe. Die strukturelle Ausbildung und mechanische Qualität dieser Gewebe ist dabei nicht vorhersehbar. Die klinische Prognose ist damit sehr unsicher.
Als indirekte Methoden haben gelenknahe Umstellungs- und Korrekturosteotomien in der Behandlung von Knorpelschäden bewährt, und können besonders bei assozierten Fehlstellungen oft sinnvoll kombiniert werden. Andere Methoden, wie die Implantation von autologen oder allogenen osteochondralen Transplantaten, erbrachte teilweise gute Ergebnisse. L. Hangody und V. Bobics berichten über die Technik der Mosaikplastik, wo aus Randzonen des Kniegelenkes osteochondrale Zylinder entnommen werden und im Pressfit-Verfahren in die Defektzone transplantiert werden.
Mittelfristige Ergebnisse zeigen Erfolgsraten bis zu über 90 %. Probleme mit der Entnahmestelle werden nur in 5 % angegeben, wobei hier langfristige Studien abzuwarten sind. Für ausgeprägte Gelenkdestruktionen werden frische Allografts verwendet. Die Transplantate sind aber nur sehr limitiert verfügbar und oft schwierig zu fixieren, und tragen ein erhöhtes Infektionsrisiko. Die Verwendung von Carbonfaserimplantaten zur Stimulation von Knorpelheilung, erbrachten unterschiedliche klinische Erfolge. Auch hier wird größtenteils fibrocartilaginäres Gewebe gebildet.
Implantation von Knorpelzellen induziert verbesserte Knorpelregeneration
Die enzymatische Isolierung und Kultivierung von Chondrocyten ex vivo ermöglichte die Entwicklung von neuen Implantationsverfahren zur Behandlung von Defekten der Gelenkfläche. Knorpelzellen proliferieren in zweidimensionalen Zellkulturen, nehmen dabei aber einen fibroblastischen Phenotyp an, und verlieren damit die Fähigkeit knorpelspezifisches Typ II Kollagen und Proteoglycan zu produzieren. Unter dreidimensionalen Kulturbedingungen- wie Zellsuspension oder Agarose- wird diese Eigenschaft reaktiviert. Die Knorpelzellen nehmen wieder ihre runde Zellform an, und produzieren knorpelspezifische Matrixbestandteile. Diese Beobachtungen ließen es sinnvoll erscheinen, Knorpelzellen aus autologen Knorpelbiopsien zu gewinnen, und nach Vervielfachung in Zellkultur in einen chondralen Defekt der Gelenkfläche in Form einer Zellsuspension zu reimplantieren. Unter der Prämisse, daß diese Chondrocyten orginäre Knorpelmatrix produzieren, kann eine suffiziente Knorpelregeneration induziert werden, ohne minderwertiges Narbengewebe zu bilden. Um die kultivierten Knorpelzellen im Knorpeldefekt zu fixieren, wird ein freier Periostlappen wasserdicht über den Defekt vernäht, unter dem die Zellsuspension injiziert wird.
Tierexperimentelle Studien konnten eine qualitative und quantitative Verbesserung der Knorpelregeneration in einem Beobachtungszeitraum von 6 Monaten nachweisen. Die mit Periostlappen und autologen Chondrocyten behandelten Defekte zeigten fast vollständige Auffüllung des Defektes mit positivem Nachweis von Kollagen Typ II und knorpelspezifischen Proteoglykanen. In den Einjahresergebnissen konnte dieser signifikante Unterschied zwischen behandelten und unbehandelten Defekten nicht mehr festgestellt werden, da in beiden Gruppen Degeneration des neu gebildeten Gewebes auftrat.
Einer schwedischen Arbeitsgruppe berichtete über eine signifikante klinische Verbesserung nach autologer Knorpelzellimplantation bei einem relativ kleinen Patientenkollektiv. Die Kontrollbiopsien nach einem Jahr an zeigten Einheilung des Periostlappens unter Umwandlung in widerstandsfähiges chondroides Gewebe. Die Ergebnisse differierten aber nach der Lokalisation des Defektes: Patella und Tibiadefekte zeigten ein deutlich schlechteres Ergebnis als Femurdefekte. Zur Zeit wird eine kontrollierte, klinische Multi-Center Studie unter Einbeziehung von arthroskopischen Biopsien des regenerierten Gewebes durchgeführt, um die Effizienz dieser Methode zu sichern. Inzwischen wurden von der schwedischen Arbeitsgruppe unter der Leitung von Lars Peterson mehr als 1000 Patienten mit dieser Methode operiert, wobei die mittelfristige Erfolgsrate für isolierte Defekte am Femurkondyl bei 92 % liegt. Bei Mehrfachdefekten, Kombinationsverletzungen und Defekten im femoropatellaren Gleitlager liegt die Erfolgrate zwischen 72% und 85 %. Die Langzeitverläufe der ersten hundert Patienten zeigen auch gute Haltbarkeit des Ergebnisses bis zu 10 Jahren postoperativ. An der Univ. Klinik für Orthopädie Wien fanden wir bei einem gemischten Kollektiv mit Femur- und Talusdefekte im Einjahresverlauf bei 10 Patienten 9 gute und ein schlechtes Ergebniss. Insgesamt finden wir in allen Studien bis zu 2 Jahre postoperativ eine Verbesserung des klinischen Befundes, was der Reifung des regerierten Gewebes entspricht.
In Praxis werden dem Patient arthroskopisch mit einem Ringkürette kleine Knorpelstücke aus nicht gewichtsbelasteten Arealen der Gelenkfläche des betroffenen Gelenkes steril entnommen. Die Biopsie wird in einem Spezialcontainer an das Zellkulturlabor geschickt, wo innerhalb 48 Stunden die Aufbereitung der Knorpelzellen beginnen muß. Die Chondrocyten (ungefähr 400.000) werden enzymatisch isoliert und in Zellkultur expandiert. Zum Zeitpunkt der Implantation wird eine Zellsuspension mit etwa 12 Millionen Zellen geliefert und in den präparierten Knorpeldefekt eingebracht, der mit einem eingenähten Periostlappen wasserdicht abgedeckt ist. Das Periost wird über eine kleine Hautinzision an der vorderen Tibiakante in entsprechender Größe entnommen. Um eine optimale Fixierung des Lappens zu erreichen wird der Korpeldefekt mit dem Skalpell umschnitten und das vorhandene Narbengewebe bis auf die subchondrale Lamelle vollständig entfernt, wobei Blutungen unbedingt vermieden werden müssen. Die Ränder des Periosteums werden mit der Zirkumferenz des Defektes mit resorbierbarem Nahtmaterial vernäht und mit Fibrin wasserdicht versiegelt.
Die Methode ist durch die beschränkte Verfügbarkeit von Knorpelgewebe zur Kultivierung, die Limitierung der Größe des Periostlappens und die Notwendigkeit einer Arthrotomie eingeschränkt. Die Fixation des Periostlappens und die Herstellung eines wasserdichten Kompartments ist problematisch und bedarf einiger Übung. Postoperativ erfolgt eine Rehabilitation mit Motorschiene und dreimonatiger Entlastung des Gelenkes.
Die Kultivierung von Knorpelzellen von Biopsien wird in den USA und Europa durch mehrere Firmen bereits erfolgreich kommerziell betrieben. Das Operationsverfahren ist sehr kostspielig: pro Patient werden von 5000- 10000 Euro für die Knorpelzellen verrechnet.
Seit 6 Monaten wird an der Orthopädischen Universitätsklink eine neues Verfahren der sogenannten Matrix-assitierten Knorpelzelltransplantation durchgeführt. Hierbei werden die kultivierten autologen Zellen eine Woche vor Implantation auf einem Hyaluronsäureflies (Hyalograft C") angezüchtet und das Vlies mit Fibrin in den Defekt geklebt (Abb. 2). Dieses Verfahren wurde in Italien entwickelt und steht dort seit 2 Jahren mit guten kurzfistigen Ergebnissen in Erprobung. Eine Anwendungsstudie zeigte eine deutlich vereinfachte Implantationstechnik durch das Wegfallen des Periotlappens und dadurch kleineren operativen Zugang. Sicher werden erst langfristige Studien zeigen, ob auf das Periost verzichtet werden kann, weiters ist die Frage des optimalen Transportmediums für die Zellen noch nicht entgültig geklärt.
Sinnvolle Strategien in der Knorpelbehandlung
Bei akuten Knorpeldefekten oder frisch ausgebrochenen osteochondritischen Herden sollte unbedingt der Erhalt des Knopelfragmentes unter Fixierung des abgelösten Knorpelstückes versucht werden. Gelingt dies nicht, erfolgt eine Mikrofrakturierung bei nicht blutenden Defekten. Muß ein Knorpellappen mit intaktem Knorpel entfernt werden sollte der Knorpel zum Anzüchten der Zellen geschickt werden, um eventuell zu einem späteren Zeitpunkt zu implantieren, wobei die Zellen bis zu einem Jahr zur Verfügung gestellt werden können. Vor allem bei kleinen Defekten muß der klinische Verlauf abgewartet werden, da viele Defekte asymptomatisch bleiben und keiner weiteren Therapie bedürfen. Zur Zeit gibt es keine verläßlichen Parameter die den Verlauf eines Defektes der Gelenkoberfläche prognostizieren können.
Symptomatische chronische Defekte die kleiner als 1- 2 cm im Durchmesser sind sollten als Erstbehandlung mit Mikrofrakturierung therapiert werden. Ist die subchondrale Lamelle, wie bei der Osteochondritis dissecans mitbetroffen sollten bereits primär eine Mosaikplastik erfolgen , die mit maximal 2-3 Zylindern (je 6-8mm) das Auslangen findet. Ist der Defekt größer, sollte die autologe Knorpelzelltransplantation durchgeführt werden.
Andere Methoden verwenden Wachstumsregulatoren und Cytokine in der Stimulation der Knorpelregeneration. So wird Transforming-growth-factor-beta (TGFß) bereits klinisch erfolgreich verwendet, um Chondrogenese in Periosteum zu induzieren, welches unmittelbar nach der biologischen Stimulation mit dem Wachstumsfaktor in den Defekt eingenäht wird.
Andere noch experimentelle Methoden verwenden verschiedene Trägersubstanzen, wie Kollagengel und -schwämme, sowie PLA (Polylactic-acid) um kultivierte Knorpelzellen oder mesenchymale Stammzellen aus dem Knochenmark in Knorpeldefekte zu implantieren. Oft werden diese biologischen Implantate mit Regulatoren wie Bone Morphogenitic Protein oder anderen Wachstumsfaktoren imprägniert, was im Tierexperiment zur verbesserten Knorpelregeneration führte. Auch Genmanipulation unter Einbringung von Vektoren, welche die Bildung von Wachstumsfaktoren lokal induzieren, wurde experimentell bereits durchgeführt.
Die Einbindung von Zellkultur und molekularbiologischen Methoden, sowie die Verwendung von modernen Biomaterialien haben neue Wege in der Behandlung von orthopädischen Krankheitsbilder eröffnet. Sorgfältige, wissenschaftliche Aufarbeitung und kritische, klinische Anwendung der Methoden werden zeigen, ob "tissue engineering" der Antwort auf die Frage des Knorpeldefektes auch langfristig näher gekommen sind.
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