Der Differenzierungsgrad von Chondrozyten und ihre Vorbehandlung mit „platelet-derived-growth-factor“

Zusammenfassung

Derzeitige Methoden für die gesicherte Reparation von artikulären Knorpeldefekten sind noch nicht etabliert. In der vorliegenden Studie habe wir das Potential von artikulären Knorpelzellen, perichondralen Zellen und Zellen der costochondralen Ruhezone untersucht, neuen Knorpel zu bilden, nachdem diese Zellen in resorbierbare Gewebeträger inkorporiert und in Muskelpouche von Nacktmäusen implantiert wurden. In-vitro-Studien haben gezeigt, dass der „platelet derived growth factor-BB“ (PDGF-BB), aber nicht „transforming growth factor β-1“ (TGF-β1), „basic fibroblast growth factor“ oder „bone morphogenetic protein-2“ die Proliferation und extrazelluläre Matrixsulfatierung von costochondralen Ruhezonezellen stimulieren, ohne dass die Zellen einen hypertrophischen Phänotyp exprimieren. Der TGF-β1 kann außerdem die Chondrogenese durch multipotente Chondroprogenitorzellen wie im Perichondrium stimulieren. Der PDGF-BB kann die Chondrogenesis von Ruhezonezellen nach Implantation mit Poly(D,L-Lactid-Glycolid) (PLG) in den Muskelpouch der Maus regulieren. In dieser Studie untersuchten wir, ob die Knorpelneubildung vom Differenzierungsgrad der Zellen abhängt und ob die Vorbehandlung von Chondrozyten mit PDGF-BB einen Einfluss auf die Knorpelneubildung hat. Die Gewebeträger wurden aus 80 % (PLG) mit einem Laktid:Glykolid-Verhältnis von 75:25 und 20 % modifiziertem PLG mit einem Laktid:Glykolid-Verhältnis von 50:50 (PLG-H) hergestellt. In jeder Versuchsgruppe erhielten 4 Mäuse je 2 identische Implantate, ein Implantat in jeden Muskelpouch (n = 8): PLG-H allein, PLG-H + Zellen aus entweder artikulärem Knorpel, costochondralem Perichondrium oder costochondralen Ruhezonezellen von 125 g Sprague-Dawley-Ratten. Die PLG-H mit artikulären Chondrozyten oder costochondralen Ruhezonezellen wurden für 4 h oder 24 h vor der Implantation mit 37,5 ng/ml rhPDGF-BB vorbehandelt; perichondrale Zellen wurden mit PDGF-BB und 0,22 ng/ml rhTGFβ-1 für 4 h und 24 h vorbehandelt. Nach 4 und 8 Wochen wurden die Implantate histomorphometrisch analysiert, und es wurden folgende Parameter gemessen: Fläche des neugebildeten Knorpels, Fläche des residualen Implantats und die Fläche des fibrösen Gewebes in der Nähe des Implantats. Lediglich Ruhezonezellen zeigten das Potential, heterotop neuen Knorpel zu bilden. Wir fanden keinen neuen Knorpel in Mäusen mit Implantaten, die mit artikulären oder perichondralen Zellen beladen waren. Die Vorbehandlung von Ruhezonezellen reguliert die Menge an neugebildetem Knorpel und inhibierte auch die Hypertrophie der Zellen. Die Menge des fibrösen Gewebes um die Implantate verringerte sich mit der Zeit, war jedoch durch die Behandlung der Zellen mit PDGF-BB erhöht. Die Ergebnisse zeigen, dass Chondrozyten erfolgreich in poröse PLG-Gewebeträger inkorporiert werden können, dass sie die heterotope Bildung von neuem Knorpel induzieren und PDGF-BB die Differenzierung von Ruhezonezellen in vivo regulieren kann. Artikuläre Chondrozyten und perichondrale Zellen hatten in diesem Modell nicht das Potential, neuen Knorpel zu bilden.

Summary

Current methods for articular cartilage repair are unpredictable with respect to clinical success. In the present study, we investigated the ability of cells from articular cartilage, perichondrium, and costochondral resting zone to form new cartilage when loaded onto biodegradable scaffolds and implanted into calf muscle pouches of nu/nu mice. Prior in vitro studies showed that platelet derived growth factor-BB (PDGF-BB), but not transforming growth factor beta-1 (TGF-β1), basic fibroblast growth factor, or bone morphogenetic protein-2 promoted proliferation and extracellular matrix sulfation of resting zone chondrocytes without causing the cells to exhibit a hypertrophic chondrocyte phenotype. TGF-β1 has also been shown to stimulate chondrogenesis by multipotent chondroprogenitor cells like those in the perichondrium. In addition, PDGF-BB has been shown to modulate chondrogensis by resting zone cells implanted in poly(D,L-lactide-co-glycolide) (PLG) scaffolds. In the present study we examined whether the cartilage formation is dependent on state of chondrocyte maturation and whether the pretreatment of chondrocytes with growth factors has an influence on the cartilage formation. Scaffolds were manufactured from 80 % PLG with a 75:25 lactide:glycolide ratio and 20 % modified PLG with a 50:50 lactide:glycolide ratio (PLG-H scaffolds). For each experimental group, four nude mice received two identical implants, one in each calf muscle resulting in an N = 8 implants: PLG-H scaffolds alone; PLG-H scaffolds with cells derived from either the femoral articular cartilage, costochondral periochondrium, or costochondral resting zone cartilage of 125 g male Sprague-Dawley rats; PLG-H scaffolds with either articular chondrocytes or resting zone chondrocytes that were pretreated with 37,5 ng/ml rhPDGF-BB for 4 h or 24 h before implantation, or with perichondrial cells treated with PDGF-BB plus 0,22 ng/ml rhTGFβ-1 for 4 h and 24 h. At 4 or 8 weeks after implantation, samples were harvested and analyzed histomorphometrically for new cartilage formed, area of residual implant and area of fibrous connective tissue. Only resting zone cells showed the ability to form new cartilage at a heterotopic site in this study. There was no neocartilage found in nude mice with implants loaded with either articular chondrocytes or perichondrial cells. Pretreatment of resting zone chondrocytes for 4 h prior to implantation significantly increased the amount of newly formed cartilage after 8 weeks and suppressed chondrocyte hypertrophy. The amount of fibrous connective tissue around implants containing either articular chondrocytes or perichondrial cells decreased with time, whereas the amount of fibrous connective tissue around implants containing resting zone chondrocytes pretreated with PDGF-BB was increased. The results showed that resting zone cells can be successfully incorporated into biodegradable porous PLG scaffolds and can induce new cartilage formation in a non-weight-bearing site. Articular chondrocytes as well as perichondrial cells did not have the capacity for neochondrogenesis when implanted heterotopically in this model.