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2013|14 Jahresbericht Fraunhofer IGB

78 Herausforderung – Regeneration von Gelenkknorpel Gelenkknorpel hat aufgrund der fehlenden Durchblutung kei- nen Zugang zu regenerativen Zellpopulationen. Knorpelde- fekte sind daher nahezu irreversibel und resultieren häufig in einer fortschreitenden Zerstörung des betroffenen Gelenks. Eine vielversprechende therapeutische Behandlung ist die ma- trixassoziierte autologe Chondrozytentransplantation (MACT), bei der ein geeignetes Trägermaterial (Matrix) zunächst mit Knorpelzellen (Chondrozyten) des Patienten besiedelt und dann in den Knorpeldefekt implantiert wird. Die Kultivierung der Chondrozyten in den üblicherweise eingesetzten kolla- genbasierten Matrices kann jedoch zu einer Dedifferenzie- rung, das heißt zu einem Funktionsverlust der Zellen führen. Nachbildung von Gewebe durch Modifizierung natürlicher Gewebebestandteile Um die Funktion der Knorpelzellen zu bewahren, scheint eine möglichst naturnahe Nachbildung der nativen extrazellulären Matrix (EZM) von hoher Bedeutung: Gelenkknorpel besitzt herausragende Eigenschaften bezüglich Festigkeit und Was- sergehalt, die auf der Zusammensetzung seiner EZM aus Kol- lagenfasern und Wasser bindenden Polysaccharidbausteinen (Glukosaminoglykane) beruhen. Zur Darstellung von knorpel­ ähnlichen Hydrogelsystemen wurden am IGB deshalb biolo- gische Moleküle der natürlichen EZM durch eine chemische Reaktion mit Methacrylsäureanhydrid modifiziert und so ver- netzbar gemacht. Ein Zweikomponentensystem aus Gelatine (denaturiertes Kollagen) und Chondroitinsulfat (Glukosamino- glykan) kann so kontrolliert chemisch vernetzt werden. Durch Variation des Vernetzungsgrads und des Feststoffge- halts konnten wir Gelatine-Hydrogele mit Festigkeiten im Be- reich von ca. 5 kPa bis ca. 370 kPa darstellen – dies entspricht etwa der Festigkeit von Fettgewebe beziehungsweise Nasen- knorpel [1]. Die Integration von Chondroitinsulfat ermöglichte es, die Quellbarkeit der Matrix – bei gleichbleibender Festig- keit – weiter zu erhöhen. So konnten wir die Hydrogel-Eigen- schaften verbessern und der Beschaffenheit von nativem Ge- lenkknorpel noch ähnlicher machen. Stabilisierung von Knorpelzellen – die richtige Matrixzusammensetzung bringt Biofunktionalität Bei der Verkapselung von Chondrozyten in dreidimensiona- le Hydrogele zeigte sich ein deutlicher Einfluss der Hydrogel- zusammensetzung auf die Morphologie und das Proliferati- onsverhalten der Zellen. Anders als in Kollagen- oder reinen Gelatine-Hydrogelen wiesen Chondrozyten in chondroitinsul- fathaltigen Hydrogelen eine für Knorpelzellen typische kuge- lige Morphologie und eine geringe Zellteilungsaktivität auf. Unsere biomimetischen, die natürliche Knorpelumgebung nachahmenden Hydrogele stellen demnach ein vielverspre- chendes 3D-System zum Aufbau von Knorpelersatzgewebe dar. Zell-Matrix-Systeme als Biotinte für Gewebedruck Hyaliner Knorpel besitzt wie viele andere native Gewebe ei- nen charakteristischen Mikro- und Makroaufbau. Beispielswei- se steigt der Gehalt an Proteoglykanen vom Gelenkspalt zum Knochen kontinuierlich an, außerdem gibt es Zonen mit hoher Zelldichte sowie zellfreie Zonen. Um die inneren Strukturen von Geweben nachbilden zu können, werden präzise Dosier- verfahren benötigt. Ein solches Verfahren ist der Inkjet-Druck. DRUCKBARE 3D-MATRICES ZUR HERSTELLUNG VON KÜNSTLICHEM KNORPEL Dr. rer. nat. Eva Hoch, Dr. rer. nat. Kirsten Borchers 1 2 3 MEDIZIN 200 μm 200 μm

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