Perfekte Partner: Titan und Gewebe - Bioprothesen für das Kniegelenk Karl-Heinz Frosch
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Titan und Gewebe
Bioprothesen für das Kniegelenk
Karl-Heinz Frosch
WIRKSTOFFE UND WERKSTOFFE
Die Oberfläche nahezu aller Gelenke des menschlichen Körpers ist mit Knorpelgewebe überzogen, dem so ge-
nannten hyalinen Gelenkknorpel. Nach Abschluss des Wachstums ist dieses Gewebe nicht mehr in der Lage zu
regenerieren. Es verschleißt mehr oder weniger kontinuierlich; ein Prozess, der beispielsweise durch Verlet-
zungen, Fehlbelastung und starke Beanspruchung beschleunigt werden kann. Im schlimmsten Fall kommt es zu
einem vollständigen Verbrauch des Gelenkknorpels und damit zur Arthrose des Gelenkes mit freiliegendem
Knochen. Schmerzen und Bewegungseinschränkung führen dann in der Regel zum künstlichen Gelenkersatz.
Dabei bereiten herkömmliche Kniegelenksprothesen häufig Probleme. Wissenschaftler des Bereichs Human-
medizin der Universität Göttingen entwickeln deshalb Bioprothesen, bei denen Titan und Gewebe einen be-
lastbaren Verbund eingehen.
In der Bundesrepublik Deutschland Fall bedeutet dies, dass bei einem lenkes als ultima ratio mit allen
werden jährlich rund 250.000 jungen 25jährigen Mann, der nach Konsequenzen für Familie, Beruf
künstliche Knie- und Hüftgelenke einem schweren Verkehrsunfall und soziales Umfeld.
(Endoprothesen) implantiert. In ein künstliches Kniegelenk be-
den kommenden zehn Jahren ist nötigt und erhält, mit circa 40 Jah- Titan-Bioprothesen
aufgrund demographischer Daten ren die erste Wechseloperation, für Kniegelenke
mit einer Verdreifachung dieser mit 55 die zweite, mit 70 die drit- Als logische Konsequenz der be-
Zahl zu rechnen. Die sichere und te und eventuell mit 85 Jahren, je schriebenen Problematik scheint
frühzeitige Verankerung der Im- nach körperlichem Zustand, die die Züchtung eines Kniegelenkes
plantate im Knochen ist ein we- vierte Wechseloperation notwen- aus körpereigenem Knochen und
sentliches Problem der derzeiti- dig wäre. Nach heutigem Stand Knorpel im Labor die Idealvorstel-
gen Endoprothesenmodelle. Nur der Technik würde dieser Patient lung und der Ausweg. Die Mög-
dann können die Patienten das im Laufe seines Lebens wahr- lichkeiten in dieser Hinsicht sind
Gelenk schnell wieder voll belas- scheinlich fünf verschiedene jedoch momentan noch sehr limi-
ten und in ihr berufliches und so- künstliche Kniegelenke benötigen tiert. So gelingt es nicht, im Rea-
ziales Umfeld zurückkehren. Ein und müsste alle damit verbunde- genzglas hochwertigen Knorpel
weiteres Problem sind die Über- nen Risiken und Folgen auf sich oder Knochen zu züchten. Mit
lebenszeiten der Implantate, die nehmen. derzeitigen tissue engineering-
derzeit rund zehn bis 15 Jahre be- Zudem sind die derzeit auf Methoden können allenfalls sehr
tragen. Nach dieser Zeit lockern dem Markt befindlichen Prothe- kleine Knorpel- und Knochen-
sie sich häufig im Knochen, so senmodelle für junge Patienten stückchen (maximal bis fünf Milli-
dass Schmerzen und Bewegungs- meist ungeeignet. Betroffene müs- meter groß) oder Vorstufen dieser
einschränkung die Folge sind. Be- sen mit erheblichen Funktionsein- Gewebe hergestellt werden. Un-
günstigt wird die Lockerung zu- schränkungen im täglichen Leben ter Zuhilfenahme entsprechender
sätzlich durch den zunehmenden zurecht kommen, vor allem weil organischer und anorganischer
Verschleiß und durch Abriebparti- bei der Implantation derzeit die Trägermaterialien für körpereige-
kel, die das Gewebe schädigen. Kreuzbänder teilweise oder kom- ne Zellen konnten bereits von ver-
Ein operativer Wechsel des Im- plett entfernt werden. Auch ent- schiedenen Arbeitsgruppen klei-
plantates ist unweigerlich die Fol- spricht die Oberflächenform des nere Knorpel-Knochendefekte ge-
ge. Neben der Operation, die künstlichen Gelenkes nicht dem heilt werden. Bei größeren Zer-
häufig aufwändig und belastend natürlichen Kniegelenk und be- störungen der Gelenkkontinuität –
für den Patienten ist, sind die kli- reits kleine Unterschiede der Ge- größer als ein bis zwei Zentimeter
nischen Ergebnisse nach einer lenkform haben erhebliche bio- – gelingt dies derzeit weder im
Wechseloperation im Durch- mechanische Auswirkungen. Die Tierversuch noch beim Men-
schnitt deutlich schlechter als Folgen können ein ständiges »In- schen.
nach der ersten Implantation. stabilitätsgefühl« sowie Sehnen- Unsere Arbeitsgruppe in der Kli-
Dies wird bedingt durch die be- und Bänderreizungen sein. Gera- nik für Unfallchirurgie, Plastische
reits eingetretene Gewebsschädi- de bei jungen Patienten wirkt sich und Wiederherstellungschirurgie
gung, Knochensubstanzverlust, dies aufgrund der starken Bean- im Bereich Humanmedizin der
erneutes Operationstrauma und spruchung bei hoher körperlicher Universität Göttingen ist derzeit
Narbenbildung. Je nach Anzahl Aktivität besonders stark aus. Da eine der wenigen Arbeitsgruppen
der notwendigen Wechselopera- es derzeit jedoch keine geeigne- bundesweit, die sich mit der Ent-
tionen führt dies zu einem schritt- ten alternativen Behandlungs- wicklung lebender Titan-Biopro-
weisen Funktionsverlust des be- möglichkeiten gibt, bleibt die Im- thesen beschäftigt. Titan ist ein
troffenen Gelenks. Im konkreten plantation eines künstlichen Ge- verträgliches und häufig verwen-
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Bioprothesen für den Oberflächen-
ersatz von Gelenken werden hier
die ersten erfolgreichen Schritte
von der Technik der Implantatbe-
siedelung mit körpereigenen Zel-
len, der beschleunigten Einhei-
lung dieser Implantate in den Kno-
chen bis hin zur erfolgreichen
Heilung kleiner Knorpel-Kno-
chen-Defekte am Kniegelenk in
vivo beschrieben. Die vorliegen-
de Studie wurde von der Else-Krö-
ner-Fresenius Stiftung unterstützt
und wird derzeit von der Deut-
schen Forschungsgemeinschaft
(DFG) gefördert.
Abbildung 1:
Mesenchymale detes Implantatmaterial in der Gelenkkontur, Trägermaterial für Zellkultur
Stammzellen in der Medizin. Es sind kaum Allergien körpereigene Zellen und als Basis Mesenchymale Stammzellen (MSC)
Kulturschale zwei
Wochen nach Isolation beschrieben, es ist als Werkstoff für die Ausdifferenzierung von sind das Ausgangsmaterial für das
aus dem Knochenmark gut zu bearbeiten und besitzt bei Knorpel- und Knochengewebe gewünschte Zellwachstum im
entsprechender Verarbeitung kno- scheint es deshalb nahezu ideal. Knorpel/Knochen-Bereich. Man
chenähnliche Elastizitätseigen- Auf dem Weg hin zur Entwicklung erhält sie mit Hilfe der so genann-
schaften. Als Formgeber für die lebender, biologisch aktiver Titan- ten »Ficoll-Methode« aus dem
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WIRKSTOFFE UND WERKSTOFFE
Knochenmark des Beckenkamms bildung 3). Nach vier Wochen fin-
(Pittenger et al. 1999). Die am Bo- det sich ein dichtes Netzwerk aus
den der Kulturschale angewach- extrazellulären Matrixproteinen
sene Zellfraktion besteht aus einer und Zellen im gesamten Bohrka-
physiologischen Mischkultur von nal (Abbildung 4). In den Zellkul-
Knochenmarksvorläuferzellen, turuntersuchungen zeigte sich,
mit einem hohen Anteil an me- dass die mesenchymalen Stamm-
senchymalen Stammzellen (Ab- zellen am schnellsten in Kanäle
bildung 1). Die Zellen können so- mit einem Durchmesser von 600
wohl zu Knorpelzellen, Knochen- µm einwachsen. In diesen Kanä-
zellen und Bindegewebszellen len wird die höchste knochenge- Abbildung 2:
differenzieren. websspezifische Differenzierung tates (linke Spalte) im Vergleich Sandgestrahlte
Reintitanimplantate
erreicht und dreidimensional mit gezeigt. In der Mikroradiographie mit den Abmessungen
Besiedlung von Titanimplantaten einem dichten Netzwerk aus Zel- zeigt sich bei den zellbesiedelten 7,35 mal zwei Millimeter
mit mesenchymalen Stamm- len und Proteinmatrix besiedelt. Implantaten mehr Knochen, dich- mit 28 Bohrkanälen von
600 µm Durchmesser
zellen In den molekularbiologischen terer Knochen sowie ein höherer
Ob und wie Knochenmarkszellen Untersuchungen erwiesen sich Knochen-Wand-Kontakt. In der
in Titanimplantate einwachsen alle anderen Kanaldurchmesser confokalen Lasermikroskopie zeigt
können und welche Oberflächen- (300, 400, 500 und 1.000 µm) als sich vor allem in den Ausschnitts-
strukturen dafür notwendig sind, signifikant unterlegen. vergrößerungen (letzte Zeile),
war bis vor kurzem völlig unbe- dass der Knochen, wie wir anhand
kannt. In eigenen Untersuchun- Das Kaninchen-Modell der Farbmarkierungen erkennen
gen wurden Titanimplantate (Ab- Unsere Arbeitsgruppe konnte zei- können, bei den zellbesiedelten
bildung 2) mit durchgängigen, de- gen, dass mit körpereigenen MSC Implantaten mindestens zehn Ta-
finierten Bohrkanälen mit den besiedelte Titanimplantate im ge früher entstanden ist. Auch
Durchmessern von 300, 400, 500, Tierexperiment mit Kaninchen handelt es sich bei den zellbesie-
600 und 1.000 µm (Millionstel signifikant schneller und besser in delten Implantaten um reife la-
Meter) in die Zellkultur gegeben, den Knochen eingebaut werden melläre Knochen, bei den unbe-
so dass die Zellen vom Boden der als Titanimplantate ohne Zellen. siedelten Implantaten um noch
Kultur in die Implantate einwach- Dabei wird nicht nur mehr Kno- »reifenden Faserknochen«.
sen konnten. Dabei bilden die chengewebe in den zellbesiedel- Durch diese verbesserte und
Zellen nach fünf Tagen Kulturzeit ten Kanälen gebildet, sondern beschleunigte Einheilung zellbe-
füßchenartige Fortsätze aus und auch der Kontakt zwischen Im- siedelter Implantate in den Kno-
wachsen aktiv in die Kanäle. plantat und Knochen wird ver- chen könnte beim Patienten die
Nach Einwandern in die Kanäle größert. Das ist für die Veranke- Rate früher Lockerungen bei
beginnen die Zellen mit der Pro- rung des Implantates im Knochen künstlichen Kniegelenken, wie sie
duktion von extrazellulären Ma- vorteilhaft. derzeit angewendet werden, ge-
trixproteinen, mit denen sie sich In Abbildung 5 wird jeweils ein senkt und rund zwei bis drei Wo-
spinnenartig in den Kanal einwe- typischer Kanal nach einer Ver- chen früher eine Vollbelastung der
ben. Die Zellen verlieren dadurch suchsdauer von sechs Wochen ei- Implantate erzielt werden. Die Re-
ihre Fähigkeit zu migrieren, sind nes zellbesiedelten (rechte Spalte) habilitationszeiten könnten sich
aber im Kanal fest verankert (Ab- und eines unbesiedelten Implan- dadurch bei einer eins zu eins
Abbildung 3:
Nach dem Einwandern
in die Kanäle des Titan-
implantates beginnen
die Zellen nach fünf bis
sieben Tagen mit der
Produktion von extra-
zellulären Matrixprotei-
nen, mit denen sich die
Zellen spinnenartig in
den Kanal einweben.
Abbildung 4:
Nach vier Wochen
findet sich ein dichtes
Netzwerk aus extra-
zellulären Matrixpro-
teinen und Zellen im
gesamten Bohrkanal.
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123MATERIALIEN UND STOFFE
tion und Heilung sowie die Aus-
bildung von minderwertigem Fa-
serknorpel an der Gelenkober-
fläche des Defektes. Zellbesiedel-
te Implantate hingegen bewirkten
eine vollständige knöcherne Inte-
gration des Implantates, die Aus-
bildung einer dünnen Knochen-
schicht auf dem Implantat und die
Regeneration des Knorpelgewe-
bes. Molekularbiologisch erreich-
te der neu entstandene Knorpel zu
circa 90 Prozent die Qualität des
unverletzten Gelenkknorpels (Ab-
Abbildung 5: bildung 6).
Mikroradiographien
(obere Reihe) und
Als unbefriedigend erwies sich
confokale Lasermikro- die langsame Regeneration der
skopien jeweils dessel- Schädigungen. Bei dem sechs
ben Bohrkanals
(untereinander an-
Monate dauernden Versuch setzte
geordnet) mit einem die knöcherne Heilung erst nach
Durchmesser von rund zehn Wochen bei zellbesie-
600 µm. Die Farbmar-
kierungen geben den
delten Implantaten ein, bei unbe-
zeitlichen Verlauf der siedelten Implantaten und Leerde-
Knochenheilung inner- fekten blieb sie meist gänzlich
halb der sechswöchi-
gen Versuchsdauer
aus. Die molekularbiologischen
wieder. Knorpelanalysen zeigten, dass bei
zellbesiedelten Implantaten das
Knorpelgewebe auch nach sechs
Übertragung der Ergebnisse auf die Zellen aktiv in die Bohrkanäle Monaten noch nicht endgültig
den Menschen um 40 bis 50 Pro- der Implantate einwanderten und ausdifferenziert war. Ein weiterer
zent reduzieren und die Patienten diese besiedelten. Die Implantate Nachteil des beschriebenen Expe-
um diese Zeitspanne früher wie- wurden anschließend in chirur- rimentes war, dass rund die Hälfte
der in ihr berufliches und soziales gisch gesetzte Knorpel-Knochen- der zellbesiedelten Implantate
Umfeld zurückkehren. defekte an jeweils beiden Kniege- nicht knöchern eingeheilte, so
lenken eingesetzt. Es gab drei Ver- dass keine feste Verankerung der
Das Schaf-Modell suchsgruppen: unbehandelte (Leer) Implantate im Knochen erzielt
Bei neun Milchschafen wurden defekte, Defekte mit unbesiedel- wurde. Wir begründen dies damit,
mesenchymale Stammzellen ent- ten Implantaten und zellbesiedel- dass die Tiere sofort nach der
nommen, in Kulturschalen einge- te Implantate. Die Leerdefekte Operation das betroffene Knie
bracht und über drei bis vier Wo- zeigten nahezu keine Heilung, voll belasteten und durch die da-
chen vermehrt. In die Kultur leg- unbesiedelte Implantate zeigten mit entstehenden hohen biome-
ten wir Titanimplantate, so dass eine schlechte knöcherne Integra- chanischen Kräfte Mikrobewe-
gungen am Implantat entstanden,
die die Einheilung verhinderten.
Ausblick in die Zukunft
Das vorgestellte Projekt stellt den
ersten Schritt zur Entwicklung ei-
Abbildung 6: nes zellbesiedelten, lebenden und
Mikroradiographie und
histologischer Schnitt biologisch aktiven Oberflächen-
eines Knorpel-Knochen- ersatzes für das Kniegelenk dar.
defektes am Knie eines Sollte gerade bei jungen Patienten
Schafes nach jeweils
sechs Monaten eine nicht rekonstruierbare Teil-
Versuchszeit. Die beste zerstörung des Kniegelenkes vor-
Heilung der Defekte liegen, so könnte anhand von
zeigte sich bei stamm-
zellbesiedelten computer- oder kernspintomogra-
Implantaten. phischen Daten der gesunden
124 Universität GöttingenWIRKSTOFFE UND WERKSTOFFE
Gegenseite die entsprechende Ellbogen-, Hand- und Fingerge- Jahren mit der Entwicklung zell-
Gelenkform als Titan-Bioprothese lenke in Frage. besiedelter Titanimplantate für
maßgeschneidert hergestellt und den Oberflächenersatz am Knie-
passgenau eingesetzt werden. Die Zusammenfassung gelenk, um gerade jungen Patien-
Technologie für solche dreidimen- Endoprothesenmodelle, wie sie ten eine funktionell hochwertige,
sionalen Fräsungen anhand von derzeit für den künstlichen Knie- alternative Lösung bieten zu kön-
digitaler Bildgebung ist in den gelenksersatz verwendet werden, nen. Wir haben uns zunächst mit
Wissenschaftlichen Werkstätten haben den Nachteil, dass die Besiedelungstechniken von Titan-
des Bereichs Humanmedizin der Überlebenszeit der Implantate be- implantaten mit mesenchymalen
Universität Göttingen bereits vor- grenzt ist und häufig keine voll be- Stammzellen und Knochenzellen
handen. Der Titan-Oberflächen- lastbare Primärstabilität vorliegt. sowie dem Einwachsverhalten
ersatz wird vor der Implantation Vor allem junge Patienten sind dieser zellbesiedelten Implantate
mit körpereigenen Knochen- durch die Implantation eines in den Knochen beschäftigt und
marksstammzellen beladen, die künstlichen Kniegelenkes aus hierzu morphologische, elektro-
durch eine einfache Knochen- funktioneller Sicht deutlich einge- nenmikroskopische und moleku-
marksaspiration in örtlicher Be- schränkt und können ihren beruf- larbiologische Untersuchungen
täubung beim Patienten entnom- lichen und sozialen Gewohnhei- durchgeführt. Dabei konnte eine
men werden können. Neben der ten nur noch in reduziertem Um- verstärkte Knochenneubildung
Rekonstruktion des verletzten fang nachgehen. Unsere Arbeits- und eine beschleunigte Einhei-
Kniegelenkes kommt auch die Re- gruppe im Bereich Humanmedi- lung der zellbesiedelten Implanta-
konstruktion anderer Gelenke wie zin der Universität Göttingen be- te in den Knochen nachgewiesen
Sprunggelenk, Hüft-, Schulter-, schäftigt sich bereits seit mehreren werden. Im nächsten Schritt wur-
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125MATERIALIEN UND STOFFE
den dann Knorpel-Knochende- Endoprotheses as currently titanium implants, defined chan-
fekte im Schafsversuch mit zell- used for artificial joint re- nels were created in the implants
besiedelten Titanimplantaten er- placement of the knee have a limi- to provide optimal conditions for
folgreich geheilt. Es konnte der ted life and usually do not allow cell proliferation and differentia-
hyaline Gelenkknorpel weitge- for full weight bearing after sur- tion. Autologous cell coated tita-
hend regeneriert werden. Die gery. Young patients with an arti- nium implants were then implan-
beschriebene Technologie ist der ficial knee joint, in particular, cur- ted in rabbit femoral defects. An
erste Schritt zur Entwicklung zell- rently suffer from limited functional accelerated integration of the im-
besiedelter, lebender Bioprothe- results with consequences for plants into the bone tissue as well
sen für den Oberflächenersatz am their professional and social lives. as an improved bone-implant
Kniegelenk. Langzeitversuche so- For several years, our research contact could be observed. In the
wie Versuche mit großen Knorpel- group has been examining possi- third step, osteochondral defects
Knochendefekten sind derzeit bilities of developing stem cell in the knee of sheep were treated
noch Gegenstand der Untersu- coated titanium implants for the by specially designed, autologous
chungen. surface replacement of the knee cell coated titanium implants.
joint. The goal is to provide an Through this procedure it was
alternative solution for the cur- possible to detect regeneration of
rently available artificial joints, the articular cartilage.
especially for the group of young The technology described is
patients with large bone and carti- the first step in the development of
lage defects in the knee. Our first stem-cell-coated, living titanium
step was to develop techniques for implants for the surface replace-
a sufficient cell coating of titanium ment of the knee. Long-term re-
implants. By observing growth be- sults, as well as experiments with
haviour, matrix production, mine- large osteochondral defects, still
ralization and gene expression of constitute a part of current
mesenchymal stem cells on porous investigations.
Dr. Karl-Heinz Frosch, Jahrgang 1968, studierte von
1990 bis 1996 Humanmedizin an der Universität
Erlangen-Nürnberg und wurde 1998 im Fach Immu-
nologie und Rheumatologie promoviert. Nach Studien-
aufenthalten an der Duke University in North Carolina
und in Vail, Colorado (USA), erhielt er im Jahr 1998
Literatur:
die Approbation als Arzt. Seither ist er Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Frosch K.H., Barvencik F., Viereck V., Loh-
mit klinischem Schwerpunkt in der Klinik für Unfallchirurgie, Plasti-
mann C.H., Dresing K., Breme J., Stürmer sche und Wiederherstellungschirurgie im Bereich Humanmedizin
KM.: Growth behaviour, matrix production der Universität Göttingen. Dr. Frosch ist seit 2002 Facharzt für Chir-
and gene expression of human osteoblasts urgie und führt seit 2004 die Schwerpunktbezeichnung Unfallchirur-
in defined cylindrical titanium channels. J
gie. Seit September 2004 ist er Oberarzt der Klinik und Leiter der
Biomed Mater Res 2004; 68A: 325-334.
Frosch K.H., Sondergeld I., Dresing K., Ru-
Knie-, Schulter- und Sportlersprechstunde. Sein Forschungsschwer-
dy T., Lohmann C.H., Rabba J., Schild D., punkt, sowohl klinisch als auch experimentell, ist das Kniegelenk.
Breme J., Stürmer K.M.: Autologous osteob-
lasts significantly enhance osseointegration
of porous titanium implants. J Orthop Res
2003; 21 (2): 213-222.
Frosch K.H., Barvencik F., Lohmann C.H.,
Viereck V., Breme J., Siggelkow H., Dresing
Dank
K., Stürmer K.M. Migration, matrix produc-
tion and lamellar bone formation of human Die confokalen Lasermikroskopien entstanden in Kooperation mit Prof.
osteoblast-like cells in porous titanium im- Dr. Detlef Schild, Bereich Humanmedizin, Abteilung Molekulare Neu-
plants. Cells Tissues Organs, 2002; 170(4):
rophysiologie. Mein Dank gilt auch meinen Mitarbeitern und Kollegen
214-227.
Pittenger M.F., Mackay A.M., Beck S.C., Anja Dengk, Ramona Castro, Petra Krause und Fritz Kauer.
Jaiswal R.K., Douglas R., Mosca J.D., Moor- Die Abbildungen 3, 4 und 5 wurden mit Genehmigung der Zeitschrift
man M.A., Simonetti D.W., Craig S, Mars- »Cells Tissues Organs« (Frosch et al. 2002) verwendet, die Abbildungen
hak D.R.: Multilineage potential of adult hu-
man mesenchymal stem cells. Science 1999 6 und 7 wurden mit Erlaubnis der Zeitschrift »Journal of Orthopaedic Re-
Apr 2;284(5411):143-7. search« (Frosch et al. 2003) verwendet.
126 Universität GöttingenSie können auch lesen
