Joint cartilage regeneration by tissue engineering

Summary

The research field of tissue engineering combines cells biology, biomaterial science, and surgery. Major long-term goals are tissue and organ replacement therapies using the patients‘ own cells. Our work is focused on the treatment of severe joint defects and on plastic surgery using in vitro engineered cartilage tissues. The practical approaches in cartilage engineering face problems with three-dimensional cell distribution or cell immobilization raising biocompatibility problems. The tissue engineering of cartilage is based on combining biocompatible cell embedding substances such as fibrin, agarose, alginate, hyaluronic acid and fiber fleece scaffolds of poly α-hydroxy acids (PLLA/PGLA). Different technical approaches were established: a) three-dimensional in vitro cultures of chondrocytes for the development of vital tissue transplants and b) interacting three-dimensional cultures consisting of different cell populations, such as BMP-transfected mesenchymal cells. The preshaped artificial tissue constructs were cultured in perfusion chambers to maintain a stable diffusion of nutrients during the in vitro pre-formation step. Subsequently, pre-formed tissues were implanted into nude mice and into 4mm articular joint defects of rabbits. Transplants were found to produce cartilage typic morphological patterns and matrix. 80% of the transplants remained stable in vivo. However, 20% of the tissues are resorbed or replaced by a fibrous tissue. These results demonstrate that current artificial cartilage transplants are already feasible for plastic reconstruction. The treatment of severe joint defects, however, faces additional problems which are addressed in ongoing studies: (a) the fixation of engineered cartilage in joints, (b) the protection against chronic inflammatory degradation, and (c) the required enormous mechanical stability

Zusammenfassung

Das Forschungsgebiet Tissue Engineering verbindet die Bereiche Zellbiologie, Biomaterialforschung und Chirurgie. Wichtigstes Ziel ist ein Gewebe- und Organersatz mit Hilfe gezüchteter Zellen des Patienten. Unsere Arbeit konzentriert sich auf die Therapie schwerer Gelenkknorpeldefekte und die Geweberekonstruktion in der plastischen Chirurgie mit Hilfe in vitro hergestellter Knorpeltransplantate. Dieser praktische Ansatz erfordert zunächst Techniken zur dreidimensionalen Zellverteilung und Einbettung sowie einer temporären mechanischen Stabilisierung. Die Knorpelzüchtung basiert auf einer biokompatiblen Einbettung der Zellen in Agarose, Fibrin, Alginat oder Hyaluronsäure in Verbindung mit einer Gerüststruktur aus resorbierbaren Polymerfaservliesen (PLLA/PGLA). In interagierenden dreidimensionalen Kulturen können unterschiedliche Zellpopulationen wie z.B. BMP-transfizierte Zellen eingesetzt werden. Gezüchtete Gewebe wurden vorgeformt und in Perfusionskammern kultiviert. Anschließend wurden sie subkutan in Nacktmäuse und in Gelenkknorpeldefekte bei Kaninchen implantiert. Die Transplantate zeigen eine knorpeltypische Histologie und Matrixentwicklung. Etwa 20% der Gewebe wurden teilweise resorbiert oder durch fibröses Bindegewebe ersetzt. Die Ergebnisse zeigen, daß die Technologie des Knorpel-Tissue-Engineerings vielversprechend für die plastische Geweberekonstruktion ist. Die Behandlung großflächiger Gelenkknorpeldefekte erfordert jedoch zunächst die Lösung einiger wichtiger Probleme: (a) die Verankerung eines gezüchteten Gewebeersatzes im Gelenk, (b) ein Schutz der Transplantate vor chronischen Entzündungsvorgängen und Degradation, (c) die enorm hohe mechanische Druckbelastbarkeit.