Zum ersten Mal wurden biotechnologisch hergestellte Bandscheiben erfolgreich implantiert und lieferten im größten jemals in dieser Richtung verwendeten Tiermodell eine Langzeitfunktion.
Eine neue Studie von Penn Medicine, die in Science Translational Medicine veröffentlicht wurde, zeigt starke Beweise dafür, dass die Zellen von Patienten mit Nacken- und Rückenschmerzen verwendet werden können, um eine neue Bandscheibe in einem Labor zu konstruieren, um eine beschädigte zu ersetzen. Die an Ziegen durchgeführte Studie wurde von einem interdisziplinären Team am Department of Medicine, der School of Engineering and Applied Sciences und der School of Veterinary Medicine an der University of Pennsylvania durchgeführt.
Weichteile in der Wirbelsäule, Bandscheiben, werden bei Bewegungen wie dem Drehen des Kopfes oder dem Binden von Schnürsenkeln benötigt. Aber ungefähr die Hälfte der erwachsenen Bevölkerung in den Vereinigten Staaten leidet an Rücken- oder Nackenschmerzen, und die Behandlung und Pflege dieser Patienten stellt eine ernsthafte wirtschaftliche Belastung für die Gesellschaft dar - ungefähr 195 Milliarden US-Dollar pro Jahr. Während die Zerstörung der Bandscheibe häufig mit diesem Schmerz verbunden ist, bleiben die Hauptursachen für ihre Zerstörung weniger bekannt. Moderne Ansätze, einschließlich Wirbelsäulenchirurgie und mechanischer Ersatzimplantate, bieten eine symptomatische Behandlung, stellen jedoch die Struktur, Funktion und den Bewegungsbereich der nativen Bandscheibe nicht wieder her und weisen häufig eine begrenzte Wirksamkeit auf. Daher besteht eine Anfrage nach neuen Behandlungen.
Tissue Engineering ist vielversprechend. Dabei werden die Stammzellen eines Patienten oder Tieres mit Gerüsten aus Biomaterial in einem Labor kombiniert, um eine komplexe Struktur aufzubauen, die dann als Ersatzscheibe in die Wirbelsäule implantiert wird. In den letzten 15 Jahren hat das Penn-Forschungsteam eine biotechnologisch hergestellte Scheibe unter Verwendung von Tissue Engineering entwickelt, die von der In-vitro-Grundlagenforschung zu kleinen Tiermodellen und größeren Tiermodellen übergeht und sich auf Versuche am Menschen konzentriert.
„Dies ist ein wichtiger Schritt: Um eine so große Scheibe im Labor zu züchten, platzieren Sie sie im Plattenraum und lassen Sie sie dann in das umgebende native Gewebe integrieren. Dies ist sehr vielversprechend “, sagte Robert L. Mock, Professor für Ausbildung und Forschung in orthopädischer Chirurgie an der Perelman Medical School in Penn sowie Forscher am Corporal Michael Crescenz VA Medical Center (CMC VAMC) in Philadelphia und Hauptautor der Veröffentlichung. "Gegenwärtige Therapien reparieren die Bandscheibe nicht wirklich. Wir hoffen, dass wir sie mit diesem entwickelten Implantat durch eine biologische, funktionelle Methode ersetzen und den gesamten Bewegungsumfang wiederherstellen können."
Frühere Forschungen des Teams haben erfolgreich gezeigt, dass ihre biotechnisch hergestellten Scheiben, die als scheibenförmige Winkellagenstrukturen (DAPS) bekannt sind, fünf Wochen lang in Rattenschwänze integriert wurden. Diese neueste Studie verlängerte diesen Zeitraum bei Ratten auf 20 Wochen - jedoch mit aktualisierten Scheiben, die als endplattenmodifiziertes DAPS oder eDAPS bekannt sind, um die Struktur des nativen Wirbelsäulensegments nachzuahmen. Das Hinzufügen von Endplatten trug dazu bei, die technische Struktur zu erhalten und ihre Integration in natives Gewebe zu erleichtern.
Die MRT sowie die histologische, mechanische und biochemische Analyse zeigten, dass eDAPS die Struktur der nativen Scheibe, die Biologie und die mechanische Funktion im Rattenmodell wiederherstellte. Aufbauend auf diesem Erfolg implantierten die Forscher dann eDAPS in die Halswirbelsäule von Ziegen. Sie entschieden sich für eine Ziege, weil die Abmessungen ihrer Hals-Rücken-Bandscheibe denen des Menschen ähnlich sind und die Ziegen eine halb stehende Figur haben.
Forscher haben einen erfolgreichen vollständigen Bandscheibenersatz bei der Zervixziege gezeigt. Nach einem Monat wurde die Verteilung der Matrix im Rahmen des eDAPS entweder beibehalten oder verbessert. Die Ergebnisse der MRT legen auch nahe, dass die Zusammensetzung der Scheibe nach acht Wochen erhalten oder verbessert wurde und dass die mechanischen Eigenschaften denen der nativen Ziegenscheibe entweder entsprachen oder diese übertrafen.
"Ich finde es großartig, dass wir von einem Rattenschwanz zu Implantaten in Menschengröße übergegangen sind", sagte Dr. Harvey E. Smith, Assistenzprofessor für orthopädische Chirurgie und Neurochirurgie an der Perelman School of Medicine. und Vollzeit-Chirurg bei CMC VAMC sowie Senior Research Fellow und Supervisor für klinische Forschung. "Wenn man sich den Erfolg in der Literatur zu mechanischen Geräten ansieht, gibt es meines Erachtens einen sehr guten Grund für Optimismus, dass wir den gleichen Erfolg erzielen können, wenn wir ihn nicht mit biotechnisch hergestellten Scheiben übertreffen."
Das Forschungsteam verbindet den Erfolg dieser Arbeit mit dem multidisziplinären und translationalen Ansatz, den sie von Anfang an in Penn verwendet haben, wo viele Experten aus verschiedenen Abteilungen und Schulen, die an diesem Projekt beteiligt waren, leben.
„Wir haben all die verschiedenen Richtungen verwendet, die Penn unter seinem Dach hat, von der Grundlagenforschung bis hin zu Klinikern. Wir haben ein unglaubliches Netzwerk, das für diese und andere Forschung genutzt werden kann “, sagte der Studienautor Thomas P. Schaer, Direktor von VMD, Direktor für translationale orthopädische Forschung und präklinische Studien an der New Bolton University School für Veterinärmedizin, Pennsylvania Zentrum "Nicht jede akademische Einrichtung verfügt über ein so gemeinsames Ökosystem, dass wir zu Beginn dieser Studie einen großen Vorteil hatten und sie im Laufe der Zeit unterstützten."
Zum Team gehören auch die Erstautorin Sarah Gulbrand, eine Forscherin in der Abteilung für orthopädische Chirurgie Penn Medicine und das Forschungszentrum für translationale muskuloskelettale Chirurgie am Corporal Michael Crescenz VA Medical Center, Lachlan Smith, Mitglied der Abteilung für Neurochirurgie und orthopädische Chirurgie in Penn, und Dawn M. Elliott, eine ehemalige Forscherin Penna, derzeit Leiterin der Abteilung für Biomedizinische Technik an der University of Delaware.
Der nächste Schritt wird darin bestehen, längerfristige Tests der eDAPS-Funktion im Ziegenmodell durchzuführen, die Zerstörung von Bandscheiben beim Menschen zu modellieren und zu testen, wie ihre biotechnologisch hergestellten Bandscheiben in diesem Zusammenhang funktionieren.
"Es ist ratsam, biologisches Gewebe aus eigenen Zellen zu implantieren", sagte Smith. „Die Verwendung eines echten Gewebeersatzimplantats in der Endoprothetik - dies haben wir in der Orthopädie noch nicht getan. Ich glaube, dass dies ein Paradigmenwechsel bei der Behandlung von Wirbelsäulenerkrankungen und der Rekonstruktion von Gelenken sein wird. “