Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Knorpelheilung nach autologer Knochenmarkstammzelltransplantation am Göttinger Minipig

Redöhl, Anna Merle

The objective of this paper was the development of a new method of the matrix-associated cell transplantation by testing its effectiveness in regards to cartilage regeneration in vivo. A standardized defect with a diameter of 5.4 mm was therefore surgically inserted into the medial patellar trochlear ridge of both knee joints of eight Göttingen minipigs. A collagen type I and III matrix (Chondro-Gide®-Matrix, company Geistlich) was sutured into twelve of these defects. Six of the attached matrices were then injected with autologous stem cells mixed with fibrin glue. The cells had previously been collected from the tibia of the corresponding pigs and were cultivated in vitro for several weeks in Verfaillie medium. Four of the inserted defects remained untreated as control. The animals were killed with a barbiturate overdose after an eight-week period of physiologic weight bearing on the joints. The macroscopic assessment of the regenerated tissue was purely descriptive while the microscopic assessment was based on a Safranin O / Fast Green stain and an immunohistologic stain for collagen II. The histological sections were evaluated with a modified O’Driscoll score and with a histomorphometric computer-aided program (ImageJ Software). The best macroscopic results could be seen in the group treated with stem cells. The regenerated tissue featured a homogeneous white color and a smooth surface. By contrast the tissue that had formed in the empty defects had a varying coloration and the structure of the surface was uneven. There were significant histological differences in the evaluation of the O’Driscoll score. The defects that had been treated with cells formed a kind of tissue that most resembled healthy hyaline cartilage. The defects that were only treated with matrix however had the worst scores in the evaluation. Histomorphometrically the group treated with stem cells also revealed a significantly higher formation of type II collagen than the other two groups. The weakest collagen formation was in the matrix group. It appeared that the MSC group achieved the best results in regards to the histological evaluation of the surface characteristics and of the quality of the regenerated tissue. This group showed the strongest development of hyaline-like areas in proportion to the entire regenerated area. Hyaline-like areas and formation of glycosaminoglycans in the empty group were primarily on the margin of the defect. In the group treated with stem cells these areas featured homogeneous characteristics and in addition to the marginal areas they were also observed in the center of the defect. This study presents a base for further research of matrix-associated cartilage healing. A definite statement about the value of the used treatment method is not possible due to the small number of cases and the relatively short duration of the study. However, the resulting significance between the groups and the healing that tends to improve with the use of stem cells and a collagen I / III matrix suggest that this treatment provides a possibility to aid hyaline cartilage healing.

Ziel der Arbeit war es, ein neues Verfahren der matrixassoziierten Zelltransplantation  zu entwickeln, indem seine Effektivität bei der Knorpelregeneration in vivo ausgetestet wurde. Hierfür wurde bei acht Göttinger Minipigs jeweils in beiden Kniegelenken operativ ein standardisierter Defekt von 5,4 mm Durchmesser in den medialen Patella-Rollkamm gesetzt. Bei zwölf dieser Defekte wurde eine Matrix aus Kollagen Typ I und III (Chondro-Gide®-Matrix, Firma Geistlich) eingenäht. Sechs der fixierten Matrices wurden anschließend mit autologen Stammzellen, die in Fibrinkleber gelöst waren, unterspritzt. Die Zellen waren zuvor aus der Tibia der entsprechenden Schweine gewonnen und in vitro für mehrere Wochen in Verfaillie Medium kultiviert worden. Als Kontrolle blieben vier gesetzte Defekte unbehandelt. Nach acht Wochen Standzeit unter physiologischer Belastung der Gelenke wurden die Tiere durch eine Überdosis Barbiturat getötet. Die Beurteilung des Regenerationsgewebes erfolgte makroskopisch rein deskriptiv und mikroskopisch durch eine Safranin O / Fast Green und eine immunhistologische Färbung gegen Kollagen II. Ausgewertet wurden die histologischen Schnitte mittels einer modifizierten O’Driscoll Skala und mit einem histomorphometrischen computergestütztem Programm (ImageJ Software). Makroskopisch zeigten sich in der mit Stammzellen behandelten Gruppe die besten Ergebnisse. Das Regenerationsgewebe wies eine homogene weiße Farbe und eine glatte Oberfläche auf. Im Gegensatz dazu war das Gewebe, das sich in den Leerdefekten gebildet hatte, unterschiedlich gefärbt und die Oberflächenstruktur uneben. Histologisch stellten sich signifikante Unterschiede in der Auswertung des O’Driscoll Scores dar. Die Defekte, die mit Zellen behandelt worden waren, bildeten ein Gewebe, das dem gesunden hyalinen Knorpel am ähnlichsten war. Die nur mit Matrix behandelten Defekte hingegen erhielten in der Auswertung die schlechtesten Werte. Auch histomorphometrisch offenbarte sich in der mit Stammzellen behandelten Gruppe eine signifikant höhere Ausbildung des Kollagens Typ II als in den anderen beiden Gruppen. Die Kollagenausprägung war in der Matrix-Gruppe am Schwächsten. In Bezug auf die histologische Auswertung der Oberflächenbeschaffenheit und der Qualität des Regenerationsgewebes deutete sich an, dass die MSC-Gruppe die besten Ergebnisse erzielte. Hyalinartige Bereiche zeigten sich in dieser Gruppe prozentual zum gesamten Regenerat am Stärksten entwickelt. Die hyalinartigen Areale und eine Bildung von Glycosaminoglycanen zeigten sich in der Leergruppe vor allem am Defektrand. In der mit Stammzellen behandelten Gruppe wiesen diese Bereiche eine homogene Ausprägung auf und wurden neben den Randbereichen auch in der Mitte des Defekts beobachtet. Diese Studie bietet eine Grundlage zur weiteren Erforschung von Matrix assoziierter Knorpelheilung. Aufgrund der geringen Fallzahl und der relativ kurzen Standzeit ist eine endgültige Aussage über den Nutzen der eingesetzten Behandlungsmethode nicht exakt möglich. Doch die sich ergebenen Signifikanzen zwischen den Gruppen und die tendenziell bessere Heilung durch den Einsatz von Stammzellen und einer Kollagen I / III Matrix lassen vermuten , dass diese Behandlung eine Möglichkeit bietet, den Knorpel in seiner Ausheilung mit hyalinem Knorpel zu unterstützen.

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Redöhl, Anna Merle: Knorpelheilung nach autologer Knochenmarkstammzelltransplantation am Göttinger Minipig. Hannover 2009. Tierärztliche Hochschule.

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