Von der Nase ins Knie: 3D-Implan­ta­te aus eige­nen Knorpelzellen

O. Pullig, L. Schubert
Um nach einer Sportverletzung oder einem Unfall Schäden am Knorpelgewebe des Knies zu heilen, werden verschiedene zellbasierte Therapieverfahren angewandt. Limitierungen dieser Verfahren sind u. a. die geringe Knorpelmatrixproduktion bei älteren Patienten und die Notwendigkeit einer Entnahme von Eigenknorpel aus dem Kniegelenk. Eine schonendere Alternative bietet das im europäischen Projekt »BIO-CHIP« erarbeitete Verfahren, bei dem Nasenknorpel als Ausgangsmaterial für ein Knorpelimplantat im Knie dient.

Nasen­knor­pel­zel­len wei­sen eine hohe Fähig­keit zur Knor­pel­ma­trix­pro­duk­ti­on auf, was beson­ders wich­tig für die Elas­ti­zi­tät des Knie­ge­lenks­knor­pels ist. Aktu­ell wird das Ver­fah­ren mit zwei ­bezüg­lich des Rei­fe­grads unter­schied­li­chen Implan­tat­ty­pen in der kli­ni­schen Anwen­dung an über 100 Pati­en­ten erprobt, um die Wirk­sam­keit von Nasen­knor­pel­im­plan­ta­ten für die Behand­lung foka­ler Knie­de­fek­te nachzuweisen.

Klei­ne Ver­let­zung – gro­ßes Risiko

Unser Knie ist Dreh- und Angel­punkt unse­rer Bewe­gung und dem­entspre­chend gro­ßen Belas­tun­gen aus­ge­setzt. Es kommt daher oft zu Gewe­be­schä­den durch Unfäl­le oder Sport­ver­let­zun­gen, die durch eine Knie­ope­ra­ti­on behan­delt wer­den müs­sen. Da Knor­pel nicht von selbst hei­len kann, kön­nen auch aus klei­nen unbe­han­del­ten Ver­let­zun­gen im Lau­fe der Zeit ein grö­ße­rer Knor­pel­scha­den und eine Arthro­se ent­ste­hen. Dann wird aus einer klei­nen Ope­ra­ti­on eine gro­ße – das Knie­ge­lenk muss durch ein künst­li­ches Implan­tat ersetzt wer­den; der Hei­lungs­pro­zess ist auf­wen­dig und teu­er. Ziel des euro­päi­schen Pro­jekts »BIO-CHIP – Bio­en­gi­nee­red Grafts for Car­ti­la­ge Healing In Pati­ents« ist daher die Ent­wick­lung einer neu­en, effiziente­ren Behand­lungs­me­tho­de für Gewe­be­schä­den im Knie, die früh­zei­tig grei­fen und eine dau­er­haf­te Her­stel­lung der nor­ma­len Gelenk­funk­ti­on ermög­li­chen soll.

Neu­er Defekt im Knie – aktu­el­le Therapieverfahren

Aktu­el­le The­ra­pie­ver­fah­ren mit kör­per­ei­ge­nem Aus­gangs­ma­te­ri­al benut­zen Knor­pel­zel­len, die in der Regel mit­tels einer klei­nen Knor­pel­bi­op­sie des Knie­ge­len­kes gewon­nen wer­den. Die­se Ver­fah­ren haben aber zum einen den Nach­teil, dass die Men­ge an Knor­pel­zel­len, die sich iso­lie­ren und ver­meh­ren lässt, gering ist; zum ande­ren muss ein Defekt in einer weit­ge­hend funk­tio­nell intak­ten Knor­pel­ma­trix her­vor­ge­ru­fen wer­den, um das Aus­gangs­ma­te­ri­al zu gewinnen.

Fol­gen­de Ver­fah­ren wer­den der­zeit angewandt:

  • Bei der Pri­die-Boh­rung wird auf kör­per­ei­ge­ne Zel­len ver­zich­tet und nur die sub­chon­dra­le Kno­chen­la­mel­le mecha­nisch punk­tiert, sodass sich aus der Ein­blu­tung ein Blut­klot mit Blut­stamm­zel­len bil­det. Hier­aus ent­wi­ckelt sich im wei­te­ren Ver­lauf ein Faser­knor­pel, der jedoch nur unge­nü­gen­de Eigen­schaf­ten hat, um den hohen Ansprü­chen an Belas­tung und Elas­ti­zi­tät zu genügen.
  • In einem alter­na­ti­ven Ver­fah­ren wird aus dem Knie­ge­lenk Knor­pel­ma­te­ri­al ent­nom­men und die hier­aus iso­lier­ten Knor­pel­zel­len ver­mehrt und in eine Stütz­struk­tur ein­ge­bracht. Die­se Metho­de erfor­dert eine Knor­pel­bi­op­sie­ent­nah­me aus einer intak­ten Gelenk­re­gi­on und ist durch das begrenz­te Wachs­tum der Knor­pel­zel­len bei älte­ren Pati­en­ten (> 50 Jah­re) oft­mals nicht anwendbar.
  • Das euro­pa­weit bereits zuge­las­se­ne Sphe­rox-Ver­fah­ren setzt eben­falls auf die Ent­nah­me von Knor­pel­ge­we­be und die Iso­lie­rung und Ver­meh­rung der Knor­pel­zel­len, jedoch wer­den die­se in Form klei­ner Kügel­chen gezüch­tet, die dann in den Defekt plat­ziert wer­den und eine anschlie­ßen­de Defekt­de­ckung bedingen.

Pro­jekt „BIO-CHIP“ – alter­na­ti­ve Knorpel­implantate bei foka­len Kniegelenksdefekten

Eine ganz neue Alter­na­ti­ve bie­tet das von der Euro­päi­schen Uni­on geför­der­te Pro­jekt „BIO-CHIP“. Das Pro­jekt wird im Rah­men des euro­päi­schen For­schungs­rah­men­pro­gramms „Hori­zont 2020“ unter dem För­d­er­kenn­zei­chen Nr. 681103 geför­dert. In umfang­rei­cher For­schungs­ar­beit hat das Uni­ver­si­täts­spi­tal Basel – Pro­jekt­ko­or­di­na­tor von »BIO-CHIP« – gezeigt, dass Nasen­knor­pel als Aus­gangs­ma­te­ri­al für ein Knor­pel­im­plan­tat im Knie die­nen kann. Nasen­knor­pel­zel­len wei­sen eine hohe Ver­meh­rungs­ra­te und eine eben­falls hohe Knor­pel­ma­trix­pro­duk­ti­on auf – beson­ders güns­ti­ge Eigen­schaf­ten für die Her­stel­lung gezüch­te­ten Gelenkknorpels.

Aktu­ell wird das Ver­fah­ren mit einer geringinva­si­ven Entnahme­methode in der kli­ni­schen Prü­fung an über 100 Pati­en­ten erprobt, um die Wirk­sam­keit der Nasen­knor­pel­im­plan­ta­te für die Behand­lung foka­ler Knor­pel­de­fek­te am Knie nach­zu­wei­sen. Dabei wird auch ein ähn­li­ches Pro­dukt geprüft, bei dem die über­wie­gen­de Rei­fung des Knor­pel­ge­we­bes in sei­ner natür­li­chen Umge­bung – dem Knie­ge­lenk des Pati­en­ten – stattfindet.

Um Knor­pel­ge­we­be aus der Nase eines betrof­fe­nen Pati­en­ten zu ent­neh­men, ist eine Ent­nah­me­er­laub­nis nötig, deren Gewäh­rung sich bezüg­lich Umfang, Inhalt und nach­zu­wei­sen­den Unter­la­gen, aber auch hin­sicht­lich der Bear­bei­tungs­zeit je nach Län­der­zu­stän­dig­keit unter­schei­det. Die kli­ni­schen Zen­tren des Pro­jekts – das Uni­ver­si­täts­spi­tal Basel, das Uni­ver­si­täts­kli­ni­kum Frei­burg, das ­Galeaz­zi-Insti­tut in Mai­land, das Uni­ver­si­täts­hos­pi­tal Zagreb sowie die Ortho­pä­di­sche Kli­nik König-Lud­wig-Haus Würz­burg – sind inner­halb des Pro­jekts für die Rekru­tie­rung der Pati­en­ten, die Dia­gno­se­stel­lung, die nöti­gen Ope­ra­tio­nen und die Nach­sor­ge­un­ter­su­chun­gen zustän­dig. Trotz eines ein­heit­li­chen euro­päi­schen Rechts­rah­mens müs­sen dabei zudem die natio­na­len Sicht­wei­sen bei der Geneh­mi­gung und der Durch­füh­rung der kli­ni­schen Prü­fung berück­sich­tigt werden.

Das Fraun­ho­fer-Trans­la­ti­ons­zen­­trum für Rege­ne­ra­ti­ve The­ra­pien ­TLZ-RT des Fraun­ho­fer ISC hat die Auf­ga­be, die kli­ni­schen Prüf­prä­pa­ra­te bzw. Knor­pel­im­plan­ta­te her­zu­stel­len. Bei die­sen Implan­ta­ten han­delt es sich um gewe­be­ba­sier­te neu­ar­ti­ge Arz­nei­mit­tel, soge­nann­te Advan­ced The­ra­py Medi­ci­nal Pro­ducts (ATMPs), in Kom­bi­na­ti­on mit einem Medi­zin­pro­dukt, in die­sem Fall der struk­tur­ge­ben­den Kollagenmatrix.

Laut Arz­nei­mit­tel­ge­setz und Arz­nei­mit­tel- und Wirk­stoff­her­stel­lungs­ver­ord­nung gel­ten für die Her­stel­lung streng regu­lier­te Anfor­de­run­gen, die den euro­päi­schen „Leit­li­ni­en der Guten Her­stel­lungs­pra­xis“ („Good Manu­fac­tu­ring Prac­ti­ce“ = GMP) ent­spre­chen müs­sen. Um die Herstell­erlaubnis für die vor­ge­se­he­nen Implan­ta­te zu erhal­ten, hat das Fraun­­ho­fer-Trans­la­ti­ons­zen­trum im Vor­feld daher umfang­rei­che Qua­li­täts­si­che­rungs­maß­nah­men vor­ge­nom­men, bei­spiels­wei­se die Qua­li­fi­zie­rung der Mit­ar­bei­ter, die Vali­die­rung der Ver­fah­rens­schrit­te und die Anpas­sung der Dokumentation.

Mit der Her­stel­ler­laub­nis für die zwei Pro­dukt­ty­pen „N‑TEC“ („Nasal Car­ti­la­ge Tis­sue Engi­nee­red Carti­lage“) und „N‑CAM“ (»Nasal Car­ti­la­ge Cell Acti­va­ted Matrix«) zur Behand­lung von Knor­pel­de­fek­ten konn­te das Zen­trum seit Mai 2017 bereits 61 Pro­duk­te her­stel­len, die in den betei­lig­ten Kli­ni­ken erfolg­reich implan­tiert wur­den. Durch die regu­la­to­ri­sche Exper­ti­se, den aus­ge­klü­gel­ten Her­stell­pro­zess und die effi­zi­en­te Logis­tik ste­hen neue Implan­ta­te inner­halb von zwei bis vier Wochen bereit.

Von der Nase ins Knie – 3D-Implan­ta­te aus eige­nen Knorpelzellen

Für die Züch­tung der Knor­pel­zel­len im Labor ent­neh­men die Kli­nik­part­ner dem Pati­en­ten in einer ers­ten Ope­ra­ti­on Knor­pel­ge­we­be aus der Nasen­schei­de­wand in einer Grö­ße von ca. einem Qua­drat­zen­ti­me­ter. Dabei bleibt das Peri­chon­dri­um (die Knor­pel­haut) weit­ge­hend erhal­ten. Da es sich um eine gän­gi­ge, unkom­pli­zier­te OP han­delt, die auch für ande­re Zwe­cke durch­ge­führt wird, ist die Ver­let­zung in der Regel schnell ver­heilt. Der Pati­ent erhält eine Tam­po­na­de, die am nächs­ten Tag ent­fernt wird. In der Regel wird dann nicht mehr nach­kon­trol­liert, und es ist auch kein wei­te­rer Arzt­be­such not­wen­dig. Für die Nähr­flüs­sig­keit, in der das neue Knor­pel­ge­we­be spä­ter gezüch­tet wer­den soll, wird dem Pati­en­ten zusätz­lich Eigen­blut entnommen.

Der anschlie­ßen­de Trans­port von ent­nom­me­nem Gewe­be und Blut sowie des her­ge­stell­ten Implan­tats erfolgt unter fest­ge­leg­ten Stan­dards, der soge­nann­ten Guten Ver­triebs­pra­xis („Good Dis­tri­bu­ti­on Prac­ti­ce“ = GDP). Dabei wer­den Tem­pe­ra­tur und Lauf­zei­ten von der Ver­pa­ckung der Pro­duk­te über den Kurier­trans­port bis hin zur implan­tie­ren­den Ein­rich­tung doku­men­tiert, um die Qua­li­tät und die Unver­sehrt­heit des Aus­gangs­ma­te­ri­als und der emp­find­li­chen Arz­nei­mit­tel sicher­zu­stel­len. Wäh­rend des Trans­ports über­wacht bei­spiels­wei­se ein Daten­log­ger, ob die vor­ge­schrie­be­ne Tem­pe­ra­tur von 2 bis 8 °C ein­ge­hal­ten wird. Das Fraun­ho­fer-Trans­la­ti­ons­zen­trum kon­trol­liert sodann nach Ein­gang der Aus­gangs­ma­te­ria­li­en (Nasen­biopsie, Eigen­blut), ob alle vor­her fest­ge­leg­ten Qua­li­täts­kri­te­ri­en ein­ge­hal­ten wurden:

  • Ist die Ver­pa­ckung unversehrt?
  • Hat das Knor­pel­stück die kor­rek­te Größe?
  • Zeigt der Daten­log­ger wäh­rend des Trans­ports immer die rich­ti­ge Tem­pe­ra­tur an?

Ent­spre­chen Nasen­knor­pel und Blut den fest­ge­leg­ten Spe­zi­fi­ka­tio­nen, wird das Knor­pel­ge­we­be im Rein­raum (Klas­se A in B) auf­be­rei­tet (Abb. 1): Der Knor­pel­ver­bund wird mecha­nisch zer­klei­nert und enzy­ma­tisch auf­ge­schlos­sen, sodass sich die ein­zel­nen Zel­len aus dem fes­ten Ver­bund lösen. Inner­halb von zwei Wochen ver­meh­ren sich die­se Zel­len im Nähr­me­di­um, das u. a. aus Eigen­blut­se­rum her­ge­stellt wird, unter kon­trol­lier­ten Tem­pe­ra­tur- und Gas­be­din­gun­gen. Anschlie­ßend wer­den sie enzy­ma­tisch abge­löst, zen­tri­fu­gi­ert und gewa­schen und sodann auf ihre 3D-Trä­ger­struk­tur auf­ge­bracht. Die­se als Medi­zin­pro­dukt zuge­las­se­ne Kol­la­gen­ma­trix hat eine unter­schied­li­che Beschaf­fen­heit: Die Ober­sei­te ist glatt, die Unter­sei­te auf­ge­lo­ckert, sodass dort die Zel­len bes­ser ein­wach­sen kön­nen (Abb. 2).

Für ein aus­ge­reif­tes Knor­pel­im­plan­tat benö­tigt das Fraun­ho­fer-Trans­la­ti­ons­zen­trum wei­te­re zwei Wochen. Die auf­ge­brach­ten Zel­len schal­ten in die­ser Zeit von Pro­li­fe­ra­ti­on (Ver­meh­rung) auf Matrix­auf­bau um, d. h., sie ver­wer­ten das Kol­la­gen und bau­en dar­aus ihre eige­ne Knor­pel­ma­trix (Abb. 3 u. 4). Die­ses fer­ti­ge Knor­pel­im­plan­tat zeich­net sich durch einen hohen Gehalt an typi­schen Knor­pel­pro­te­inen aus.

Nach der Her­stel­lung des für jeden Pati­en­ten indi­vi­du­ell gefer­tig­ten Implan­tats erfolgt der Frei­ga­be­pro­zess durch die Über­prü­fung der Frei­ga­be­kri­te­ri­en. So wird bei­spiels­wei­se ein klei­nes Stück des her­ge­stell­ten Pro­duk­tes his­to­lo­gisch ana­ly­siert, um die fol­gen­den Aspek­te zu prüfen:

  • Sind die Zel­len in aus­rei­chen­dem Maße vorhanden?
  • Ent­spricht die Zell­mor­pho­lo­gie der einer typi­schen Knorpelzelle?
  • Hat eine aus­rei­chen­de Matrix­pro­duk­ti­on statt­ge­fun­den (Abb. 5)?

Erst wenn das Pro­dukt sämt­li­che Qua­li­täts­kri­te­ri­en erfüllt hat (Abb. 6), erfolgt der Ver­sand zur Kli­nik. Die betei­lig­ten Ortho­pä­den set­zen sodann das Implan­tat in einer zwei­ten Ope­ra­ti­on in das betrof­fe­ne Knie des Pati­en­ten ein.

Bei der Her­stel­lung des zwei­ten Pro­duk­tes (N‑CAM) wird die Rei­fe­dau­er des Implan­ta­tes um etwa 10 Tage ver­kürzt. Hier möch­ten die Wis­sen­schaft­ler wis­sen, ob sich eine Rei­fung im Pati­en­ten güns­ti­ger auf das Ein­wachs­ver­hal­ten des Implan­ta­tes auswirkt.

Bei­de Implan­tat­ty­pen sind als Neu­ar­ti­ge Arz­nei­mit­tel für die Prü­fung im Rah­men der kli­ni­schen Stu­die zuge­las­sen. Mit der Exper­ti­se in der Her­stel­lung die­ser Pro­duk­te kön­nen die betei­lig­ten Kli­ni­ken die­ses Ver­fah­ren ihren Pati­en­ten unter Beach­tung der regu­la­to­ri­schen Rah­men­be­din­gun­gen im Rah­men einer kli­ni­schen Prü­fung als The­ra­pie­op­ti­on anbieten.

Pati­en­ten-Moni­to­ring – bis­he­ri­ge Erfolge

Bis­lang sind 108 Pati­en­ten für das neue Ver­fah­ren vor­ge­se­hen. Davon haben bereits 61 Pati­en­ten Implan­ta­te erhal­ten; die Hälf­te der ein­ge­setz­ten Implan­ta­te reif­te hier­bei vol­le 13 Tage in den Herstellungsräumen.

Vor dem Behand­lungs­be­ginn wur­de das geschä­dig­te Knie­ge­lenk der Pati­en­ten im MRT unter­sucht. Eine wei­te­re MRT-Unter­su­chung erfolgt jeweils nach 3, 12 und 24 Mona­ten. Dar­über hin­aus las­sen sich durch Befra­gun­gen der Pati­en­ten zu ihrem sub­jek­ti­ven Emp­fin­den Aus­sa­gen über die Wirk­sam­keit der Behand­lung ablei­ten. Hier inter­es­sie­ren die Ärz­te sich u. a. für die fol­gen­den Aspekte:

  • Wie las­sen sich die all­täg­li­chen Tätig­kei­ten im Zusam­men­hang mit Bewe­gung bewältigen?
  • Wie hoch ist das Schmerz­emp­fin­den all­ge­mein und bei ver­schie­de­nen Tätigkeiten?
    Außer­dem erfolgt ein beglei­ten­des com­pu­ter­ge­stütz­tes Reha-Pro­gramm. Das Moni­to­ring dau­ert bis zum Ende der Stu­die, endet also zwei Jah­re nach Behand­lung des letz­ten Patienten.

Aus­blick – groß­flä­chi­ge Arthro­se­schä­den behandeln

Ziel des Pro­jekts »BIO-CHIP« ist es, den Weg für eine EU-weit zuge­las­se­ne wirk­sa­me The­ra­pie für Knor­pel­schä­den im Knie, die durch Sport­ver­let­zun­gen und Unfäl­le her­vor­ge­ru­fen wer­den, zu berei­ten. Die wei­te­ren Hoff­nun­gen des For­scher­teams rich­ten sich dar­auf, die­ses Ver­fah­ren in Zukunft auch bei Pati­en­ten mit Arthro­se ein­zu­set­zen. Da hier­bei groß­flä­chi­ge­re Knor­pel­schä­den behan­delt wer­den müs­sen, ist eine hohe Zell­zahl nötig, wodurch eine Opti­mie­rung des Her­stell­pro­zes­ses not­wen­dig wird. Außer­dem sol­len zukünf­tig fort­ge­schrit­te­ne Knor­pel­schä­den behan­delt wer­den, für die als The­ra­pie­op­ti­on bis­lang nur die Ver­sor­gung mit einer Knie­pro­the­se gege­ben ist. Dies betrifft soge­nann­te »Kis­sing Lesi­ons«, bei denen zwei sich gegen­über­lie­gen­de Defek­te im Knie – bei­spiels­wei­se auf der Rück­sei­te der Knie­schei­be und deren Gegen­sei­te am Ober­schen­kel­ge­lenk – befin­den. Auch die Über­nah­me der hohen Behand­lungs­kos­ten durch die pri­va­ten und gesetz­li­chen Kran­ken­kas­sen wird bereits in die­ser frü­hen Pha­se adres­siert. Neue Mög­lich­kei­ten, die Her­stel­lungs­kos­ten zu redu­zie­ren, wer­den durch die Erpro­bung von Auto­ma­ti­sie­rungs­pro­zes­sen über­prüft, damit das Ver­fah­ren spä­ter auch für eine gro­ße Pati­en­ten­grup­pe ver­füg­bar ist.

Für die Autoren:
Priv.-Doz. Dr. Oli­ver Pullig
Fraun­ho­fer-Insti­tut für Sili­cat­for­schung ISC – Fraun­ho­fer-Trans­la­ti­ons­zen­trum für Rege­ne­ra­ti­ve The­ra­pien TLZ-RT
Rönt­gen­ring 11
97070 Würz­burg
oliver.pullig@isc.fraunhofer.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Pul­lig O., Schu­bert L. Von der Nase ins Knie: 3D-Implan­ta­te aus eige­nen Knor­pel­zel­len. Neu­er The­ra­pie­an­satz für Knor­pel­schä­den – Anwen­dungs­ge­bie­te, 3D-Gewe­be­züch­tung, Regu­la­to­rik. Ortho­pä­die Tech­nik, 2019; 70 (7): 44–47

 

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