Development of a Novel Collagen-Based Biphasic Carrier for Matrix-Assisted Transplantation of Autologous Chondrocytes

Abstract

At present, autologous chondrocyte transplantation (ACT) is the most reliable method for biological repair of circumscribed lesions of articular cartilage larger than 4 cm 2 in the knee of adults, as shown by long-term results and some prospective randomised studies. However, the conventional ACT using cells in suspension and a periosteal graft for covering the defect exhibits some disadvantages: the application and fixation of the periosteal flap requires a relatively large arthrotomy and, according to current knowledge, carries the risk of transplant hypertrophy. A further disadvantage is its limited use in uncontained defects. To overcome these problems, our group has developed a collagen-based, biphasic carrier for the matrix-assisted variant of ACT. The new biomaterial helps to stabilize the phenotype of seeded chondrocytes and can be implanted into the defect minimally invasive using specialized tools. In the course of developing the matrix, a series of different biomaterials of synthetic and natural origins have been evaluated using human chondrocytes in vitro and in vivo (SCID-mouse model). In this paper some of our most important findings are presented. Finally, new methods for the arthroscopic defect size assessment using the OrthoPilot ™ , as well as for the development of smart biomaterials are introduced. ZusammenfassungLangzeitresultate und prospektiv randomisierte Studien zeigen, dass die autologe Chondrozytentransplantation (ACT) für die biologische Rekonstruktion von umschriebenen Knorpelschäden des Kniegelenks über 4 cm 2 Defektgröße beim Erwachsenen die derzeit zuverlässigste Methode ist. Die konventionelle Form der ACT weist jedoch auch einige Nachteile auf. Hierzu gehören vor allem die häufig erforderliche, langstreckige Arthrotomie für die Periostaufnaht, das Risiko einer Transplantathypertrophie, die nach dem derzeitigen Kenntnisstand vom Periostlappen ausgeht, und die eingeschränkte Anwendbarkeit bei Defekten ohne erhaltenes Containment. Zur Lösung dieser Probleme wurde von unserer Arbeitsgruppe eine kollagenbasierte biphasische Matrix für die trägergekoppelte Form der ACT entwickelt. Das neue Biomaterial stabilisiert den Phänotyp der eingesäten Chondrozyten und lässt sich mithilfe spezieller Instrumente minimalinvasiv in den Defekt implantieren. Im Zuge der Trägerentwicklung wurde eine Reihe von verschiedenen Biomaterialien synthetischer und natürlicher Herkunft mit humanen Chondrozyten in vitro und in der SCID-Maus untersucht. In der vorliegenden Arbeit werden einige der wichtigsten Ergebnisse unserer Untersuchungen mit den verschiedenen Biomaterialien beschrieben. Abschließend wird eine neue Methode zur arthroskopischen Vermessung von Knorpelschäden mit dem OrthoPilot ® sowie ein neues Verfahren zur Entwicklung intelligenter Biomaterialien vorgestellt. Schwerpunktthema 267

Knorpelschaden und Gonarthrose, Teil IV

“…Durch Entwicklung mehrschichtiger Transplantate könnte es in Zukunft möglich werden, den mehrschichtigen Aufbau des Knorpelgewebes wieder herzustellen [40].…”

Scientific and industrial status of tissue engineering

“…Application of tissue engineered cartilage products to the site of defect causes regeneration and obviates the need for major surgical operations. Current products are obtained by in vitro proliferation of autologous chondrocytes including Carticel (Genzyme Biosurgery, USA) (Beary III et al, 1998), Hyalograft C (Fidia Advanced Biopolymers, Italy) (Marcacci et al, 2005), Matrix-induced Autologous Chondrocyte Implantation (MACI) (Verigen, Germany) (Vibe-Hansen and Aesculai, 1998), ChondroArt (Educell, Slovenia) (Drobnic et al, 2002), co.don chondrotransplant (Grifka et al, 2000) and co.don chondrosphere (the latter is marketed as ARTHROcell as well) (both by co.don, Germany) (Litzke et al, 2004), BioSeed-C (BioTissue Technologies, Germany) (Erggelet et al, 2003), NOVOCART (TETEC, Germany) (Gaissmaier et al, 2005;Gaissmaier et al, 2006), Cartilage Repair System (CaReS) (Arthro Kinetics, Germany) (Andereya et al, 2006), ArthroMatrix, which is also marketed as Chondrokin (Orthogen, Germany) (Anon., 2002a), ChondroTec (CellTec, Germany) (Anon, 2001a), and ChondroCelect (TiGenix, Belgium) (Vanlauwe, 2005).…”