Belebung der Knorpelzellen

Das translationale Forschungsprojekt "Minced Cartilage in Regenerative Medicine" strebt die Optimierung der Zerstückelungstechnik des Knorpels an, um Knorpelschäden im Kniegelenk zu reparieren und eine schnelle Regeneration zu erzielen. Dadurch soll einer möglichen Osteoarthrose-Entwicklung entgegengewirkt werden.

Von Christian Scherl

Minced Cartilage bedeutet wörtlich übersetzt "gehackter Knorpel". Bei einer Minced Cartilage-Implantation wird ein Knorpel zerkleinert, mit Plasmaprodukten versehen und in einen defekten Knorpel eingebracht, um die Regeneration voranzutreiben. Zukünftig soll das auch eine therapeutische Option für die Behandlung von degenerativen Gelenkserkrankungen werden, wie etwa Osteoarthritis. Am Zentrum für Regenerative Medizin der Universität für Weiterbildung Krems werden in dem von Univ.-Prof. Stefan Nehrer geleiteten Projekt "Minced Cartilage in Regenerative Medicine" verschiedene Methoden zur Knorpelzerkleinerung getestet. Die Thematik, einen zerkleinerten Knorpel in ein Biomaterial einzubetten, fanden die Zentrumsmitarbeiter Christoph Bauer und Lukas Moser, welcher auch am Universitätsklinikum Krems als Assistenzarzt tätig ist, bereits im Vorfeld dieser Studie als spannendes Forschungsthema. Das Projekt war dann die perfekte Möglichkeit hier weiter zu forschen.

Entnahmetechnik optimieren

In der Klinik kommt Minced Cartilage bereits zur Anwendung, obwohl es noch viele Parameter gibt, die nicht standardisiert sind. Gerade deshalb ist es Christoph Bauer ein Anliegen, die Technik der Knorpelzerkleinerung zu optimieren. Es gilt Fragen zu klären wie etwa die ideale Geschwindigkeit der Messerrotation oder ob es andere, bessere Biomaterialien gibt, mit welchen das zerkleinerte Knorpelgewebe in den Defekt eingebracht werden könnte. Das Unternehmen Karl Storz aus Tuttlingen in Deutschland zählt zu den führenden Hersteller in der Endoskopie und stellt für das Projekt den "Powershaver SL" zur Verfügung. An diesem Gerät wird ein Handstück mit einer „Shaver Blade“ befestigt. Dieses Zerkleinerungsgerät gleicht einem Röhrchen in der Dicke eines Strohhalms mit innenliegendem Messer. Rotation und Klingengröße lassen sich variieren. "In einer bereits an der Universität für Weiterbildung Krems durchgeführten Studie kamen Messer mit Stärken von 2,5 Millimeter, 3,5 und 4,2 Millimeter zum Einsatz", erklärt Bauer. "Man drückt das Röhrchen auf den Knorpel, der vom rotierenden Messer zerteilt und anschließend in einen Filter gesaugt wird." Dieses Material wird nun mit Plasmaprodukten vermischt und dient als Basis für die eigentliche Operationstechnik zur Behandlung von kleinen Knorpelläsionen in der Größe von rund ein bis vier Quadratzentimeter.

Aktivierung der Chondrozyten

Hauptziel der Behandlungstechnik ist die Aktivierung der sogenannten Chondrozyten in den implantierten Knorpelstücken. Bei Chondrozyten handelt es sich um Knorpelzellen, die gemeinsam mit anderen Bestandteilen das menschliche Knorpelgewebe bilden. Aus den Knorpelstücken sollen die Zellen dann in das umliegende Plasmaprodukt auswandern und dadurch den Knorpel wieder beleben. „Ein Vorteil gegenüber beispielsweise anderen Operationstechniken wie der ‚Autologen Chondrozyten Transplantation‘ ist, dass bei der Minced Cartilage Technik nur ein Operationseingriff notwendig ist, in dem das Material in den Defekt eingebracht und verteilt wird", so Biotechnologe Bauer. Die Plasmaprodukte halten die Knorpelstückchen zusammen und integrieren sich gut ins Gewebe. Es unterstützt die Regeneration und reduziert gleichzeitig mögliche Entzündungen. Zum Einsatz kommen hier vor allem Plättchen-reiches-Plasma (PRP) und Fibrinkleber – beides Substanzen mit Wachstumsfaktoren, mit denen Knorpel aufgebaut werden können. "Wobei PRP in Studien bessere Ergebnisse lieferte", verrät Bauer. Beim Fibrinkleber hat man den Nachteil, dass es mechanisch nicht so stabil ist. In zukünftigen Studien an der Universität für Weiterbildung Krems soll untersucht werden, inwiefern die Füllhöhe des Plasmaproduktes eine Rolle spielt – etwa auf mechanische oder tribologische (Stichwort Reibung) Eigenschaften. Im Laufe des Projekts sollen zudem Anwendungen mit Hydrogelen und/oder synthetischen Materialien integriert werden. Für mechanische Untersuchungen wird mit Gewebe aus Rinderknien experimentiert. "Ein Rinderknorpel unterscheidet sich zwar geringfügig hinsichtlich Dicke und mechanischen Eigenschaften vom menschlichen Knorpel, dafür bietet die Größe den Vorteil, dass man mehr Knorpelfläche zur Verfügung hat und dadurch verschiedene Bedingungen an einem Knie testen kann", erklärt der Wissenschaftler.

Aufs Messer kommt es an

Zurück zur Zerkleinerung: Erstmals wurde die Minced Cartilage-Technik in der Medizin Mitte der 1980er Jahre beschrieben. Aus den Aufzeichnungen geht allerdings nicht hervor, wie die Knorpel seinerzeit zerkleinert wurden. Bei der Entnahme von Knorpel für die Minced Cartilage Technik ist der Rand des Knorpeldefekts gegenüber dem nicht belasteten Bereich eines Kniegelenks zu bevorzugen. Nun sollen nach einer ersten Studie mit unterschiedlichen Messerstärken weitere Untersuchungen durchgeführt werden, inwiefern die Rotationsgeschwindigkeit eine Rolle spielt. Hauptaugenmerk liegt aber auf der Zerkleinerungstechnik. "Es macht einen Unterschied, wie groß die einzelnen Knorpelstücke sind. Als optimal hat sich eine Art Knorpelpaste etabliert, bei der die einzelnen Stücke kleiner als 0,3 Millimeter sind." Entscheidend ist die Schärfe der Klinge. Ein Skalpell hat bisher bessere Ergebnisse erzielt als etwa ein Bohrer, weil die Zellen im Umfeld unbeschadet und vital bleiben. Eine wichtige Erkenntnis auf dem Weg zur optimalen Behandlung.

ECKDATEN DES PROJEKTS

Minced Cartilage in Regenerative Medicine
Projektlaufzeit: 2021-2024
Fördergeber: KARL STORZ SE & Co. KG

CHRISTOPH BAUER

Dipl.-Ing. Christoph Bauer, PhD BSc BA ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Zentrum für Regenerative Medizin der Universität für Weiterbildung Krems. Bauer forscht neben dem Projekt Minced Cartilage u.a. zum Einsatz 3D-gedruckter Hydrogele und Implantate in der Orthopädie.