6.615.3.3 Bandscheibenersatz insgesamt
Es besteht eine Ähnlichkeit zwischen dem IVD und einem Reifen, wobei die Luft des Reifens durch den NP dargestellt wird und der stahlbandverstärkte Gummi durch den AF dargestellt wird. Darüber hinaus kann diese Ähnlichkeit auch auf die Reparatur der IVD ausgedehnt werden., In bestimmten Situationen ist es vorteilhaft, die Luft des Reifens wieder aufzufüllen (Kernersatz); In anderen Situationen kann man möglicherweise ein Loch im Reifen flicken (AF-Reparatur), und schließlich muss der gesamte Reifen ausgetauscht werden (TDR). Es ist die letzte Situation, in der die Herniation oder Degeneration des AF so weit fortgeschritten ist, dass ein einziger NP-oder AF-Ansatz nicht wirksam sein kann. Aus diesem Grund wird derzeit die TDR untersucht.,
Die künstliche TDR wurde kürzlich mit der FDA-Zulassung des zuvor diskutierten Charité-Gerätes in den USA in die klinische Praxis eingeführt. Die Idee einer Tissue-Based Composite Disc wurde mit der Veröffentlichung der ersten Tissue-Engineered Composite Disc um die gleiche Zeit eingeführt.53 Die Idee, dass die gesamte IVD durch eine gewebetechnische Struktur ersetzt werden kann, ist aufgrund der komplexen Struktur der IVD ehrgeizig; Die frühen Studien zeigten jedoch vielversprechende ECM-und mechanische Eigenschaften mit einem PLA/PGA/Alginat-Verbundwerkstoff., Die wichtigsten Designkriterien bei der Entwicklung eines Tissue-Engineered Total Disc Replacement (TE-TDR) sind (1) das Entwerfen einer Disc, die der komplexen mechanischen Belastung standhalten kann, sobald sie implantiert wurde, (2) die mechanische Funktion der IVD wiederherstellen kann, (3) sich in natives Gewebe integrieren kann und (4) im nährstoffarmen Scheibenraum überleben und sich entwickeln kann. Diese Designkriterien sind komplex und konkurrieren sogar., Die Entwicklung einer mechanisch steifen Scheibe, die der komplexen Belastung standhält, hat wahrscheinlich geringe Permeabilitätseigenschaften und kann es schwierig machen, einen ausreichenden Nährstofftransport durch die Scheibe in der Umgebung mit geringen Nährstoffen zu erreichen. Umgekehrt ist eine hochdurchlässige Scheibe, die einen besseren Nährstofftransport gewährleisten kann, weniger steif und kann Schwierigkeiten haben, den mechanischen Belastungen standzuhalten. Derzeit ist nicht bekannt, wie die richtige Balance dieser konkurrierenden Eigenschaften in einem erfolgreichen TE-TDR sein wird.,
Bisher wurden nur vier Entwürfe und fünf Arbeiten auf TE-TDRs veröffentlicht. Diese TE-TDRs umfassen ein PGA/PLA (AF)/Alginat (NP) Composite,53,54 ein Elektrospun PLLA (AF)/Hyaluronsäure (NP) Composite,82 ein kontrahiertes Kollagengel (AF)/Alginat (NP) Composite,88 und ein Elektrospun PCL (AF) / Agarose (NP) Composite.91 Die Zellauswahl für diese Konstrukte war entweder ovine IVD-Zellen, Rinder-MSCs oder humane MSCs. Die Materialauswahl für jeden Versuch hat ein Hydrogel für den NP verwendet, mit einem Trend zur zunehmenden hierarchischen Organisation in der AF-Region (Tabelle 4).,
Tabelle 4. Tissue-engineered total disc replacement
| Mizuno et al.53,54 | Nesti et al.82 | Bowles et al.92 | Nerurkar et al., ovine AF | AF – bovine MSC | |
|---|---|---|---|---|---|
| NP – ovine NP | NP – human MSC | NP – ovine NP | NP – bovine MSC | ||
| Organization | Composite disc | Composite disc with nanofibers of similar diameter to collagen | Composite disc with circumferentially aligned collagen fibrils in AF | Composite disc with multilamellar AF and alternating nanofiber alignment (±30°) |
The first TE-TDR to be attempted was the PGA/PLA/alginate composite., Das Konstrukt wurde mit ovinen NP-und AF-Zellen in ihren jeweiligen Regionen der Scheibe ausgesät. Das Alginathydrogel lieferte eine NP-ähnliche Umgebung, die die abgerundete Morphologie der einmal eingekapselten NP-Zellen beibehielt. Die AF-Region von PGA / PLA lieferte die grobe Morphologie des AF, enthielt jedoch keine Organisation, die dem nativen AF innewohnt (Abbildung 4(a)). Die Gerüste wurden 4 Monate lang subkutan in den Rücken einer athymischen Maus implantiert und produzierten eine Proteoglykanzusammensetzung, die der des Nativen in AF und NP ähnlich war., Die Konstrukte produzierten Kollagen auf nahe native Ebenen in der AF, aber nicht in der NP, wo es 10% der nativen Werte entwickelte. Das produzierte Kollagen wurde mit erhöhtem Kollagen Typ I im AF und Typ II im NP richtig lokalisiert. Darüber hinaus waren die druckmechanischen Eigenschaften ähnlich wie bei den einheimischen Schafen IVD. Insgesamt zeigten diese Studien die Machbarkeit der Entwicklung eines TE-TDR, der die kompositorischen und Druckeigenschaften des nativen IVD nachahmte., Aufgrund der mangelnden Organisation und Architektur in der AF und des Fehlens des Testens der Discs in einer anderen als der Komprimierung ist jedoch unklar, ob dieses Design die Torsions-und Biegeeigenschaften der nativen IVD nachahmen könnte (siehe Kapitel 5.509, Zellverkapselung).
Abbildung 4., Tissue-engineered total disc replacements (a) PGA/PLA annulus fibrosus (AF) und Alginat nucleus pulposus (NP), (b) umlaufend ausgerichtet Kollagen Härchen AF-und Alginat-NP, und (c) multilamellae aligned electrospun polycaprolactone AF-und agarose-NP.
Der zweite Versuch, einen TE-TDR zu erzeugen, verwendete elektrospun PLLA und Hyaluronsäure, die mit menschlichen MSCs ausgesät wurden. Diese Technik ähnelte dem vorherigen Versuch darin, dass sie ein nicht ausgerichtetes AF-Regionalgerüst und ein Hydrogel NP-Gerüst verwendete., Durch die Verwendung von Elektrospun PLLA konnten die Fasern jedoch einen ähnlichen Durchmesser wie die nativen Kollagenfibrillen im AF-Bereich haben. Zusätzlich wurde die Hyaluronsäure in die Electropsun PLLA injiziert, um den NP-Bereich innerhalb des Gerüsts unter Druck zu setzen und die Elektrospun-Fasern ähnlich der des nativen AF in Spannung zu setzen. Darüber hinaus ist die Verwendung von humanen MSCs aufgrund der klinischen Relevanz der Zellquelle signifikant und beginnt, ihre Wirksamkeit in einem TE-TDR zu untersuchen.,
Die Konstrukte wurden 28 Tage lang in vitro kultiviert und die AF-Zellen in konzentrischen Schichten organisiert, die den konzentrischen Lamellen der AF ähneln, während die NP in ihrer Struktur amorph blieb. Die ECM-Proteoglycan-Ablagerung war am häufigsten in der AF-Region mit einer weniger ausgeprägten Ablagerung im NP. Die Kollagentypen I und II hatten auch die höchste Konzentration in der AF-Region mit der geringsten Präsenz in der NP-Region. Diese schlechte Gewebeentwicklung im NP war wahrscheinlich auf den verringerten Zellgehalt im NP-Bereich des Gerüsts nach dem Bau zurückzuführen., Insgesamt zeigte die Elektrospun PLLA vielversprechende Ergebnisse für die AF-Region und die Gewebeentwicklung; Es wurden jedoch keine mechanischen Tests am Gewebe durchgeführt, um die mechanische Funktion eines solchen Implantats zu untersuchen, und es wird notwendig sein, die schlechte Zelldichte im NP in Zukunft zu überwinden.
Im Gegensatz zu den ersten beiden TE-TDR-Konstruktionen war das kontrahierte Kollagengel/Alginat-Konstrukt das erste, das die Kollagenausrichtung in den AF-Bereich einführte(Abbildung 4 (b))., Die Technik erzeugte eine Alginat-NP-Region, die mit ovinen NP-Zellen ausgesät war, und eine Kollagengelregion vom Typ I, die mit ovinen AF-Zellen gesät war, die die NP-Region umgaben. Während der Kultur kontrahieren die Zellen das Kollagenfibrillennetzwerk um das Alginat NP. Infolge der physikalischen Grenze des NP sind die Kollagenfibrillen umlaufend um das Alginat NP ausgerichtet. Darüber hinaus waren die AF-Zellen länglich und umlaufend zwischen den Typ-I-Kollagenfibrillen ausgerichtet, die nativen AF-Zellen ähnlich waren, und die NP-Zellen nahmen eine abgerundete Morphologie an, die der nativen NP ähnlich war., Diese Technik bietet eine Methode zur Herstellung eines TE-TDR mit einer Architektur und Organisation, die der der nativen IVD in der AF-und NP-Region ähnelt. Trotz der Umfangsausrichtung der Kollagenfibrillen erfasst die Technik derzeit nicht die ±28° Kollagenausrichtung, die in den aufeinanderfolgenden AF-Lamellen beobachtet wird. Darüber hinaus wurden in dieser Studie keine mechanischen Tests oder ECM-Kompositionsanalysen durchgeführt.
Der neueste TE-TDR kombiniert die bisherigen Strategien, um den bisher komplexesten TE-TDR zu erzeugen(Abbildung 4 (c))., Die Technik verwendet Elektrospun PCL, um ausgerichtete PCL-Fasern in ±30° – Winkeln in jeder aufeinanderfolgenden Lamelle herzustellen. Dies geschieht wiederum um eine Hydrogel-NP-Region, die in diesem Fall Agarose war. Die ausgewählten Zellen waren Rinder-MSCs aufgrund des klinischen Versprechens von MSCs. Die Idee ist, dass die komplexe PCL-Faserarchitektur zu einer organisierten Kollagenentwicklung mit der gleichen Ausrichtung des ursprünglichen Gerüsts führt.
Nach 6 Wochen Kultur wurde sowohl in der AF-als auch in der NP-Region eine Kollagen-und Proteoglycanproduktion beobachtet., Es wurde beobachtet, dass sowohl AF-Zellen als auch die Kollagenproduktion in ±30° Richtung des darunter liegenden PCL-Gerüsts organisiert waren. Trotz der Ablagerung von ECM über die Kulturzeit waren die Werte für Proteoglykane <32% der nativen Werte sowohl im AF als auch im NP und 5% der nativen Werte für Kollagen im AF. Die Kollagenwerte waren zwischen native und TE-TDR im NP ähnlich. Wie zu sehen ist, trägt die Technik der Verwendung ausgerichteter Elektrospun-Fasern dazu bei, die Kollagenorganisation ähnlich der nativen AF zu fördern., Es wird jedoch wichtig sein zu untersuchen, wie eine stärkere ECM-Entwicklung auf native Wertniveaus in diesen Gerüsten gefördert werden kann.
Die Entwicklung dieser TE-TDR-Strategien hat erste Erfolge bei der Förderung unterschiedlicher Ebenen der ECM-Zusammensetzung und-Organisation gezeigt, ähnlich der nativen IVD. Trotz des Trends zur zunehmenden AF-Organisation und des Fokus auf die mechanischen Eigenschaften dieser Implantate ist derzeit nicht bekannt, was für die erfolgreiche Implementierung eines solchen Geräts im nativen Plattenraum benötigt wird., Andere Konstruktionsparameter wie die Durchlässigkeit dieser Gerüste werden weniger beachtet, eine Eigenschaft, die sich in der begrenzten Nährstoffumgebung des Scheibenraums als äußerst wichtig erweisen könnte. Ein besseres Verständnis dafür, wie diese TE-TDRs in der nativen Bandscheibenumgebung reagieren, wird notwendig sein, um zu erkennen, wie das richtige Gleichgewicht der Gerüsteigenschaften die erfolgreiche Gewebeentwicklung und die richtige Wirbelsäulenfunktion fördert. Diese Implantate müssen der mechanischen Belastung standhalten, überleben und sich entwickeln und sich nach der Implantation in das native Gewebe integrieren.,
Die jüngsten Arbeiten haben begonnen, diese In-situ-Fragen mit dem vertraglich vereinbarten Kollagengel/Alginat TE-TDR anzugehen.92 Die TE-TDRs wurden in den Lenden-und Schwanzscheibenraum der Ratte implantiert und bis zu 6 Monate kultiviert. Diese Studien zeigten, dass das Gewebe trotz des viel niedrigeren Modulus des Kollagen/Alginat-TE-TDR zum Zeitpunkt der Implantation im Vergleich zur nativen Bandscheibe einen Großteil der Bandscheibenhöhe über 6 Monate aufrechterhalten konnte (78%). Darüber hinaus sah das Gewebe umfangreiche Ablagerung von Proteoglykanen und Kollagen und hatte mit den Wirbelkörpern und Endplatten integriert., Wenn das Engineered Motion-Segment mechanisch getestet wurde, zeigte es ähnliche Druckeigenschaften wie die native Disc. Diese Ergebnisse waren die ersten, die zeigten, dass ein TE-TDR erfolgreich ein mechanisch funktionelles Gewebe bilden konnte, wenn es in den Bandscheibenraum implantiert wurde. Diese Ergebnisse sind aufgrund der relativ geringen mechanischen Festigkeit der TE-TDRs bei der Implantation besonders faszinierend., Es ist möglich, dass die gekoppelte hochdurchlässige Natur des Kollagens und Alginats TE-TDR einen ausreichenden Nährstofftransport ermöglichte, der die Gewebeentwicklung und-integration im Bandscheibenraum förderte. Es wird wichtig sein, da dieses Feld vorwärts bewegt, für mehr Arbeit im nativen Plattenraum durchgeführt werden, um zu verstehen, wie die TE-TDR-Eigenschaften (Modul, Permeabilität, Zelltyp, ECM Zusammensetzung, AF Faser Organisation, etc.) beeinflussen die In situ-Gewebebildung (siehe Kapitel 6.614, Verschleiß: Bandscheibenprothesen insgesamt).