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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-165947
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 6 October 2011 |
| Referee: | Prof. Dr. Achim Göpferich and Prof. Dr. Torsten Blunk |
| Date of exam: | 17 September 2010 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institute of Pharmacy > Pharmaceutical Technology (Prof. Göpferich) |
| Interdisciplinary Subject Network: | Not selected |
| Keywords: | Cartilage tissue engineering, auricular reconstruction, differentiation, growth factors |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 16594 |
Abstract (English)
Cartilage constructs in complex shape Application of custom-made scaffolds for the individual patient and their seeding with autologous chondrocytes in order to render an aesthetic autologous implant represent the overall goal of cartilage tissue engineering for auricular reconstruction. In the presented work, two different materials were applied for the generation of ear-shaped cartilage ...
Abstract (English)
Cartilage constructs in complex shape
Application of custom-made scaffolds for the individual patient and their seeding with autologous chondrocytes in order to render an aesthetic autologous implant represent the overall goal of cartilage tissue engineering for auricular reconstruction. In the presented work, two different materials were applied for the generation of ear-shaped cartilage constructs (Chapter 3-5). As part of the work within the research consortium ‘Regenerative Implants’ (Bavarian Research Foundation), the successful application of polycaprolactone-based polyurethane (PU) scaffolds in combination with long-term stable fibrin gel [24] was transferred to the complex shape of the human external ear. Cartilage development within the construct was analyzed with spatial resolution (Chapter 3). Partial deficits in the generation of coherent cartilaginous tissue could be correlated to lacking interconnectivity of the porous scaffold structure. To optimize the complex ear-shaped PU scaffolds, several material formulations as well as various treatment procedures were investigated with regard to their impact on pore size and interconnectivity (Chapter 4).
Oligo (poly (ethylene glycol)) fumarate (OPF), as a second scaffolding material, was also employed for the generation of ear-shaped cartilage constructs in combination with fibrin gel. As with the PU scaffolds, the generation of very detailed and aesthetic ear-shaped constructs succeeded. Here, spatially resolved analysis demonstrated homogenous and coherent cartilaginous tissue in large parts of the construct (Chapter 5).
Osteochondral defects affect the articular cartilage as well as the underlying subchondral bone of the joint. The overall goal was to establish a system applicable for the co-culture of cartilage and bone applying the materials which were already successfully applied in the project ‘Regenerative Implants’. For the bone part, hydroxyapatite-based composite scaffolds, and for the cartilage part, PU scaffolds combined with long-term stable fibrin gels were combined in a single, bilayered scaffold. A seeding procedure was established which facilitated a selective seeding of the part intended for cartilage with chondrocytes in fibrin gel, which is the prerequisite for succeeding with osteochondral grafts. First short-term co-culture of BMSC and bovine chondrocytes evidenced the effectiveness of the method to selectively seed the respective part of the bilayered scaffold. The established system represents a powerful tool for further research concerning optimization of co-culture conditions and the time range for pre-cultivation before transplantation.
Differentiation processes
One of the major challenges in cartilage engineering is constituted by the limited number of harvestable autologous chondrocytes. Frequently used expansion in 2-dimensional (2D) environment, however, is often accompanied by rapid dedifferentiation, rendering the cells less suitable for tissue engineering purposes [5, 74]. Studies conducted in the group have previously demonstrated synergistic redifferentiating effects of the proteins growth and differentiation factor-5 (GDF-5) and insulin, particularly on expanded bovine chondrocytes on PGA scaffolds [88, 89]. Here, the synergistic effect of GDF-5 and insulin could be proven to be independent of the chosen 3D culture system.
A study conducted with expanded adult human chondrocytes revealed synergistic effects of GDF-5 and insulin very similar to those seen for bovine juvenile cells. Redifferentiation was indicated by intense safranin-O staining and tremendous up-regulation of the cartilage marker type II collagen, as observed with immunohistochemistry. Furthermore, this up-regulation was also detected on the mRNA level. These results indicate the possible clinical relevance of applying the combination of GDF-5 and insulin for redifferentiation of expanded and thus dedifferentiated chondrocytes and represent an option to overcome the problem of the limited availability of harvestable autologous cells (Chapter 7).
Due to their multilineage potential stem cells derived from adipose tissue (ASC) represent an attractive alternative cell source for cartilage tissue engineering. ASC can be obtained in large quantities and under local anaesthesia. In contrast, procurement of bone marrow-derived stem cells (BMSC) is limited and may be associated with a painful procedure. The question, which represents the preferred cell type for use in specific applications, is still controversially discussed by researchers. Here, the studies directly comparing the differentiation capacity of ASC and BMSC towards a chondrogenic, osteogenic and adipogenic phenotype were reviewed, enabling more rational conclusions with regard to the cell source of choice for a particular tissue engineering application (Chapter 8).
Translation of the abstract (German)
Knorpel-Konstrukte in komplexer Form Knorpel-Tissue-Engineering zur Rekonstruktion der äußeren Ohrmuschel zielt auf ästhetische, autologe Implantate unter Verwendung von individuell angefertigten Scaffolds – besiedelt mit patienteneigenen Chondrozyten - ab. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei verschiedene Scaffold-Materialien eingesetzt (Kapitel 3-5). Im Rahmen des Forschungsverbundes ...
Translation of the abstract (German)
Knorpel-Konstrukte in komplexer Form
Knorpel-Tissue-Engineering zur Rekonstruktion der äußeren Ohrmuschel zielt auf ästhetische, autologe Implantate unter Verwendung von individuell angefertigten Scaffolds – besiedelt mit patienteneigenen Chondrozyten - ab. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei verschiedene Scaffold-Materialien eingesetzt (Kapitel 3-5). Im Rahmen des Forschungsverbundes ‚Regenerative Implantate’ (Bayerische Forschungsstiftung), wurde die bereits erfolgreich angewendete Kombination aus Polyurethan-basiertem (PU) Scaffold und langzeitstabilem Fibringel [24] auf die komplexe Form der äußeren Ohrmuschel übertragen. Die Knorpelentwicklung wurde ortsaufgelöst untersucht (Chapter 3). In einigen Bereichen aufgetretene Defizite in der Entwicklung des Knorpelgewebes konnten mit mangelnder Interkonnektivität im porösen Scaffold korreliert werden. Um die komplexen PU Scaffolds in Form des Ohres zu optimieren, wurden diverse Formulierungen wie auch verschiedene Methoden der Vorbehandlung in Hinblick auf ihre Auswirkung auf Porengröße und Interkonnektivität untersucht (Kapitel 4).
Analog wurden detailgetreue Scaffolds aus Oligo(poly(ethylenglykol))fumarat (OPF) in Form der äußeren Ohrmuschel mit Chondrozyten, suspendiert in Fibringel, besiedelt und kultiviert. Die nachfolgende ortsaufgelöste Analytik des formschönen, detailgetreuen Knorpelkonstrukts zeigte hier die Entwicklung von homogenem, kohärentem Knorpelgewebe in weiten Teilen des Konstrukts (Kapitel 5).
Osteochondrale Defekte betreffen den artikulären Knorpel, wie auch den darunter befindlichen subchondralen Knochen. Unter Verwendung von Materialien, die bereits erfolgreich im Rahmen des Projektes ‚Regenerative Implantate‘ eingesetzt wurden, galt es ein für die Cokultur von Knorpel und Knochen geeignetes System zu etablieren. Dazu wurden für den Knochenteil Hydroxyapatit-basierte Kompositscaffolds und für den Knorpelteil PU Scaffolds in einem aus zwei Schichten bestehenden Scaffold kombiniert. Ein Besiedelungsprozess, der die selektive Besiedelung des für den Knorpel vorgesehenen Teils mit Chondrozyten in Fibringel gewährleistet, wurde etabliert. Dies stellt die Voraussetzung für die erfolgreiche Generierung von osteochondralen Konstrukten dar. Ein erster Cokultur-Versuch von BMSC und bovinen Chondrozyten über einen kurzen Zeitraum belegte die Effektivität der Methode der selektiven Besiedelung des jeweiligen Teiles des Scaffolds. Das etablierte System ist von großem Wert für weitere Untersuchungen bezüglich der Optimierung der Bedingungen für die Cokultur und der erforderlichen Zeitspanne für die Vorkultivierung vor der Transplantation.
Prozesse der Differenzierung
Eine der großen Herausforderungen im Tissue Engineering von Knorpel stellt die begrenzte Zahl verfügbarer autologer Chondrozyten dar. Häufig werden aus diesem Grund die Chondrozyten in 2-dimensionaler (2D) Umgebung expandiert. Dies ist jedoch mit einer schnellen Dedifferenzierung verbunden [5, 74]. Studien, die kürzlich in der Arbeitsgruppe durchgeführt wurden, zeigten einen synergistischen, redifferenzierenden Effekt der Proteine ‚Growth and Differentiation Factor-5‘ (GDF-5) und Insulin insbesondere auf expandierte bovine Chondrozyten auf PGA-Scaffolds [88, 89]. Es konnte nun gezeigt werden, dass die synergistische Wirkung von GDF-5 und Insulin unabhängig vom gewählten 3D Kultursystem auftritt.
Eine Studie mit humanen, adulten Chondrozyten demonstrierte synergistische Effekte ähnlich den mit bovinen, juvenilen Zellen beobachteten Phänomenen. Eine intensive Safranin-O Färbung und eine außerordentliche Hochregulierung des Knorpelmarkers Typ II Kollagen auf mRNA- und Protein-Ebene waren deutliche Indizien der Redifferenzierung. Die Anwendung der Kombination aus GDF-5 und Insulin zur Redifferenzierung expandierter und demzufolge dedifferenzierter autologer Zellen stellt eine Option zur Überwindung des Problems der begrenzten Zahl verfügbarer autologer Zellen in der Klinik dar (Kapitel 7).
Auf Grund ihrer Fähigkeit in verschiedene Richtungen zu differenzieren, stellen Stammzellen aus dem Fettgewebe (ASC) eine attraktive, alternative Zellquelle für das Tissue Engineering von Knorpel dar. ASC können in großen Mengen und unter Lokalanästhesie gewonnen werden. Im Gegensatz dazu ist die Gewinnung von Stammzellen aus dem Knochenmark (BMSC) begrenzt und mitunter mit einem schmerzhaften Eingriff verbunden. Die Frage, welcher Zelltyp für bestimmte Applikationen zu bevorzugen ist, wird in Fachkreisen immer noch kontrovers diskutiert. Hier wurde ein Review derjenigen Studien angefertigt, die direkt die Differenzierungskapazität von ASC und BMSC zu einem chondrogenen, osteogenen oder adipogenen Phänotyp vergleichen. Diese Arbeit erlaubt rationalere Schlussfolgerungen bezüglich der Zellquelle der Wahl für einen bestimmten Tissue-Engineering-Ansatz (Kapitel 8).
Metadata last modified: 25 Nov 2020 15:17
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