Development of stem cell-based ACL- and tendon reconstruction

Autor: Haddad-Weber, Meike
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2010
Předmět:
Druh dokumentu: Doctoral Thesis<br />Doctoral Thesis
Popis: Ruptures of the anterior cruciate ligament (ACL) and defects of the rotator cuff represent the most common ligament and tendon injuries in knee and shoulder. Both injuries represent significant implications for the patients. After an injury, the ACL and the rotator cuff both exhibit poor intrinsic healing capacities. In order to prevent further defects such as arthritis of the knee and fatty infiltration of the rotator cuff, surgical interaction is essential. In both cases, the currently used surgical techniques are far from optimal because even after the therapy many patients report problems ranging from pain and reduced mobility to complete dysfunction of the involved joint and muscles. Tissue engineering may be a possible solution. It is a promising field of regenerative medicine and might be an advantageous alternative for the treatment of musculoskeletal injuries and diseases in the near future. In this thesis, different tissue engineering based approaches were investigated. For the reconstruction of damaged or diseased ligaments and tendons, the use of MSCs and gene therapy with growth factors is especially suitable and possesses a great therapeutic potential. Therefore, the first method studied and tested in this thesis was the development of a biomaterial based construct for the repair of a ruptured ACL. The second approach represents a cell based strategy for the treatment of the fatty infiltration in the rotator cuff. The third approach was a combined cell, biomaterial, and growth factor based strategy for ACL ruptures. Biomaterial based ACL construct The implant is currently tested in a preclinical in vivo study in mini pigs. This proof-of-principle study is performed to validate the functional capability of the collagen fiber based implant under load in vivo and its population with fibroblasts which produce a ligamentogenic matrix. Cell based treatment of the fatty infiltration in the rotator cuff Regarding the treatment of the fatty infiltration of the rotator cuff in a rabbit model, the in vivo results are also promising. The group treated with autologous MSCs (+MSC group) showed a lower fat content than the untreated group (–MSC group) 6 weeks after the treatment. Furthermore, the SSP muscle of the MSC-treated animals revealed macroscopically and microscopically only few differences compared to the healthy control group. The exact underlying mechanisms leading to the positive results of the treatment are not yet fully understood and have therefore to be further investigated in the future. Cell, biomaterial, and growth factor based treatment of ACL ruptures Studies described in current literature show that collagen hydrogel scaffolds are not ideal for a complete ligament or tendon reconstruction, because of their insufficient mechanical stability. Introduced as an alternative and superior therapy, the combined strategy used in this thesis proves that the cultivation of BMP-12, -13, and IGF-1 transduced MSCs and ACL fibroblasts in a collagen hydrogel is successful. The results of the performed in vitro study reveal that the cells exhibit a fibroblastic appearance and produce a ligamentogenic matrix after 3 weeks. Furthermore, the adenoviral transduction of MSCs and ACL fibroblasts showed no negative effects on proliferation or viability of the cells nor was apoptosis caused. Therefore, the application of these cells represents a possible future therapy for a partial ligament and tendon rupture where the mechanical stability of the remaining ligament or tendon is sufficient and the healing can be improved substantially by this therapy. In general, prospective randomized clinical trials still have to prove the postulated positive effect of MSCs for the treatment of various musculoskeletal diseases, but the results obtained here are already very promising. Ideally, the treatment with MSCs is superior compared to the standard surgical procedures. Because of current safety issues the use of genetically modified cells cannot be expected to be applied clinically in the near future. In summary, the different tissue engineering approaches for novel therapies for musculoskeletal injuries and diseases invested in this thesis showed very promising results and will be further developed and tested in preclinical and clinical trials.
7.2 Zusammenfassung Kreuzbandrupturen und Defekte im Bereich der Rotatorenmanschette stellen die häufigsten Band- und Sehnenverletzungen im Kniegelenk bzw. in der Schulter dar. Beide Verletzungen haben erhebliche Auswirkungen für den Patienten. Sowohl das Kreuzband als auch die Rotatorenmanschette weisen ein sehr schlechtes Heilungspotential nach einer Verletzung auf. Um weiteren Schäden wie einer Kniegelenksarthrose oder einer Verfettung der Rotatorenmanschette vorzubeugen, ist ein operativer Eingriff erforderlich. In beiden Fällen sind die zurzeit verwendeten Behandlungsstandards nicht optimal, da auch nach einer Therapie viele Patienten über Beschwerden klagen, die von Schmerzen und einer eingeschränkten Mobilität bis hin zu einer kompletten Dysfunktion des betroffenen Gelenks und Muskels reichen. Tissue Engineering ist ein zukunftsträchtiges Feld der Regenerativen Medizin und kann ein möglicher Lösungsansatz sein. Vor allem bei der Behandlung von muskuloskelettalen Verletzungen und Erkrankungen kann es zukünftig eine vorteilhafte Behandlungsalternative darstellen. In dieser Doktorarbeit wurden verschiedene Tissue Engineering-basierte Lösungsansätze untersucht. Zur Rekonstruktion von defektem Band- und Sehnengewebe sind sowohl der Einsatz von mesenchymalen Stammzellen (MSZ) als auch die Gentherapie mit Wachstumsfaktoren besonders geeignet und weisen ein großes therapeutisches Potential auf. Deswegen wurde in der vorliegenden Doktorarbeit als erster innovativer Therapieansatz ein Biomaterial-basiertes Konstrukt für den Ersatz eines gerissenen Kreuzbandes entwickelt und getestet. Der zweite Lösungsansatz stellt eine Zell-basierte Therapie zur Behandlung einer fettigen Atrophie der Rotatorenmanschette dar. Die dritte Methode kombiniert Zellen, Biomaterialien und Wachstumsfaktoren zur Therapie von Kreuzbandrupturen. Biomaterial-basiertes Kreuzbandkonstrukt Das Implantat wird zurzeit in einer präklinischen in vivo Studie am Mini Pig getestet. Diese Proof-of-Principle Studie wird durchgeführt, um die Funktionsfähigkeit der Kollagenfaser-basierten Implantate unter Belastung in vivo zu validieren und ihre Besiedelung mit Fibroblasten, die eine ligamentäre Matrix ausbilden, zu beobachten. Zell-basierte Behandlung der fettig-infiltrieten Rotatorenmanschette Auch bei der Behandlung der fettigen Infiltration der Rotatorenmanschette im Kaninchenmodel, wurden in vivo sehr viel versprechende Ergebnisse erzielt. Die mit autologen MSZ (+MSZ-Gruppe) behandelte Gruppe zeigte nach 6 Wochen einen deutlich geringeren Fettanteil als die unbehandelte Gruppe (-MSZ-Gruppe). Des Weiteren wies der SSP-Muskel aller MSZ-behandelten Tiere sowohl makroskopisch als auch mikroskopisch nur geringe Unterschiede im Vergleich zur gesunden Kontrollgruppe auf. Der genaue zugrunde liegende Mechanismus dieser erfolgreichen Behandlung konnte bisher noch nicht genau geklärt werden und muss in zukünftigen Studien weiter untersucht werden. Zell-, Biomaterial- und Wachstumsfaktor-basierte Behandlung von Kreuzbandrupturen In der aktuellen Literatur beschriebenen Studien zeigen, dass Kollagenhydrogel-konstrukte aufgrund der fehlenden biomechanischen Stabilität nicht geeignet sind für den kompletten Band- bzw. Sehnenersatz. Als vorteilhafte Behandlungsalternative wurde in der vorliegenden Arbeit eine kombinierte Strategie entwickelt und erfolgreich in vitro getestet: Die Kultivierung von BMP-12-, -13- bzw. IGF-1-transduzierten MSZ und Kreuzbandfibroblasten in einem Kollagenhydrogel verlief sehr viel versprechend und ergab, dass die Zellen nach 3 Wochen im Kollagenhydrogel eine fibroblastäre Morphologie aufweisen und eine ligamentäre Matrix ausbilden. Des Weiteren führte die adenovirale Transduktion der Zellen weder zu negativen Auswirkungen auf das Proliferationsverhalten noch auf die Vitalität der Zellen und löste auch keine Apoptose bei den transduzierten Zellen aus. Zukünftig kann der Einsatz dieser Zellen deswegen ein möglicher Ansatz zur Behandlung von Teilrupturen bei Bändern und Sehnen darstellen, bei denen die biomechanische Stabilität ausreichend ist und die Heilung durch die Therapie wesentlich verbessert wird. Im Allgemeinen müssen prospektive randomisierte klinische Studien zeigen, ob sich der positive Effekt der MSZ bei der Behandlung von Erkrankungen des muskuloskelettalen Systems in der Orthopädie und Unfallchirurgie bewährt, wobei die in der vorliegenden Arbeit erzielten Ergebnisse sehr Erfolg versprechend sind. Idealerweise erweist sich die Behandlung mit MSZ als deutlich vorteilhaft gegenüber den bisher etablierten chirurgischen Standardverfahren. Aufgrund der bestehenden Sicherheitsrichtlinien für den Einsatz von gentherapeutischen modifizierten Zellen ist mit deren Verwendung zur Behandlung von Band- und Sehnenerkrankungen in naher Zukunft nicht zu rechnen. Zusammenfassend führte die Untersuchung der unterschiedlichen Tissue Engineering Ansätze, die in dieser Doktorarbeit als neue Therapien zur Behandlung von muskuloskelettalen Verletzungen und Erkrankungen evaluiert wurden, zu sehr viel versprechende Ergebnisse. Diese Therapieansätze sollen weiterentwickelt und in präklinischen und klinischen Studien getestet werden.
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