Die optische Kohärenztomografie (OCT) zur Darstellung der Regenerateigenschaften im Tissue Engineering von Knorpelgewebe

Zusammenfassung

Studienziel: Ziel der Studie ist die Darstellung von im Rahmen des Tissue Engineering mit artifiziellen Matrixsystemen (unterschiedliche Kollagen-Typ-I-Gele) behandelten Defekten des hyalinen Knorpels mit der Methode der optischen Kohärenztomografie (OCT) und ihre Korrelierung mit dem histologischen Erscheinungsbild der Proben. Methode: Im Rahmen der Knieendoprothetik wurden osteochondrale Blöcke von 20 Patienten gewonnen und auf eine Größe von 2 × 2 cm getrimmt. Bei ihnen wurden unter sterilen Bedingungen chondrale Defekte von 8 mm Durchmesser erzeugt. Die Defekte wurden entweder mit einem mit autologen Zellen besiedelten Kollagen-Typ-I-Gel der Konzentration 6 mg/mL verfüllt (Zelldichte 2 × 10⁵/mL Gel), oder mit einem gleich behandelten, aber 20‐fach komprimierten Gel. Jeweils 5 der behandelten Proben pro Gruppe wurden in vitro (37 °C, 5 % CO₂, feuchte Atmosphäre) für 6 Wochen kultiviert, während die jeweils verbleibenden 5 Proben subkutan in Nacktmäusen (BALBc -/-) gehalten wurden. Nach der Rückgewinnung wurde sowohl das Regeneratgewebe als auch die Übergangszone zum hyalinen Knorpel mit der Methode der optischen Kohärenztomografie (OCT) dargestellt. Nach Aufarbeitung der Proben wurden diese Ergebnisse mit konventionellen histologischen Färbungen (HE, Kollagen-Typ-II-Immunnachweis) verglichen. Ergebnisse: Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass eine Darstellung des Knorpels bis zur physikalischen Grenze des verwendeten OCT-Systems (1,6 mm) möglich war, allerdings nahm die Auflösung in den optisch dichteren Bereichen des hyalinen Knorpels ab. Die unterschiedlichen, von den beiden verwendeten Matrixsystemen erzeugten Ultrastrukturen des Regeneratgewebes konnten sowohl durch OCT-Messung als auch durch konventionelle Histologie dargestellt werden. Insbesondere die Beschaffenheit der Übergangszone zwischen Regenerat und hyalinem Knorpel („Bonding“-Zone) konnte durch die Methode der OCT gut beurteilt werden. Ein Vergleich mit HE und Kollagen-Typ-II-Immunfärbungen bestätigte die durch die OCT-Messung gewonnenen Daten. Schlussfolgerung: Durch die Methode der OCT ist es möglich, nach erfolgter Behandlung von Defekten des hyalinen Knorpels in-vitro Aufschluss über die Regeneratqualität zur erhalten. Weitere Studien müssen zeigen, ob ein langfristiges Monitoring der Defektbehandlung durch die Methode der OCT in situ für eine Beurteilung der Regeneratreifung herangezogen werden kann.

Abstract

Aim: The aim of this study was to investigate hyaline cartilage defects treated with cell-seeded artificial matrix systems (two different collagen type I gels) with the method of optical coherence tomography (OCT) and to correlate the results with conventional histological and immunocytochemical staining. Method: Osteochondral blocks were harvested from 20 patients undergoing total knee replacement and trimmed to 2 × 2 cm. Under sterile conditions, chondral defects of 8 mm diameter were either filled with a collagen type I gel plug seeded with autologous chondrocytes (2 × 10⁵/mL gel), or with a corresponding gel plug which was stabilised by a 20-fold compression. Of each group, 5 specimens were cultivated for 6 weeks under standardised in vitro conditions (37 °C, 5 % CO₂, humidified atmosphere), while the remaining 5 specimens were implanted subcutaneously in nude mice (BALBc -/-). Immediately after recovery, the repair tissue and bonding zones were investigated by OCT. Subsequently, specimens were decalcified and investigated by H&E staining and collagen type II immunostaining. The results of OCT and conventional staining were correlated. Results: By OCT, repair tissue could be investigated up to 1.6 mm in depth, physically limited by the utilised OCT system. In the denser hyaline cartilage regions, OCT resolution was reduced. Regardless of cultivation (in vitro or nude mouse), ultrastructural features of the repair tissue could be demonstrated. In particular, ultrastructural differences between the two investigated collagen gels could be detected. Moreover, the bonding region between repair tissue and hyaline cartilage could be evaluated by OCT investigation. The results of the OCT measurements were confirmed by H&E and collagen type II immunostaining. Conclusion: By OCT, repair tissue generated by the treatment of cartilage defects with tissue-engineered matrix systems could be evaluated in vitro. Future studies may show if repair tissue quality may be monitored in situ by OCT.

Schlüsselwörter

optische Kohärenztomografie (OCT) - Kondylen‐Defektmodell - Knorpelreparatur - Nacktmaus‐Modell

Key words

optical coherence tomography (OCT) - contained defect model - cartilage tissue engineering - nude mouse model

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