Tissue Engineering: Knochen

Plastische Chirurgie

Direktor:
Prof. Dr. med. Dr. h. c. Raymund E. Horch

Bioartefizielle Knochenersatzgewebe

Tissue Engineering: Züchtung von axial vaskularisiertem Knochengewebe im arteriovenösen Gefäßschleifenmodell

Die Therapie ausgedehnter Knochendefekte stellt auch heutzutage eine große therapeutische Herausforderung dar und erfordert komplexe chirurgische Eingriffe. Dabei werden die Defekte meist mit autologen, d. h. körpereigenen Knochentransplantaten aufgefüllt. Einige Krankheitsbilder, wie zum Beispiel Tumorerkrankungen mit zusätzlich erforderlicher Radiochemotherapie oder ausgedehnte Knochen- und Weichteilverletzungen nach Unfällen, resultieren häufig in Knochendefekten mit ungenügender Gefäßversorgung in der Umgebung. Dies erfordert oftmals die Verpflanzung von gefäßversorgten Knochentransplantaten, deren Gewinnung mit beträchtlichen Nachteilen für den Patienten verbunden ist. Um diese Nacheile der Eigengewebsrekonstruktion zu umgehen, erforschte unsere Arbeitsgruppe in der Plastisch- und Handchirurgischen Klinik in den letzten Jahren die Züchtung von körpereigenem Ersatzgewebe (Tissue Engineering) durch die Kombination von Knochenersatzstoffen, autologen Zellen sowie Knochenwachstumsfaktoren mittels in vitro und in vivo Modellen.
Im Modell der arteriovenösen mikrochirurgischen Gefäßschleife (AV-Loop) wird die Züchtung von axial vaskularisiertem, d. h. über eine zentrale Gefäßachse durchblutetem Knochengewebe angestrebt, welches nachfolgend frei und mikrovaskulär in einen Defektbereich transplantiert werden kann.
Im Kleintiermodell der Ratte konnte zunächst die Vaskularisation einer Hydroxyapatit-Keramik erzielt werden, in welcher nachfolgend durch den Zusatz von osteoinduktiven Wachstumsfaktoren und mesenchymalen Wachstumsfaktoren eine signifikante Knochenbildung nachgewiesen werden konnte. Im Rattenmodell konnte schliesslich die Kombination der arteriovenösen Gefäßschleife mit einem critical sized Femurdefektmodell etabliert werden und die gestielte Transplantation der axial vaskularisierten Knochenkonstrukte in den Femurdefekt erzielt werden. Aktuell wird die freie Transplantation dieser Knochengewebe in mittels Bestrahlung vaskulär kompromittierte Femurknochen untersucht.
Im Großtiermodell Schaf konnten bereits in klinisch relevanter Dimension zwei unterschiedliche klinisch zugelassene Knochenersatzstoffe unter Zusatz von osteoinduktiven Knochenwachstumsfaktoren und autologen mesenchymalen Stammzellen axial vaskularisiert werden und damit ein entscheidender Schritt in Richtung Anwendbarkeit im menschlichen Körper gemacht werden. Modernste 3D Bildgebungsmodalitäten erlauben die Visualisierung des Prozesses der Blutgefäßneubildung im Zeitverlauf im lebenden Tier als auch im explantierten Konstrukt. Gegenstand aktueller Studien ist die Evaluierung eines belastungsstabilen nanokristallinen Knochenaufbaumaterials sowie die Beschleunigung der Vaskularisierung im AV-Loop, um damit in einer äußerst kurzen Zeitspanne die Generierung eines transplantierbaren Knochengewebsstückes zu ermöglichen.

Modernste 3D Bildgebungsmodalitäten erlauben die Visualisierung des Prozesses der Blutgefäßneubildung, (A) Darstellung des Gefäßnetzwerkes im µ-CT, welches sich ausgehend von der Gefäßachse (AV-Loop) gebildet hat, (B) Farbkodierte Darstellung des Gefäßnetzwerke
Prinzip des Tissue Engineerings
 
Ansprechpartner
Prof. Dr. med. Dr. h. c. Raymund E. Horch
Telefon: 09131 85-33277
Fax: 09131 85-39327
E-Mail: irma.goldberg@uk-erlangen.de
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Zusammenfassung