Mechanische Belastung von Knorpel

Gabriela Mielke, Elisa Hoenig, Helge Paetzold

 

 

Abb.1:
Konstrukt aus
kultiviertem Knorpel auf
einem Keramikträger

Abb.2:
Bioreaktor zur mechanischen
Belastung von Knorpel-
konstrukten

Abb.3:
REM-Aufnahme von Kollagen-
fasern in nativem
Schweineknorpel

Knorpelgewebe ist nicht nur eine Anhäufung von Knorpelzellen (Chondrozyten), sondern besteht auch aus definierten extrazellulären Strukturen, der extrazellulären Matrix (ECM). Die ECM des hyalinen Gelenkknorpels besteht hauptsächlich aus Typ II Collagen, welches in Verbindung mit dem Proteoglykan Aggregan die druckelastischen Eigenschaften des Knorpels bedingt. In vivo hängen diese Eigenschaften von der mechanischen Stimulation ab. Bei einer gesunden Person erfährt der Gelenkknorpel pro Tag tausende direkter Kompressionszyklen: Diese repetitive Belastung ist essentiell, um den Knorpel vor dem Abbau zu bewahren.
Adulter Knorpel zeichnet sich durch eine eingeschränkte Heilungskapazität aus. Durch Krankheit oder Verletzung entstandene Schäden verschlimmern sich im Laufe der Zeit und verursachen den Patienten starke Schmerzen. Die aktuell verfügbaren chirurgischen Behandlungsmethoden zur Wiederherstellung der biologischen und mechanischen Funktion des Knorpelgewebes sind nicht vollständig zufrieden stellend. Nach heutigem Stand bleibt als letzte Maßnahme nur die Möglichkeit, ein künstliches Gelenk einzusetzen.

Abb.:4 Histologische Färbung
von GAG in kultivierten Knorpel

Abb.:5 Kultivierter Knorpel

Abb.:6 Immunfluoreszenz
von Kollagen in nativem Schweineknorpel


Eine neuere Methode stellt das Tissue Engineering dar. Dabei wird funktionales Gewebe in vitro für zukünftige Implantationen in der Defektstelle gebildet. In unserem Institut wird in Kooperation mit dem Institut Bioprozess- und Biosystemtechnik und dem Zentrum Biomechanik des UKE im Bereich Tissue Engineering (TE) von porcinem Gelenkknorpel geforscht. Es wurde ein neuartiger Bioreaktor konstruiert und gebaut, der es ermöglicht, die physiologische Bewegung des Kniegelenks nachzubilden. Mit ihm können unterschiedliche Belastungsfälle wie Kompression, Scherung und die für das Kniegelenk typische Roll-Gleitbewegung realisiert werden.
Ziel des Projektes ist es, den Einfluss unterschiedlicher Belastungsregime auf die mechanischen, biochemischen und strukturellen Eigenschaften des TE-Knorpel zu analysieren, daraus eine optimale Konditionierung des TE-Knorpels abzuleiten, um insgesamt eine verbesserte Qualität des TE-Knorpelgewebes zu erzielen.

Publikationen:

Hoenig, E., Leicht, U., Winkler, T., Mielke, G., Beck, K., Peters, F., Schilling, A.F., Morlock, M.M. Mechanical Properties of Native and Tissue-Engineered Cartilage depend on Carrier Permeability: A Bioreactor Study Tissue Eng Part A. 2013 Volume 19: Issue 13-14, 2013.

Paetzold, H., Goepfert, C., Huber, G., Hoenig, E., Pörtner, R., Schilling, A.F., Meenen, N.M., Morlock, M.M. The development of the collagen fibre network in tissue-engineered cartilage constructs in vivo. Engineered cartilage reorganises fibre network  Eur Cell Mater. 2012 Apr 5;23: 209-21, 2012

Hoenig, E., Winkler, T., Goepfert, C., Mielke, G., Paetzold, H., Schuettler, D., Machens, H.G., Morlock, M.M., Schilling, A.F. High amplitude direct compressive strain enhances mechanical properties of scaffold-free tissue-engineered cartilage Tissue Eng Part A. 2011 May; 17(9-10): 1401-11, Epub 2011 Feb 27, 2011.

Pörtner, R., Goepfert, C., Wiegandt, K., Janssen, R., Ilinich, E., Paetzold, H., Eisenbarth, E., Morlock, M. Technical Strategies to Improve Tissue Engineering of Cartilage-Carrier-Constructs Adv Biochem Eng Biotechnol. 2009;112:145-81.