Bone tissue engineering using mesenchymal stem cells

Adamzyk, Carina; Neuß-Stein, Sabine; Jahnen-Dechent, Wilhelm

doi:34415

Bone tissue engineering using mesenchymal stem cells = Matrix-basierter Knochenersatz mit mesenchymalen Stammzellen

Adamzyk, Carina

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Carina Adamzyk

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangXIV, 107 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Jahnen-Dechent, Wilhelm (Thesis advisor) ; Neuß-Stein, Sabine (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-07-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-034671
DOI: 10.18154/RWTH-2015-03467
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/480144/files/480144.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biowissenschaften, Biologie (frei) ; stem cells (frei) ; tissue engineering (frei) ; biomatierials (frei) ; bone (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Der Ersatz von Knochengewebe ist ein häufiges Ziel in der rekonstruktiven Chirurgie. DieTransplantation autolgen Knochens gilt aktuell aufgrund der hohen Zuverlässigkeit als Goldstandard,unterliegt jedoch diversen Limitierungen, wie begrenzter Verfügbarkeit und Spendermorbiditat. Fortschritte in Materialwissenschaften und Stammzellforschung machen den tissue-engineerten Knochenersatz jedoch zu einer vielversprechenden Alternative. Eigenschaften wie Biokompatibilität, mechanische Stabilität und die Förderung neuen, bzw. die Unterstützung bereits vorhandenen Knochenwachstums entsprechen den idealen Eigenschaften eines solchen künstlichen Knochenersatzes. Ziel dieser Studie war die Untersuchung eines tissue-engineerten Konstruktes aus einer Kombination von dreidimensionalen (3D) Trägermaterialien und mesenchymalen Stammzellen. Die Materialien Poly D,L-Lactat (PDLLA), Polyetherketonketon(PEKK) und (Hydroxylapatit-modifizierte) Seide der Seidenspinnerraupe Bombyx mori wurden aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften, wie Biodegradierbarkeit, Osteokonduktivität und Biokompatibilität ausgewählt. Mesenchymale Stammzellen sind adulte multipotente Stammzellen,die durch entsprechende Stimulation in Osteoblasten differenzieren. Daher sind MSC ein favorisierter Zelltyp für das Tissue Engineering des Knochens. Im ersten Teil der Studie wurde die Kompatibilität der Trägermaterialien in Zellkultur überprüft. Dabei wurden die Adhäsion und osteogene Differenzierung humaner und oviner (Ursprung Schaf) MSC von allen Materialien unterstützt. Im zweiten Teil der Studie wurden die 3D Trägermaterialien in 10 mm große Defekte der Schafskalotte implantiert, entweder zellfrei, MSC-besiedelt oder mit osteogen vordifferenzierten MSC-besiedelt. Die MSC entstammten dabei den autologen ovinen Spendern. Nach drei Monaten wurden die Implantate auf das Volumen und die Qualität des neu gebildeten Knochens untersucht. Wider Erwarten, konnte dabei kein Unterschied zwischen den zellfreien und den zellbesiedelten Implantaten festgestellt werden. Das Ausbleiben des erwarteten Effekts war vermutlich durch die Bildung einer fibrotischen Kapsel um die Implantate bedingt. Insgesamt wurden aber in den mit PEKK und Hydroxylapatit-modfiizierter Seide behandelten Defekten (zellfrei oder zellbesiedelt) große Mengen neugebildeten Knochens gefunden. Damit sind diese Materialien weiterhin für den potentiellen Einsatz als Knochenersatzmaterial geeignet. Die spezifische Grundlagenforschung zur fibrosefreien Integration von Biomaterialien ist jedoch von größter Bedeutung für die zukünftige Forschung im Tissue Engineering.

Finding a suitable material to be used in bone transplantations is a general objective in reconstructivesurgery. Currently, autologous bone transplants are favored by most surgeons due totheir reliability, however availability and donor morbidity are considerable drawbacks of this treatment. Tissue engineering has developed into a promising alternative, because the variety of biomaterials and the expertise in stem cell research are both rapidly increasing. The ideal tissue-engineered bone graft provides biocompatibility, bone-like mechanical stability, osseointegration and formation of new bone tissue. The goal of this study was to examine scaffolds of poly D,L-lactic acid (PDLLA), polyetherketoneketone (PEKK), and (hydroxyapatite-modied) silk from silk worm Bombyx mori in combination with mesenchymal stem cells (MSC) to be used for the purpose of a tissue-engineered bone graft. The chosen materials offer individual advantages such as degradability, cost-efficient production, radiolucency and biocompatibility.MSC are adult multipotent stem cells which are capable of differentiating into osteoblasts upon stimulation. Therefore, MSC are a frequently applied cell type in bone tissue engineering. The results of the In vitro tests showed that all scaffolds supported the attachment and osteogenic differentiation of both human and ovine (sheep origin) MSC. In subsequent in vivo experiments, scaffolds were implanted either cell-free, seeded with autologous ovine MSC, or seeded with osteogenically pre-dierentiated autologous ovine MSC, into sheep calvarial defects of 10 mm diameter. After three months, the implants were examined for the volume and quality of newly formed bone. Surprisingly, the MSC seeding did not result in an enhanced bone formation in comparison to the cell-free samples. We hypothezise that the absence of the presumed enhancing effect of MSC was due to a fibrous capsule, which had formed around the scaffolds. Nevertheless, PEKK and hydroxyapatite-modied silk scaffolds supported new bone formation, either with or without MSC seeding and are thus potential scaffolds for bone tissue engineering. More basic research is needed however, to identify relevant factors for improved tissue integration of transplants, while at the same time avoiding fibrous capsule formation.

OpenAccess:
PDF
(additional files)