Universitätsbibliothek Wien

Cartilage regeneration with Matrix associated Autologous Chondrocyte Transplantation (MACT)

Nürnberger, Sylvia (2012) Cartilage regeneration with Matrix associated Autologous Chondrocyte Transplantation (MACT).
Dissertation, Universität Wien. Fakultät für Lebenswissenschaften
BetreuerIn: Klepal, Waltraud
Gesperrt bis: 10 Februar 2016
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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29760.47760.602154-8
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29760.47760.602154-8

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Abstract in Englisch

Traumatic articular cartilage damage and the consecutive degeneration is a painful and serious problem, affecting especially people of young age, contrary to age related whole joint abuse. It strongly influences daily private and working life due to restricted mobility and may lead to absence from work and even social isolation. The severe effect of articular cartilage damage explains the necessity of a long-lasting regeneration of this tissue which can only be achieved by functional reconstruction of the original hyaline cartilage. The “Matrix associated Autologous Chondrocyte Transplantation” (MACT) is a tissue engineering approach to regenerate articular cartilage by implantation of the patient’s own chondrocytes (=cartilage cells) on three-dimensional biomaterials (scaffolds). Despite good clinical success there is still potential to augment the number of successfully treated patients and to improve the durability and quality of regeneration. The aim of the PhD study was to increase our knowledge of in vitro and in vivo transplant development and define criteria for an improvement of the scaffold design in future. Different types of experimental cell-scaffold constructs and clinical MACT transplants as well as native cartilage and defect samples from a horse study were analysed. Morphological methods including histology, (immuno-) histochemistry, fluorescence and polarized light microscopy as well as transmission and scanning electron microscopy were used. In one study also molecular biological investigations were performed. We found several new aspects of cartilage tissue engineering which are described in six publications and are listed below: The general morphology of articular cartilage demonstrated the special organisation of the tissue, differences between different joints, species and intracellular particularities. (Thesis Review Paper 1 & 2) In three types of experimental cell-scaffold constructs we found different degrees of differentiation (collagen type II expression) in the course of four weeks. Morphology suggests that differentiation appears either in single cells, cell groups or cell-multilayers. (Thesis Paper 3) It could also be determined which strategies the cells use to migrate in different scaffolds. In dense materials chondrocytes squeezed through by cell shape adaptation. On very porous materials they spanned distances by aligning one beside the other towards the lumen or by forming an autogenous matrix sheath. (Thesis Paper 4) In vivo differentiation was found to appear preferentially at the periphery of well-filled defects, suggesting either the importance of defect filling and mechanical stimulation or the influence of native cartilage. (Thesis Paper 5) A so far unknown sequence of cartilage matrix maturation was proposed for in vivo repair tissue development: Initially collagen type II is deposited in the immediate circumference of the cells where it forms a network. With increasing collagen type II deposition fibres arranged first obliquely and then vertically. (Thesis Paper 5) All cell-scaffold analysis revealed that differences of scaffold architecture influenced cell distribution on cell-scaffold constructs by seeding and active cells movement. Out of four different MACT-transplants, porous scaffolds or gels which are mixed with the chondrocytes showed the most regular cell distribution. (Thesis Paper 6) An influence of scaffold morphology on chondrocyte behaviour was found, proving the importance of scaffold design. In particular one scaffold type consisted of widely spaced small scaffold fibres (smaller than the cell) and induced the spherical, differentiated morphotype. (Thesis Paper 6) The findings of this PhD study revealed an important influence of the scaffold architecture on the differentiation of the cells and on tissue development. Tissue engineering requires an “intelligent design” to trigger the cells in the right direction. High scaffold porosity and small size of scaffold elements were determined as main criteria. We are convinced that scaffold morphology is an important, so far neglected aspect, with high potential for upcoming tissue engineering approaches to promote cartilage regeneration. Therefore we are currently planning our future research project to develop a new scaffold system on the base of the in vitro as well as in vivo findings gained in this PhD thesis.

Schlagwörter in Englisch

biomaterials / tissue regeneration / collagen / chondrocytes / articular cartilage defect / ultrastructure / morphology

Abstract in Deutsch

Traumatische Defekte des Gelenksknorpels sowie die darauf folgende Degeneration, betreffen - im Gegensatz zu großflächigen Abnutzungen - vor allem jüngere Menschen. Fortgeschrittene Defekte sind schmerzhaft, schränken die Mobilität ein und können bis zur Arbeitsunfähigkeit und sozialen Isolation führen. Es ist daher nötig, diese Defekte dauerhaft zu heilen und einen funktionsfähigen Knorpel zu rekonstruieren. Dies ist das Ziel der Geweberegenerationsmethode “Matrix assoziierte Autologe Chondrozyten Transplantation” (MACT), wobei patienteneigene Knorpelzellen (Chondrozyten) auf dreidimensionalen Biomaterialien in den Defekt reimplantiert werden. Trotz guter klinischer Erfolge besteht nach wie vor Potential, die Erfolgsrate der Behandlungen zu erhöhen, die Gewebequalität zu verbessern und gelegentlich auftretendes Transplantatversagen zu verhindern. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, das Wissen über die Transplantate sowie deren in vivo Entwicklung im Defekt zu erweitern, und Kriterien für eine Verbesserung der Biomaterialien zu definieren. Verschiedene experimentelle Zell-Träger Konstrukte und klinische MACT-Transplantate sowie nativer Knorpel und Knorpeldefektproben einer Pferdestudie wurden analysiert. Die Untersuchungen erfolgten mit den morphologischen Methoden Histologie, (Immun) Histochemie, Fluoreszenz,- und Polarisationsmikroskopie sowie Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie. In einer Studie wurde die Molekularbiologie eingesetzt. Es wurden dabei einige neue Aspekte im Bereich der Knorpelgewebsregeneration gefunden und in sechs Publikationen beschrieben: Die Beschreibung der allgemeinen Morphologie des artikulären Knorpels demonstriert die Matrix-dominierte Organisation des Gewebes, Unterschiede zwischen Gelenken und Spezies sowie intracelluläre Besonderheiten der Chondrozyten. (Dissertationsreviewpaper 1 & 2) In drei experimentellen Zell-Träger Konstrukttypen zeigte sich im Zeitraum von vier Wochen eine Differenzierungstendenz (Kollagen Typ II Expression). Die Morphologie deutet daraufhin, dass diese Differenzierung in Einzelzellen. Zellgruppen sowie Zell-Multilayern stattfindet. (Dissertationspaper 3) Weiters wurden die Migrationsstrategien der Zellen auf verschiednen Trägern gezeigt. Durch dichte Materialien zwängen sich die Chondrozyten durch Anpassung der Zellform. Große Zwischenräume können sie durch sukzessives Aneinanderlagern überbrücken, oder indem sie sich auf selbst synthetisierten autogene Matrixlagen fortbewegen. (Dissertationspaper 4) In vivo Differenzierung wurde in der Peripherie gut gefüllter Defekte gefunden, was auf einen Einfluss von mechanischer Belastung oder vom nativen Knorpel schließen lässt. (Dissertationspaper 5) Es konnte eine bis dato unbeschriebene Abfolge der Matrixentwicklung im in vivo Reparaturgewebe beobachtet werden. Dabei orientierten sich die Kollagen Typ II Faser mit zunehmender Faserdichte zuerst schräg und dann vertikal. (Dissertationspaper 5) Alle Zell-Trägeranalysen haben starke trägerarchitektur-abhängige Unterschiede in der Zellverteilung gezeigt. Unter vier MACT-Transplantattypen, haben poröse und mit den Zellen vermischte Gele die regelmäßigste Zellverteilung aufgewiesen. (Dissertationspaper 6) Die Trägerarchitektur hat auch Einfluss auf das Zellverhalten gezeigt. Kleine Trägerelemente, die in großem Abstand zueinander waren, haben den runden, differenzierten Morphotypen der Chondrozyten induziert. (Dissertationspaper 6) Die Resultate der Dissertationsarbeiten haben den bedeutenden Einfluss der Trägermaterialarchitektur auf die Zellen- und Gewebsentwicklung gezeigt. Hohe Porosität und kleine Faserelemente wurden dabei als wichtigste Strukturmerkmale definiert. Die bisherigen Ergebnisse führen zum Schluss, dass die Gewebe- regenerationstechnologie “intelligentes design” der Biomaterialien benötigt, um Chondrozyten in die richtige Richtung zu triggern. Wir planen auf Basis der Erkenntnisse dieser Doktorarbeit ein Folgeprojekt zur Entwicklung eines neuartigen Trägermaterials.

Schlagwörter in Deutsch

Biomaterialien / Geweberegeneration / Kollagen / Knorpelzellen / Gelenksknorpeldefekt / Ultrastruktur / Morphologie

Dokumentenart: Hochschulschrift (Dissertation)
AutorIn: Nürnberger, Sylvia
Titel: Cartilage regeneration with Matrix associated Autologous Chondrocyte Transplantation (MACT)
Untertitel: morphological investigations of chondrocyte-scaffold constructs and cartilage repair tissue
Umfangsangabe: 110 S. : Ill.
Institution: Universität Wien
Fakultät: Fakultät für Lebenswissenschaften
Publikationsjahr: 2012
Sprache: eng ... Englisch
BetreuerIn: Klepal, Waltraud
BeurteilerIn: Hatton, Paul
2. BeurteilerIn: El Haj, Alicia
Klassifikation: 42 Biologie > 42.15 Zellbiologie
44 Medizin > 44.15 Medizinische Grundversorgung
AC-Nummer: AC10847414
Dokumenten-ID: 26728
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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