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Fragestellung: Zellbasierte Therapien zur Regeneration von Knorpeldefekten führen zu zufriedenstellenden klinischen Ergebnissen, dem neu gebildeten Gewebe fehlt jedoch die typische zonale Knorpelarchitektur. Dies ist vermutlich für die unzureichende biomechanische und biochemische Qualität von Regeneratknorpel mitverantwortlich. Die Generierung von zonalem Knorpelersatzgewebe aus autologen Zellen und Biomaterialien ist daher ein wichtiges Ziel zur weiteren Verbesserung der Knorpelregeneration. Von der Ausprägung einer hyalinen oberen Zone und einer kalzifizierten unteren Zone verspricht man sich bessere biomechanische Eigenschaften und eine schnellere und stabilere Verbindung des Implantats mit dem subchondralen Knochen. Ziel der vorliegenden Studie war die Herstellung eines bizonalen Knorpelkonstrukts mit selektiver Mineralisierung der unteren Knorpelzone in vitro und in vivo.

Methodik: Die untere Knorpelzone wurde durch biomaterialfreie Selbstassemblierung mesenchymaler Stromazellen (MSC) in Transwells realisiert und für 3 Wochen chondrogen prädifferenziert. Für eine optimale in vitro Ausprägung einer kalzifizierten Knorpelzone wurden die Konstrukte in 4 verschiedenen Mineralisierungsmedien bis zu 8 Wochen kultiviert und anschließend charakterisiert. Für zonale Knorpelkonstrukte wurden nicht mineralisierte 3 Wochen-Zellscheiben mit StarPEG-Hydrogel überschichtet, das 9x10⁵ Chondrozyten enthielt und sofort ektop in subkutane Taschen immundefizienter Mäuse implantiert bzw. parallel in vitro mineralisiert. Matrixablagerung und Mineralisierung wurden nach 4–8 Wochen mittels µCT und Histologie (Safranin O, Kollagen II, Kollagen X, ALP und Alizarin Rot Färbung) bewertet.

Ergebnisse: Nach 3 Wochen Vorkultur hatten sich aus den chondrogen differenzierten MSCs feste knorpelartige nicht mineralisierte Zellscheiben mit hohem Proteoglykan-, Kollagen II- und ALP Gehalt gebildet. In vitro Mineralisierung erfolgte nur mit ß-Glycerophosphat-haltigen Medien, hoher GAG/DNA Gehalt nur mit Insulin-haltigen Mineralisierungsmedien. Die zonalen Konstrukte entwickelten sowohl in vivo als auch in vitro hohe Kollagen II und Aggrecanablagerung in beiden Zonen. Die ALP-Aktivität, Mineralisierung (Abbildung 1 [Abb. 1]) und Kollagen X Ablagerung blieb ausschließlich auf die untere Knorpelzone beschränkt.

Schlussfolgerungen: Das neuartige zonale Design ermöglichte eine erfolgreiche in vitro-Herstellung als auch in vivo-Entwicklung stabiler bizonaler Knorpelkonstrukte mit verbesserten Eigenschaften und einer basalen kalzifizierten Knorpelschicht. Diese sollen nun auf ihr Integrations- und Regenerationspotential in einem Knorpeldefektmodell getestet werden.