6.615.3.3 totale schijfvervanging

Er bestaat een overeenkomst tussen de IVD en een band waarbij de lucht van de band wordt weergegeven door de NP en het met staalriem versterkte rubber wordt weergegeven door de AF. Bovendien kan deze overeenkomst ook worden uitgebreid tot de reparatie van de IVD., In bepaalde situaties zal het voordelig zijn om de lucht van de band bij te vullen (nucleaire vervanging); in andere situaties kan men een gat in de band kunnen dichten (af-reparatie), en ten slotte zijn er momenten waarop de gehele band moet worden vervangen (TDR). Het is de definitieve situatie, waarin de herniatie of degeneratie van AF genoeg gevorderd is dat een enige NP of AF benadering niet effectief kan zijn. Het is om deze reden dat TDR momenteel wordt onderzocht.,

kunstmatige TDR is onlangs geïntroduceerd in de klinische praktijk in de Verenigde Staten met de FDA goedkeuring van het eerder besproken Charité apparaat in 2004. Het idee van een weefsel-gebaseerde composiet schijf werd geïntroduceerd met de publicatie van de eerste Weefsel-engineered composiet schijf rond dezelfde tijd.53 het idee dat de volledige IVD kan worden vervangen door een weefsel-engineered structuur is een ambitieus vanwege de complexe structuur van de IVD; echter, de vroege studies toonden veelbelovende ECM en mechanische eigenschappen met een PLA/PGA/alginaat composiet., De belangrijkste ontwerpcriteria bij het ontwikkelen van een tissue-engineered total disc replacement (TE-TDR) zijn (1) het ontwerpen van een schijf die de complexe mechanische belasting kan weerstaan na implantatie, (2) De mechanische functie van de IVD kan herscheppen, (3) kan integreren met inheemse weefsels, en (4) kan overleven en zich ontwikkelen in de voedingsarme schijfruimte. Deze ontwerpcriteria zijn complex en concurreren zelfs., De ontwikkeling van een mechanisch stijve schijf ontworpen om de complexe belasting te weerstaan zal waarschijnlijk lage doorlaatbaarheid eigenschappen hebben en kan het moeilijk maken om voldoende nutriënten transport door de schijf te krijgen in de omgeving van de schijf met lage nutriënten. Omgekeerd zal een zeer doorlaatbare schijf die een beter transport van voedingsstoffen kan bieden minder stijf zijn en problemen kunnen hebben met het weerstaan van de mechanische belastingen. Momenteel is het onbekend wat de juiste balans van deze concurrerende eigenschappen zal zijn in een succesvolle TE-TDR.,

tot op heden zijn slechts vier ontwerpen en vijf papers gepubliceerd op TE-TDR ‘ s. Deze TE-TDRs omvatten een PGA/PLA (AF)/alginaat (NP) composiet,53,54 een electrospun PLLA (AF)/hyaluronzuur (NP) composiet,82 een gecontracteerde collageengel (AF)/alginaat (NP) composiet,88 en een electrospun PCL (AF) / agarose (NP) composiet.91 de celselectie voor deze constructen is of schapen IVD cellen, runderen MSCs, of menselijke MSCs geweest. Bij de materiaalselectie voor elke poging is gebruik gemaakt van een hydrogel voor het NP, met een trend naar toenemende hiërarchische organisatie in de AF-regio (Tabel 4).,

Tabel 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., De constructie werd gezaaid met schapen NP en AF cellen in hun respectieve regio ‘ s van de schijf. De alginaat-hydrogel leverde een NP-achtige omgeving die de afgeronde morfologie van de NP-cellen eenmaal ingekapseld handhaafde. Het AF-gebied van PGA / PLA verstrekte de bruto morfologie van de AF, maar bevatte geen organisatie die inherent is aan de inheemse AF (Figuur 4(a)). De scaffolds werden gedurende 4 maanden subcutaan in de rug van een athymische muis geïmplanteerd en produceerden proteoglycaansamenstelling vergelijkbaar met die van de inheemse AF en NP., De constructies produceerden collageen tot bijna inheemse niveaus in AF maar niet in NP waar het 10% van de inheemse waarden ontwikkelde. Het geproduceerde collageen werd correct gelokaliseerd met verhoogd Collageen type I in AF en type II in NP. Bovendien, de druk mechanische eigenschappen waren vergelijkbaar met die van de inheemse schapen IVD. In het algemeen toonden deze studies de haalbaarheid aan van het ontwikkelen van een TE-TDR die de samenstelling en drukeigenschappen van de inheemse IVD nabootste., Echter, met het gebrek aan organisatie en architectuur in de AF, en het falen om de schijven te testen in iets anders dan compressie, is het onduidelijk of dit ontwerp de torsie en buigende eigenschappen van de inheemse IVD zou kunnen nabootsen (zie hoofdstuk 5.509, Cell Encapsulation).

Figuur 4., Tissue-engineered total disc replacements with a) PGA/PLA annulus fibrosus (AF) and alginate nucleus pulposus (NP), B) circumferential aligned collageenfibril AF and alginate NP, and c) multilamellae aligned electrospun polycaprolactone AF and agarose NP.

bij de tweede poging om een TE-TDR te produceren werd gebruik gemaakt van elektrospun PLLA en hyaluronzuur, gezaaid met menselijke MSC ‘ s. Deze techniek was vergelijkbaar met de vorige poging in die het gebruik van een unaligned af regionale steiger en een hydrogel NP steiger., Nochtans, stond het gebruik van electrospun PLLA de vezels toe om van gelijkaardige diameter aan de inheemse collageenfibrils in het gebied AF te zijn. Bovendien werd het hyaluronzuur in de electropsun PLLA geïnjecteerd om het NP-gebied binnen de steiger onder druk te zetten en de elektrospunvezels in spanning te plaatsen, vergelijkbaar met die van de inheemse AF. Verder is het gebruik van humane MSCs significant toe te schrijven aan de klinische relevantie van de celbron en begint hun doeltreffendheid in een TE-TDR te onderzoeken.,

de constructies werden gedurende 28 dagen in vitro gekweekt en de af-cellen georganiseerd in concentrische lagen die lijken op de concentrische lamellen van de AF, terwijl de NP amorfe structuur bleef. ECM proteoglycaandepositie kwam het meest voor in het AF-gebied met een minder uitgesproken depositie in het NP. Collageentypen I en II hadden ook de hoogste concentratie in het AF-gebied met het minst aanwezig in het NP-gebied. Deze slechte weefselontwikkeling in het NP was waarschijnlijk te wijten aan het verminderde celgehalte in het NP-gebied van het schavot na de bouw., Over het algemeen toonde de electrospun PLLA veelbelovende resultaten voor de af-regio en weefselontwikkeling; er werd echter geen mechanische test uitgevoerd op het weefsel om de mechanische functie van een dergelijk implantaat te onderzoeken en het zal nodig zijn om de slechte cellulaire dichtheid in het NP in de toekomst te overwinnen.

In tegenstelling tot de eerste twee TE-TDR-ontwerpen was de gecontracteerde collageengel/alginaatconstructie de eerste die collageenuitlijning introduceerde in het AF-gebied (Figuur 4(b))., De techniek produceerde een NP-gebied van alginaat met schapen-NP-cellen en een type I-collageengelgebied met schapen-AF-cellen rond het NP-gebied. Tijdens de kweek, contracteren de cellen het collageenfibrilnetwerk rond het alginaat NP. Als gevolg van de fysieke grens van het NP, de collageenfibrillen uitgelijnd rond het alginaat NP. Bovendien werden de AF-cellen langgerekt en circumferentieel uitgelijnd tussen de collageenfibrillen van type I gelijkend op inheemse af-cellen en namen de NP-cellen een afgeronde morfologie aan gelijkend op inheemse NP., Deze techniek verstrekt een methode om een TE-TDR te produceren die een architectuur en organisatie gelijkend op die van de inheemse IVD in de AF en NP regio heeft. Ondanks de circumferentiële uitlijning van de collageenfibrillen slaagt de techniek er momenteel niet in de ±28° – uitlijning van de collageenvezels die in de opeenvolgende af-lamellen is waargenomen, vast te leggen. Bovendien werd in dit onderzoek geen mechanische test of ECM-compositieanalyse uitgevoerd.

De meest recente TE-TDR combineert de vorige strategieën om de meest complexe TE-TDR tot nu toe te produceren (Figuur 4(c))., De techniek gebruikt electrospun PCL om uitgelijnde PCL-vezels bij ±30° hoeken in elke opeenvolgende lamella te produceren. Opnieuw gebeurt dit rond een hydrogel NP-gebied, dat in dit geval agarose was. De geselecteerde cellen waren runderen MSCs vanwege de klinische belofte van MSCs. Het idee is dat de complexe PCL-vezel architectuur zal leiden tot georganiseerde collageenontwikkeling met dezelfde uitlijning van de oorspronkelijke steigers.

na 6 weken kweken werd de productie van collageen en proteoglycaan waargenomen in zowel de AF-als de NP-regio., Er werd waargenomen dat zowel AF-cellen als collageenproductie georganiseerd waren in de ±30° richting van de onderliggende PCL-steiger. Ondanks de depositie van ECM gedurende de cultuurtijd waren de waarden voor proteoglycanen <32% van de inheemse waarden in zowel de AF als NP en waren 5% van de inheemse waarden voor collageen in de AF. De collageenwaarden waren vergelijkbaar tussen native en de te-TDR in de NP. Zoals kan worden gezien, helpt de techniek om uitgelijnde elektrospunvezels te gebruiken collageenorganisatie gelijkend op inheemse AF te bevorderen., Het zal echter belangrijk zijn om te onderzoeken hoe een grotere ECM-ontwikkeling kan worden bevorderd tot native value levels in deze steigers.

de ontwikkeling van deze TE-TDR-strategieën is aanvankelijk veelbelovend gebleken voor het bevorderen van verschillende niveaus van ECM-samenstelling en-organisatie, vergelijkbaar met de inheemse IVD. Echter, ondanks de trend naar toenemende AF-organisatie en de focus op mechanische eigenschappen van deze implantaten, is het momenteel onbekend wat nodig is voor de succesvolle implementatie van een dergelijk apparaat in de inheemse schijfruimte., Er wordt minder aandacht besteed aan andere ontwerpparameters zoals de doorlaatbaarheid van deze steigers, een eigenschap die zeer belangrijk kan blijken in de beperkte voedingsomgeving van de schijfruimte. Een beter begrip van hoe deze TE-TDR ‘ s reageren in de native disc omgeving zal nodig zijn om te herkennen wat de juiste balans van steiger eigenschappen is die een succesvolle weefselontwikkeling en een goede ruggenmergfunctie zal bevorderen. Deze implantaten moeten de mechanische belasting weerstaan, overleven en ontwikkelen, en te integreren met het inheemse Weefsel eenmaal geïmplanteerd.,

recente werkzaamheden zijn begonnen om deze in situ vragen te beantwoorden met behulp van het gecontracteerde Collageen gel/alginaat TE-TDR.De TE-TDR ‘ s werden geïmplanteerd in de ruimte van de lumbale en staartschijf van de rat en gedurende maximaal 6 maanden gekweekt. Deze studies toonden aan dat ondanks de veel lagere modulus van het collageen / alginaat TE-TDR op het moment van implantatie in vergelijking met de inheemse schijf, het weefsel in staat was om een meerderheid van de schijfhoogte gedurende 6 maanden (78%) te handhaven. Bovendien zag het weefsel uitgebreide depositie van proteoglycanen en collageen en was geïntegreerd met de wervellichamen en eindplaten., Bovendien, toen het engineered motion segment mechanisch werd getest, toonde het vergelijkbare drukeigenschappen aan als de inheemse schijf. Deze resultaten waren de eerste die aantoonden dat een TE-TDR met succes een mechanisch functioneel weefsel kon vormen wanneer geïmplanteerd in de schijfruimte. Deze resultaten zijn vooral intrigerend vanwege de relatief lage mechanische sterkte van de TE-TDR ‘ s bij implantatie., Het is mogelijk dat de gekoppelde zeer doorlaatbare aard van het collageen en alginaat TE-TDR voldoende nutriëntentransport toeliet dat de weefselontwikkeling en integratie in de schijfruimte bevorderde. Het zal belangrijk zijn als dit veld vooruit gaat, om meer werk te doen in de native schijfruimte om te begrijpen hoe de TE-TDR eigenschappen (modulus, permeabiliteit, celtype, ECM samenstelling, AF vezel organisatie, enz.) in situ weefselvorming beïnvloeden (zie hoofdstuk 6.614, slijtage: totale tussenwervelschijf prothesen).