Biomechanische Testung einer neuen Trägermatrix für die Kultivierung von Chondrozyten

Zusammenfassung

Ziel: Matrizes zur Kultivierung von Chondrozyten gewinnen bei der Behandlung von Knorpeldefekten zunehmend an Bedeutung. Bislang ist allerdings über deren biomechanische Eigenschaften kaum etwas bekannt. In der vorliegenden Pilot-Studie werden die biomechanischen Eigenschaften einer neuartigen Trägermatrix für die Kultivierung von Chondrozyten untersucht. Material und Methode: Humane, zunächst im Monolayer amplifizierte Chondrozyten wurden über Zeiträume von bis zu 6 Wochen in einer 3D Matrix (Kollagen-I Matrix) kultiviert. Die von uns durchgeführten biomechanischen Tests untersuchten das uniaxiale Kompressionsverhalten, wobei neben der Festigkeit die viskoelastischen Eigenschaften (Kriechverhalten, Retardation) gemessen wurden. Die ermittelten Werte wurden mit der Dicke der Präparate normiert und als Quotienten ausgedrückt. Zusätzlich erfolgte die Bestimmung von histologischen und quantitativen molekularbiologischen Parametern (Expression von Aggrecan und Kollagen Typ-II). Ergebnisse: Für den maximalen Kraftpunkt bzw. die Durchschlagskraft (als Maß für die Festigkeit) fanden sich in den mit Zellen besiedelten Proben die höchsten Werte nach 7 Tagen mit einem Median von 40 mN/mm; im weiteren Verlauf wurde ein deutlicher Abfall der Werte (19,8 mN/mm) beobachtet. Hinsichtlich des Kriechverhaltens fanden sich über den Zeitraum von bis zu 6 Wochen keine wesentlichen Änderungen; die Mediane lagen zwischen 0,24 mm/mm und 0,29 mm/mm. Signifikante Unterschiede zwischen den mit Zellen besiedelten Proben und den ohne Zellen mitgeführten Kontrollen konnten nicht gefunden werden. Die Untersuchungen zeigten eine Wiederausdehnung (Retardation) des Gewebes nach Aufhebung der mechanischen Belastung (Mediane zwischen 0,026 und 0,049 mm/mm). Allerdings wurde nach 30 s völliger Entlastung in keinem Fall die initiale Höhe wieder erreicht. Größere Unterschiede der Werte in Abhängigkeit der Kultivierungsdauer konnten nicht nachgewiesen werden. Lichtmikroskopisch konnten neu gebildetes Kollagen Typ II und Proteoglykane nur unmittelbar perizellulär gefunden werden. Schlussfolgerungen: Im Rahmen der vorliegenden Studie wurden keineswegs alle biomechanischen Eigenschaften des kultivierten, knorpelähnlichen Gewebes untersucht. Die Beschränkung der Testung auf die Stabilität und auf die viskoelastischen Eigenschaften des gezüchteten Gewebes könnte jedoch grundsätzlich einen routinemäßigen Einsatz ermöglichen und somit auch einen Vergleich zwischen unterschiedlichen Matrix-Systemen erlauben. Durch das Einbringen von Zellen in die Kollagen-Matrix konnten wir keine Änderungen der mechanischen Eigenschaften des kultivierten Gewebes beobachten.

Abstract

Aim: Scaffolds for the cultivation of chondrocytes are of increasing importance. So far, only little is known about their biomechanical properties. The present preliminary study addresses the biomechanical characteristics of a new collagen type I scaffold for the cultivation of chondrocytes. Material and Methods: Human chondrocytes were amplified in a monolayer and then cultivated in a 3D-scaffold over a period of up to 6 weeks. The biomechanical tests addressed the properties under uniaxial compression including stiffness and viscoelastic characteristics (creep and retardation). The obtained values were normalized against the thickness of the specimens and expressed as ratios. In addition, we present histological and quantitative PCR results (for collagen type II and aggrecan). Results: The maximum force (or penetration force) revealed its highest values after a period of seven days. At this time the median value was 40 mN/mm. In the following period, a marked drop of the values was observed (19.8 mN/mm). With respect to the creep properties, we did not find any major changes over the period of six weeks. The median values were between 0.24 and 0.29 mm/mm. There were no significant differences between the samples seeded with chondrocytes and those which served as controls. A re-expansion of the samples was found with median values between 0.026 and 0.049 mm/mm (retardation). However, the original thickness was not reached after a period of 30 seconds with relief of the strain. Again, major differences of the values with respect to the duration of cultivation were not observed. Light microscopy revealed collagen type II and proteoglycans only in the pericellular region. Conclusion: In this study not all of the biomechanical properties of the cultivated tissue were investigated. The limitation of the tests to stiffness and viscoelastic properties was reasonable in view of a potential routine use. In addition, it may facilitate a comparison between different matrix systems. In our study, the cultivation of cells within the collagen matrix did not alter the mechanical properties of the scaffold.

Schlüsselwörter

Kollagen Typ-I Matrix - biomechanische Eigenschaften - Kriechverhalten - Chondrozyten

Key words

Collagen type I matrix - biomechanical properties - creep - chondrocytes

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