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Fragestellung: Ziel dieser Untersuchung war, den Einfluß von Perfusion und von mechanischer Stimulation auf stromale Knochenmarkszellen, die auf einer 3-dimensionalen, Meniskus Matrix angesiedelt wurden, zu untersuchen.

Methodik: Humane stromale Zellen aus dem Knochenmark (BMSC) wurden bei 6 Patienten im Rahmen von Routineeingriffen entnommen. Die Zellen wurden aufgereinigt und in vitro kultiviert. Aus einem Zellpool wurden 7 Versuchsansätze durchgeführt. Zwischen 2. und 3. Passage wurden die Zellen mit einer Dichte von 10^6 Zellen in eine Kollagen Meniskus Matrix (CMI^®, Regen^® Biologics Inc.) mit Medium injiziert. Nach 24 Stunden wurden die Matrices in einen Perfusions (P) oder einen Perfusions/ Mechanoreaktor (M) überführt. Kontrollen (K) wurden ohne Stimulation kultiviert. Die Perfusionsrate war mit 10ml/min und die Stimulation mit 10% Längenänderung über 8 Stunden täglich konstant. Nach 24 Stunden, 1 und 2 Wochen wurden Proben entnommen und Vitalität (Live/ Dead Färbung), Proliferation (MTS-Test) und Differenzierung (Pro-Kollagen-III-Propeptid) untersucht. Die Steifigkeit der Konstrukte wurde biomechanisch charakterisiert. Die Datenanalyse erfolgte mittels ANOVA (Tukey-Test, Signifikanzniveau p<0,05).

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die Proliferationsrate der Zellen stieg im zeitlichen Verlauf von 0,27±0,06 nach einer Woche auf 0,27±0,06 (K), 0,33±0,09 (P) und 0,33±0,09 (M) an. Nach 2 Wochen war die Proliferation auf 0,36±0,07 (K), 0,37±0,08 (P) und 0,35±0,07 (M stimuliert) erhöht. Dies war zwischen dem Zeitpunkt 2 Wochen und 24 Stunden hochsignifikant (p<0,001). Zwischen den Kulturbedingungen (M, P, K) fand sich kein Unterschied (β=0,95). Die Analyse der Vitalität zeigte einen signifikanten Abfall der Vitalität im zeitlichen Verlauf (24 Stunden: 45±10%; 1 Woche: M: 29±4%, P: 32±3%, K: 41±8%; 2 Wochen: M: 14±10%, P: 23±9%, K: 26±6%; p<0,01). Zudem ergab sich zwischen Gruppe M und K eine reduzierte Vitalität (p<0,01). Die Prokollagen-III Synthese stieg von 0,09±0,01U/ml/g Protein nach 24 Stunden auf 2,9±0,71 (P), 3,1±0,9 (M) und 1,6±0,3U/ml/g Protein (K, niedriger als P und M, p<0,01. Diese Unterschiede zeigten sich auch nach 2 Wochen (2,8±0,5, 3,4±0,9 und 1,5±0,3 U/ml/g Protein, p<0,01).

Die Steifigkeit nahm unter mechanischer Kompression von 104,2±22,3 auf 138,5±28,8 in der ersten und 232,5±63,3kPa in der zweiten Woche zu (Perfusion: 106,6±33,7 und 149,4±22,5kPa Statisch: 66,9±10,5 und 119,8±35,3kPa; p<0,02).

1.

Es zeigten sich positive Effekte von Perfusion und mechanischer Stimulation durch Zunahme von Proliferation und gesteigerter PIIIP Synthese.

2.

Mechanische Stimulation erhöht die Steifigkeit des Zell-Matrix Konstrukts.

3.

Die Zellvitalität wird von der gewählten Matrix insbesondere unter zyklischer Kompression negativ beeinflusst.

Zukünftig könnte eine weniger toxische Zellmatrix im gewählten Bioreaktorsystem verbesserte Meniskusimplantate aus Knochenmarkszellen liefern.