Refine
Document Type
- Article (3)
- Doctoral Thesis (2)
Has Fulltext
- yes (5)
Is part of the Bibliography
- no (5) (remove)
Keywords
- BMC (5) (remove)
Institute
- Medizin (5)
Objectives: Reconstruction of long segmental bone defects is demanding for patients and surgeons, and associated with long-term treatment periods and substantial complication rates in addition to high costs. While defects up to 4–5 cm length might be filled up with autologous bone graft, heterologous bone from cadavers, or artificial bone graft substitutes, current options to reconstruct bone defects greater than 5 cm consist of either vascularized free bone transfers, the Masquelet technique or the Ilizarov distraction osteogenesis. Alternatively, autologous cell transplantation is an encouraging treatment option for large bone defects as it eliminates problems such as limited autologous bone availability, allogenic bone immunogenicity, and donor-site morbidity, and might be used for stabilizing loose alloplastic implants.
Methods: The authors show different cell therapies without expansion in culture, with ex vivo expansion and cell therapy in local bone defects, bone healing and osteonecrosis. Different kinds of cells and scaffolds investigated in our group as well as in vivo transfer studies and BMC used in clinical phase I and IIa clinical trials of our group are shown.
Results: Our research history demonstrated the great potential of various stem cell species to support bone defect healing. It was clearly shown that the combination of different cell types is superior to approaches using single cell types. We further demonstrate that it is feasible to translate preclinically developed protocols from in vitro to in vivo experiments and follow positive convincing results into a clinical setting to use autologous stem cells to support bone healing.
Die Therapie des critical size defects stellt eine große Herausforderung der Medizin dar. Die Knochendefekte können beispielsweise in Folge von Tumorresektionen, Knochenheilungsstörungen oder nach Frakturen entstehen. Den aktuellen Goldstandard in der Therapie großer Knochendefekte stellt die Transplantation von autologem Knochenmaterial dar. Die Entnahme des Materials aus dem Beckenkamm ist allerdings mit Nachteilen wie der Entnahmemorbididät verbunden. Alternativ können Tissue-Engineering Techniken eingesetzt werden, bei denen Zellen mit regenerativem Potential mit Knochenersatzmaterialien und Wachstumsfaktoren kombiniert werden, um eine Defektheilung zu erzielen. Der Einsatz von bone marrow mononuclear cells (BMC) mit einem osteokonduktiven Gerüst wie b-TCP hat sich als geeignetes Therapiekonzept bewiesen. Einen weiteren Ansatz stellt die Verwendung von autologen Blutkonzentraten wie beispielsweise des platelet rich fibrin (PRF) dar. Das PRF kann innerhalb weniger Minuten aus patienteneigenem Blut mittels Zentrifugation hergestellt und direkt angewandt werden. Durch seine charakteristische dreidimensionale Fibrinmatrix dient das PRF als Reservoir für Wachstums- und Regenerationsfaktoren.
Die Kombination von BMC mit PRF könnte also durch die gesteigerte Konzentration an Zytokinen und Wachstumsfaktoren wie VEGF und TGF-b zu einer Unterstützung der regenerativen Wirkung der BMC führen. Ziel dieser Arbeit war es daher, den Effekt von PRF auf BMC in vitro zu analysieren.
In Anlehnung an das low speed centrifugation concept wurden zwei verschiedene PRF-Matrices hergestellt. Diese wurden entweder mit mittlerer relativer Zentrifugalbeschleunigung (RCF) (208g) oder mit geringer RCF (60g) zentrifugiert. Um eine geeignete Konzentration des PRF zur Kombination mit den BMC zu finden, wurde im Vorfeld eine Dosisfindungskurve erstellt. Zu diesem Zweck wurde der Einfluss ansteigender PRF-Konzentrationen auf die metabolische Aktivität der BMC nach 7 Tagen Inkubation analysiert. Wir konnten einen Trend zu erhöhten Werten bei einer Konzentration von 10% des PRF beobachten. Die metabolische Aktivität der BMC wurde durch höhere PRF-Konzentrationen nicht weiter gesteigert.
Aufgrund dieser Ergebnisse wurde für die nachfolgenden Experimente eine Konzentration von 10% der PRF-Aufbereitungen und der Serum-Kontrolle eingesetzt.
Zur Charakterisierung der beiden PRF-Aufbereitungen wurde der Gehalt an Wachstumsfaktoren im Vergleich zu humanem Serum untersucht. Es zeigten sich signifikant gesteigerte Konzentrationen von Insulin-like Growth Factor-1 (IGF-1), soluble Intercellular Adhesion Molecule-1 (sICAM-1) und Transforming Growth Factor-b (TGF-b) in dem PRF. Bezüglich des Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF)-Gehaltes ließ sich allerdings kein Unterschied zwischen humanem Serum und den PRF-Matrices darstellen.
Der Effekt des PRF low-RCF und PRF medium-RCF auf die Viabilität der BMC wurde anhand der metabolischen Aktivität nach 2, 7 und 14 Tagen Inkubation untersucht. Als Kontrollgruppe diente hierbei der Zusatz von humanem Serum. Die metabolische Aktivität der BMC zeigte sich an Tag 14 in allen Gruppen signifikant gesteigert.
Außerdem konnten wir zeigen, dass der Zusatz von PRF zu BMC zu einer statistisch signifikant erhöhten Genexpression der Matrix-Metalloproteasen (MMP) -2, -7 und - 9 im Vergleich zur Serum-Kontrollgruppe führt.
In unseren Versuchen konnte nachgewiesen werden, dass die apoptotische Aktivität der BMC durch Kombination mit PRF nicht negativ beeinflusst wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich PRF-Matrices als geeignete allogene oder autologe Quelle von Wachstums- und Regenerationsfaktoren nutzen lassen. Sie besitzen damit die Kapazität, Zellen wie die BMC zu stimulieren und zu aktivieren. Unsere Studie zeigt, dass der Zusatz von PRF für BMC-gestützte Therapien förderlich sein könnte. Dies muss jedoch in geeigneten Tiermodellen überprüft werden.
BACKGROUND: Local implantation of ex vivo concentrated, washed and filtrated human bone marrow-derived mononuclear cells (BMC) seeded onto β-tricalciumphosphate (TCP) significantly enhanced bone healing in a preclinical segmental defect model. Based on these results, we evaluated in a first clinical phase-I trial safety and feasibility of augmentation with preoperatively isolated autologous BMC seeded onto β-TCP in combination with angle stable plate fixation for the therapy of proximal humeral fractures as a potential alternative to autologous bone graft from the iliac crest.
METHODS: 10 patients were enrolled to assess whether cell therapy with 1.3 × 106 autologous BMC/ml/ml β-TCP, collected on the day preceding the definitive surgery, is safe and feasible when seeded onto β-TCP in patients with a proximal humeral fracture. 5 follow-up visits for clinical and radiological controls up to 12 weeks were performed.
RESULTS: β-tricalciumphosphate fortification with BMC was feasible and safe; specifically, neither morbidity at the harvest site nor at the surgical wound site were observed. Neither local nor systemic inflammation was noted. All fractures healed within the observation time without secondary dislocation. Three adverse events were reported: one case each of abdominal wall shingles, tendon loosening and initial screw perforation, none of which presumed related to the IND.
CONCLUSIONS: Cell therapy with autologous BMC for bone regeneration appeared to be safe and feasible with no drug-related adverse reactions being described to date. The impression of efficacy was given, although the study was not powered nor controlled to detect such. A clinical trial phase-II will be forthcoming in order to formally test the clinical benefit of BMC-laden β-TCP for PHF patients. Trial registration The study was registered in the European Clinical Trial Register as EudraCT No. 2012-004037-17. Date of registration 30th of August 2012. Informed consent was signed from all patients enrolled.
Bei Knochendefekten kritischer Größe gestaltet sich die selbstständige Regeneration als nahezu unmöglich, weshalb es nötig ist die Therapie zu optimieren. Die Verwendung autologer Spongiosatransplantate stellt den aktuellen Goldstandard dar, was jedoch mit einer Reihe von Komplikationen, beispielsweise Schmerzen an der Entnahmestelle oder Wundheilungsstörungen verbunden ist. Das Knochen Tissue Engineering repräsentiert eine aussichtsreiche Alternative. Die Kombination eines osteokonduktiven Gerüststoffes mit regenerativen Zellen, wie zum Beispiel mononukleäre Zellen des Knochenmarks (BMC), stellt einen vielversprechenden Ansatz dar. Die BMCs haben im Vergleich zu anderen verwendbaren Zelltypen, z.B. mesenchymale Stammzellen (MSCs) oder endothelialen Vorläuferzellen (EPCs), den entscheidenden Vorteil einer kurzen Aufbereitungszeit, wodurch die definitive Frakturversorgung beschleunigt wird.
Mittels Inhibierung von MicroRNAs (miRNAs) mit Einfluss auf das osteogene und angiogene Potenzial der BMCs soll dieses System weiter verbessert werden. MiRNAs umfassen eine Gruppe kurzer, nicht-codierender RNAs die an der Steuerung grundlegender biologischer Prozesse beteiligt sind. Im Rahmen dieser Studie sind die MIR92A sowie MIR335 von besonderem Interesse. MIR92A blockiert die Angiogenese durch Verringerung der Expression des pro-angiogenen Proteins Integrin alpha 5 (ITGA5, CD51) sowie durch die Aktivierung des Notch-Signalweges um die Vascular endothelial growth factor (VEGF)-induzierte Blutgefäßbildung zu reduzieren. MIR335 hemmt über die Verringerung der Proteinkonzentration des Runt-related transcription factor 2 (RUNX2) die Proliferation und Differenzierung von humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSCs) zu osteogenen Zellen. Aufgrund der erläuterten Erkenntnisse sollte in dieser Arbeit überprüft werden, ob die Neutralisation von MIR92A (Vaskularisierung) und MIR335 (osteogene Differenzierung) in BMCs mittels spezifischer antiMIR zu einer weiteren Verbesserung der BMC gestützten Therapie großer Knochendefekte führt.
Im ersten Teil der Versuche wurde das Prinzip der Lipotransfektion, zur Einbringung der Antikörper gegen die miRNAs in BMCs, optimiert und die Transfektionseffizenz bestimmt. In Abhängigkeit von der Zellsorte wurden mit 30 % - 69 % ausreichend hohe Transfektionseffizenzen erzielt, um jeweils 24 h nach Transfektion einen signifikanten Rückgang der Target-miRNA-Konzentrationen zu erreichen.
Nachdem die Wirksamkeit der Transfektion nachgewiesen war, wurden im zweiten Teil der Experimente die spezifischen Effekte der antiMIR auf die Zielgene überprüft. Der Einsatz von antiMIR92A führte nach 72 h zu einer erhöhten Genexpression von ITGA5 sowie VEGFA, zwei für die Angiogenese entscheidende Proteine. Zusätzliche konnte mittels FACS-Analyse eine signifikant gesteigerte CD51-Oberflächenexpression dokumentiert werden. Bei der Verwendung von antiMIR335 konnte eine verstärkte Expression der für die osteogene Differenzierung entscheidenden Indikatoren RUNX2 und BMP2 nachgewiesen werden. Die additionale Gabe von VEGFA (MIR92A) oder BMP2 (MIR335) konnte nach 48 h einen Trend zu verstärkter ITGA5 und VEGFA, beziehungsweise RUNX2 und BMP2 Expression erkennen lassen.
Zusammenfassend hat diese Studie verdeutlicht, dass die Inhibierung der MIR92A und MIR335 eine vielversprechende Möglichkeit bietet, das BMC gestützte Knochen Tissue Engineering weiter zu optimieren.
Determination of the effective dose of bone marrow mononuclear cell therapy for bone healing in vivo
(2020)
Introduction: Cell-based therapy by bone marrow mononuclear cells (BMC) in a large-sized bone defect has already shown improved vascularization and new bone formation. First clinical trials are already being conducted. BMC were isolated from bone marrow aspirate and given back to patients in combination with a scaffold within some hours. However, the optimal concentration of BMC has not yet been determined for bone healing. With this study, we want to determine the optimal dosage of the BMC in the bone defect to support bone healing.
Material and methods: Scaffolds with increasing BMC concentrations were inserted into a 5 mm femoral defect, cell concentrations of 2 × 106 BMC/mL, 1 × 107 BMC/mL and 2 × 107 BMC/mL were used. Based on the initial cell number used to colonize the scaffolds, the groups are designated 1 × 106, 5 × 106 and 1 × 107 group. Bone healing was assessed biomechanically, radiologically (µCT), and histologically after 8 weeks healing time.
Results: Improved bone healing parameters were noted in the 1 × 106 and 5 × 106 BMC groups. A significantly higher BMD was observed in the 1 × 106 BMC group compared to the other groups. Histologically, a significantly increased bone growth in the defect area was observed in group 5 × 106 BMC. This finding could be supported radiologically.
Conclusion: It was shown that the effective dose of BMC for bone defect healing ranges from 2 × 106 BMC/mL to 1 × 107 BMC/mL. This concentration range seems to be the therapeutic window for BMC-supported therapy of large bone defects. However, further studies are necessary to clarify the exact BMC-dose dependent mechanisms of bone defect healing and to determine the therapeutically effective range more precisely.