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Fragestellung: Für eine erfolgreiche Regeneration von traumatisch oder krankheitsbedingt geschädigtem Knorpel, ist es notwendig, sowohl die degenerativen als auch die regenerativen Mechanismen besser zu verstehen. Die in vitro Kultivierung von Chondrozyten in einem Bioreaktorsystem (BRS), welches die Einflussfaktoren individuell reguliert, kann aufschlussreiche Ergebnisse zu verschiedenen Krankheitsbildern sowie zu notwendigen Therapiemethoden liefern. Daher besteht das Ziel darin, eine Etablierung und Evaluierung eines neuen in vivo adaptiven BRS durchzuführen.

Methodik: Das verwendete BRS besteht aus einem Korpus zur parallelen Kultivierung von 6 Chondrozyten-besiedelten Agarosegelen (3%ig v/v; Ø 10 mm x 3 mm) in 12 ml Nährmedium. Über einen Stempel mit angeschlossenem Schrittmotor können verschiedene mechanische Belastungsmuster mit einer Sensitivität von 5 µm appliziert werden. Des Weiteren kann über eine Zirkulationspumpe eine variable Perfusion angelegt werden, die durch die erzeugten Scherkräfte die Zellen zusätzlich stimuliert. Ein konstantes Sauerstoffmilieu wird durch eine computergestützte Begasung sichergestellt. Die Negativkontrolle zu allen BR-Versuchen stellte die Kultivierung von zell-besiedelten Agarosegelen in einer Petrischale dar.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Erste Evaluationsversuche (t=14 Tage) zeigten eine sterile Kultivierung von Chondrozyten in Agarosegelen. Der Versuchsaufbau beinhaltete singuläre Stimulationen mit sinusförmigen mechanischen Belastungen (15 %ig; 5 min an / 235 min aus), eine Oxygenierung mit 5 bzw. 20% O₂ (3 min an / 27 min aus) oder eine Perfusionsstimulation (47 µl / min, 6 h an / 6 h aus). Dabei konnte eine um ca. 40% signifikant erhöhte Produktion von sauren Glykosaminoglykanen pro Zelle innerhalb des BRS mit Begasung, mechanischer Stimulation und des Kontroll-BRS gegenüber der Negativkontrolle erreicht werden. Des Weiteren konnte über den gesamten Versuchszeitraum eine Dedifferenzierung von primären Chondrozyten verhindert werden. Verschiedene Kombinations- und Variationsmöglichkeiten von Stimulationsfaktoren sowie deren Einflüsse auf die Zellen werden nach vollständiger Bearbeitung gezeigt.

Da Chondrozyten im nativen Zustand wenige Zell-Zell-Kontakte aufweisen und unter ständiger Belastung durch Scherkräfte und Kompression leben, ist es notwendig geeignete in vitro Kultivierungsbedingungen zu schaffen. Die Grundaufgabe der Zellen im Knorpel besteht in der Aufrechterhaltung und steten Erneuerung der extrazellulären Matrix. Dabei zeigen sie eine geringe Proliferationsrate. Diese Charakteristika konnten mit dem neuen, modular-aufgebauten BRS erzeugt werden. Das verwendete BRS ermöglichte, konträr zu den bisherigen BRS, die oft nur einzelne Stimulationsfaktoren fokussieren, die Kombination fast aller bekannten Einflussgrößen für ein in vivo adaptives Kultivierungssystem von Chondrozyten in einer 3D-Matrix.