Tissue engineering: Growth and transplantation of neocartilage in an experimental modelGewebetechnologische Erzeugung und Transplantation von Knorpel im Tierexperiment


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Abstract

SummaryBackground:The reconstruction of delicate cartilaginous anatomical structures is still a challenging problem, including possible cartilage graft bending, resorption, calcification or graft extrusion. The technology of tissue engineering offers new perspectives in tissue regeneration.Methods:In this study, eight polyglycolic acid (PGA) fibre-based polymer constructs were used as cell transplantation templates for the creation of new structured bovine cartilage in a nude mouse model. In a second step, 24 cylinders — punched out from the neocartilage — were transplanted to the frontonasal region of 12 nude mice to test the hypothesis of whether the successfully created neocartilage cylinders will show changes in their shape and metabolic activity after transplantation.Results:Eight rectangular specimens of neocartilage were created by loading a concentration of 10 million bovine chondrocytes on PGA matrices (PGA fibres, diameter 14 Âμm, construct size =20 × 10 × 1 mm, interfibre distances 75-50 Âμm) and transplanting them into the subcutaneous region of the dorsum of two nude mice. Explantation followed after 8 weeks. Twelve cartilage cylinders with a diameter of 6 mm and 12 cylinders with a diameter of 4 mm were punched out of the newly created cartilage. They were transplanted to the frontonasal region of other test animals. Five months later they were explanted and showed a glistening whitish blue appearance. They maintained their outer diameter and thickness. Histological investigations revealed chondrocytes within lacunar structures embedded in their own matrix. No vascularization, calcification or ossification of the transplanted cartilage discs could be observed. Increased contents of sulfated glycosaminoglycans (S-GAGs) suggest maturation of the tissue-engineered cartilage after transplantation.Conclusions:The surgical implantation of chondrocytes seeded onto bioresorbable synthetic polymer matrices will result in the formation of neocartilage of defined shape. After transplantation of the newly created cartilage to the frontonasal region of another test animal, no resorption, calcification or ossification was observed.Tissue engineering proves to be a feasible method for gaining cartilage suitable for free transplantation. The technique for growing and transplanting engineered cartilage may have many applications in reconstructive and aesthetic surgery.ZusammenfassungGrundlagen:Die Rekonstruktion von feinen knorpeligen anatomischen Strukturen stellt noch immer ein herausforderndes Problem dar, das mögliche Verbiegungen des Knorpelkonstrukts, Resorption, Kalzifikation oder Transplantatextrusion mit einschlieβt. Die Technologie des „Tissue Engineerings” eröffnet neue Perspektiven in der Geweberegeneration und im Gewebeersatz.Methodik:In dieser Studie wurden im ersten Schritt 8 aus Polyglykolsäure hergestellte Fasernetzwerke als Zelltransplantationsvorlagen zur Schaffung neuer Strukturen bovinen Knorpels im Nacktmausmodell verwendet. In einem zweiten Schritt wurden aus dem erzeugten Knorpel ausgestanzte Zylinder in die Stirn-Nasenregion von 12 Nacktmäusen transplantiert, um die Hypothese zu überprüfen, ob die erfolgreich geschaffenen Neoknorpelzylinder nach Transplantation Veränderungen ihrer Form und metabolischen Aktivität zeigen.Ergebnisse:Zunächst wurden acht rechteckige Knorpelstücke (Fasernetzvorlagen: 20 × 10 × 1 mm; Polyglykolsäurefasern mit dem Durchmesser 14 Âμm, Interfaserdistanzen 75-150 Âμm, Konzentration boviner Chondrozyten: 50 Millionen Zellen/cc) in subkutanen Taschen am Rücken von 2 Nacktmäusen gezüchtet und nach 8 Wochen explantiert. Im zweiten Schritt wurden aus dem neu erzeugten Knorpel 12 Knorpelzylinder (Durchmesser 6 mm) und 12 Knorpelzylinder (Durchmesser 4 mm) gestanzt und in die Frontonasalregion von 12 Nacktmäusen transplantiert. Bei der Explantation nach 5 Monaten erschienen sie weiβlichbläulich glänzend, ihre Dicke und ihr Umfang waren aufrechterhalten. Die histologischen Untersuchungen zeigten in Matrix eingebettete Chondrozyten in ihren lakunären Strukturen. Es konnte keine Vaskularisation, Kalzifikation oder Ossifikation der Neoknorpeltransplantate festgestellt werden. Fünf Monate nach Transplantation des gewebetechnologisch hergestellten Knorpels konnte ein höherer Gehalt an sulfatierten Glykosaminoglykanen festgestellt werden.Schluβfolgerungen:Die chirurgische Implantation von Chondrozyten, die auf eine bioresorbierbare synthetische Matrix aufgebracht wurden, diente der Schaffung von neuem Knorpel einer definierten Form. Nach Transplantation des Neoknorpels in die Frontonasalregion anderer Versuchstiere konnte keine Resorption, Kalzifikation oder Ossifikation festgestellt werden. Man könnte annehmen, daβ gewebetechnologisch erzeugter Knorpel zur Transplantation geeignet ist und vielfältige Anwendungen in der rekonstruktiven und ästhetischen Chirurgie finden wird.

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