Zellen, Scaffolds und Biofaktoren: Vom funktionellen zum translationalen Tissue Engineering

Ansätze der regenerativen Medizin, die auf dem Engineering von Zellen und Biomaterial-Scaffolds zu Ersatzteilgeweben basieren, versprechen, die Zukunft der rekonstruktiven Chirurgie und Organtransplantation zu gestalten. Bis heute bleibt die Verwendung von wachsenden funktionellen technischen Geweben in vitro für die anschließende Implantation in Gewebedefekte in vivo experimentell, trotz einiger früher klinischer Erfolge . Bei diesem Ansatz werden Kombinationen von Zellen und bioaktiven Molekülen auf dreidimensionale Biomaterialgerüste ausgesät

Zellen können aus einer Vielzahl von Quellen gewonnen werden, darunter embryonale Stammzellen, postnatale und adulte Stamm- / Vorläuferzellen oder die zuletzt entdeckten induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS). Der übliche Ansatz bei der technischen Geweberegeneration bestand darin, Zellen aus Gewebebiopsien oder Aspiraten zu isolieren, zu manipulieren und wieder in den Wirt einzuführen . Für die Knochenregeneration wurden mehrere Zellquellen untersucht, einschließlich frischer Knochenmarkaspirate ; gereinigte, kulturexpandierte mesenchymale Stamm- / Vorläuferzellen des Knochenmarks , Osteoblasten und Zellen, die genetisch modifiziert wurden, um osteogene Faktoren wie rhBMP , Nabelschnurblutzellen, adipöse Stamm- / Vorläuferzellen oder embryonale Stammzellen zu exprimieren . Wahrgenommene Vor- und Nachteile dieser Zellquellen in der Knochengewebetechnik wurden kürzlich überprüft .Eine der zentralen Herausforderungen bei der Zelltransplantation sind die Kosten und die Komplexität, die mit der Entwicklung experimenteller Strategien zu regulatorisch zugelassenen Produkten verbunden sind. Die intraoperative Zellverarbeitung ist zwar immun gegen die behördliche Zulassung, kann jedoch nur als Point-of-Care-Service für jeweils einen Patienten dienen. Sobald die Zellen außerhalb des Standorts manipuliert wurden, ist automatisch eine behördliche Genehmigung erforderlich. Die Zelltransplantation ist auf eine Reihe von Hindernissen für die klinische Translation gestoßen, darunter die potenzielle Immunabstoßung nicht autologer Zellen, die Übertragung von Krankheitserregern, die potenzielle Tumorentstehung, die mit Verpackung, Lagerung und Versand verbundenen Kosten, die Haltbarkeit und die Zurückhaltung von Ärzten und Versicherungen bei der klinischen Adoption . Das Überleben der Zellen im Wirt ist ebenfalls ein ungeklärtes Problem, unabhängig von der Zellquelle, und es wird diskutiert, ob die transplantierten Zellen an sich regenerativ sind oder einfach als pleiotrope Quelle von Faktoren und Signalen fungieren, insbesondere in ihrer Fähigkeit, Entzündungen zu regulieren . Diese Barrieren werden auch in absehbarer Zukunft Herausforderungen für die Implementierung von Engineered Bone als klinische Behandlung darstellen. Ein alternatives Paradigma besteht darin, endogene Stammzellen zu aktivieren, um an der Knochenregeneration teilzunehmen. Ein Beispiel hierfür sind periostale Vorläuferzellen, die durch Verletzungen aktiviert werden und eine unverzichtbare Rolle bei der Frakturreparatur spielen . Ob eine einfache Mobilisierung und Homing endogener Stammzellen an die Defektstelle für die Regeneration ausreicht und Vorteile gegenüber einer exogenen Zelltransplantation hat, bleibt abzuwarten.

Der Zusammenbau der Zellen in die erforderliche dreidimensionale (3D) Form des Knochendefekts erfordert ein Gerüstbiomaterial, das die Zellen liefert und zurückhält und möglicherweise ihre Induktion der Geweberegeneration stimuliert und leitet. Zu den Mindestanforderungen an Biomaterialgerüste gehören neben der Aufrechterhaltung der Form (3D-Form und -Größe) die Fixierung (Sicherung der Befestigung am Wirtsknochen und Minimierung der Mikrobewegung), die Funktion (Herstellung einer vorübergehenden oder dauerhaften mechanischen Belastung) und die Bildung (Bereitstellung einer geeigneten Porosität für Massentransport, Revaskularisation, Osteoinduktion und Osteokonduktion) . Zusätzliche Biokompatibilitätsmerkmale müssen auch bei Biomaterialgerüsten erfüllt sein, einschließlich der fehlenden Immunogenität und Toxizität. Darüber hinaus können Gerüste durch Oberflächenfunktionalisierung verbessert werden, um eine Affinität zur Zellbindung und interaktive Modulation der Zellantwort hervorzurufen, und können für die lokalisierte, kontrollierte Abgabe verschiedener bioaktiver Moleküle ausgelegt werden.Gerüste können aus nativen Geweben und biologischen Polymeren und / oder synthetischen Polymeren stammen und unter Verwendung einer Vielzahl herkömmlicher Techniken hergestellt werden (siehe in ). Unter diesen Techniken bietet die Solid Freeform Fabrication (SFF) deutliche Vorteile, da sie eine präzise Kontrolle der Gerüstform und der internen Architektur basierend auf der medizinischen bildgeführten 3D-Modellierung des Knochendefekts ermöglicht . In jüngster Zeit wurde 3D-Bioprinting durch die kommerzielle Verfügbarkeit von Niedertemperatur-3D-Drucksystemen mit hoher Auflösung und mehreren Injektoren ermöglicht, die ursprünglich für Rapid Prototyping-Anwendungen entwickelt wurden. Diese Technologie wurde erfolgreich für das Bone Tissue Engineering mit biokompatiblem und osteoinduktivem Calciumphosphatpulver und biokompatiblem Bindemittelsystem für den CT-geführten 3D-Druck von patientenspezifischen Gerüsten angepasst . Die Multi-Injektor-Fähigkeiten eines farbigen 3D-Druckers ermöglichen möglicherweise die Einbettung von Kombinationen von Biofaktoren und Molekülen in das Gerüst mit räumlicher Kontrolle, was in Szenarien attraktiv sein kann, die eine räumlich-zeitliche Kontrolle der Freisetzungskinetik erfordern. Eine kürzlich durchgeführte Überprüfung von Gerüsten für die Knochengewebetechnik hat jedoch ein düsteres Bild für den translationalen Fortschritt des Feldes gezeichnet , das nach wie vor mit technischen Herausforderungen bei der Entwicklung, Herstellung und Funktionalisierung von Gerüsten, behördlichen Genehmigungsbarrieren, geschäftlichen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Erfüllung von Nischenmärkten und der Generierung verbunden ist große Anfangsinvestitionen, die erforderlich sind, um das Geschäft durch den langwierigen Regulierungsprozess zu erhalten, und Fragen des Lebenszyklus des geistigen Eigentums, die das Produkt lange genug über den Regulierungsprozess investitionen und machen diese Produkte kommerziell rentabel.

Die Abgabe von Biofaktoren und Molekülen kann die Zellsignalisierung im Defektmilieu verändern und beeinflusst nachweislich das Ergebnis der Regeneration. Ein populäres Paradigma im Tissue Engineering legt nahe, dass die Reaktivierung von Entwicklungsfaktoren und Signalen für eine echte Regeneration des verlorenen adulten Gewebes notwendig sein könnte . Es ist jedoch unklar, ob die komplexen Entwicklungssignalgradienten und -kaskaden bei der postnatalen Gewebereparatur originalgetreu repliziert werden müssen oder können. Unabhängig davon liefert uns unser Verständnis der Entwicklungsbiologie des Bewegungsapparates und insbesondere der endochondralen und intramembranösen Knochenbildung im Embryo eine Fülle von Informationen über Faktoren, die bei individueller Anwendung die Knochenregeneration fördern können. Dieser letztere, einfachere Ansatz ist für die therapeutische Translation vorzuziehen.Ein typisches Beispiel ist die Entdeckung von knochenmorphogenetischen Proteinen (BMP), die von Marshall Urist entdeckt und für ihre osteoinduktiven Eigenschaften angepriesen wurden . Grundlagenstudien mit transgenen Mäusen, bei denen einzelne BMPs selektiv aus dem Gliedmaßenskelett herausgeschlagen wurden, haben BMP-2 als kritischen Faktor für die angeborene Regenerationsfähigkeit von Knochen identifiziert . Die Kombination von rekombinantem humanem BMP-2 auf einem resorbierbaren Kollagenschwamm (ACS) -Träger war eines der am meisten untersuchten Systeme in präklinischen und klinischen Studien und stellt eine der bedeutendsten therapeutischen orthopädischen Entdeckungen dar . Mit unterstützenden klinischen Studiendaten der Stufe 1 ist rhBMP-2 / ACS (INFUSE® Bone Graft) zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Artikels für drei von der Food and Drug Administration (FDA) zugelassene klinische Indikationen im Handel erhältlich, darunter Wirbelsäulenfusion, offene Tibiafrakturen mit einer intermedullären (IM) Nagelfixierung, orale und maxillofaziale Augmentation (Sinusaugmentationen und Alveolarkammaugmentationen für Defekte im Zusammenhang mit Extraktionssockeln) . Die Wirksamkeit von Infusionsknochentransplantaten erfordert jedoch supraphysiologische Konzentrationen von BMP-2, und zahlreiche unerwünschte Ereignisse wurden bei der FDA eingereicht und in der Literatur in zugelassenen Indikationen und Off-Label-Anwendungen berichtet . Daher bleibt die Identifizierung wirksamer Dosen von BMP-2 (und möglicherweise anderer osteogener und vaskulogener Faktoren) für die Regeneration kritischer Knochendefekte, vorzugsweise mit tolerierbaren und subklinischen Nebenwirkungen, eine häufige Herausforderung für die Geweberegeneration Gemeinschaft.Eine spannende Perspektive war die Entdeckung des therapeutischen Wertes von systemischen Hormonen wie Parathyroidhormon (PTH) bei der Frakturreparatur und Tissue Engineering von kritischen diaphysären Defekten in präklinischen Modellen . Dieser systemische Lieferansatz könnte die mit der lokalen Lieferung verbundenen Herausforderungen überwinden, muss jedoch noch klinisch validiert werden.Zusammenfassend lässt sich sagen, dass jede der einzelnen Komponenten der konventionellen Tissue-Engineering-Triade (Zellen, Gerüste und Biofaktoren) einzigartige Herausforderungen mit sich bringt. Die Optimierung dieser Kompositkonstrukte zu funktionellen Gewebeersatzstoffen erfolgt typischerweise empirisch im Labor ex vivo mit Zell- und Gewebekulturmodellen und in vivo mit präklinischen Tiermodellen. Dieser Ansatz war jedoch mit schwierigen Hindernissen für die Übersetzung von der Bank zum Krankenbett konfrontiert. Ein dreikomponentiges Medizinprodukt hätte mindestens 30 mögliche Kombinationen unabhängiger Variablen (wobei ni die Anzahl der möglichen Variablen ist, die der i-ten Komponente des dreikomponentigen Produkts zugeordnet sind), was die Durchführbarkeit der Prüfung der experimentellen Matrix in einer umfassenden Untersuchung unmöglich macht. Dies hat die Fortschritte auf dem Gebiet auf nur inkrementelle Entdeckungen beschränkt, trotz aufregender Entwicklungen und bahnbrechender Technologien, über die in Kleintier- und präklinischen Modellen berichtet wurde. Die regulatorischen Anforderungen der Mehrkomponenten-Knochenregenerationsprodukte haben die klinische Translation behindert und verlangsamen sie weiterhin. Dennoch wurden innovative regenerative Point-of-Care-Ansätze, die vom Tissue-Engineering-Paradigma geleitet werden, in der klinischen Literatur mit bemerkenswerten frühen Erfolgen berichtet.