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Zelltherapie aus Fettgewebe in der Arthrosebehandlung

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„All the success of orthopedic surgeons are little more than a reflection of the body’s amazing ability to heal itself.“ (Dr. Henry Mankin)

Arthrose – Gelenksdegeneration – ist eine in der Gesamtbevölkerung weitverbreitete, belastende Erkrankung. Die Inzidenz steigt mit dem Alter, 70–80% aller Menschen über 70 weisen Zeichen von Arthrose auf, 10–30% davon haben zudem auch Symptome.

Das Hauptziel der Orthopädie ist es, Mobilität zu erhalten. Arthrose ist eine Hauptursache für die graduelle Abnahme von Mobilität. Daher liegt Arthrose im Fokus der orthopädischen Versorgung.

Das momentane Verständnis der Ätiologie der Erkrankung umfasst ein komplexes Zusammenspiel von intrinsischen und extrinsischen Faktoren, die alle zum Beginn und Fortschreiten von Arthrose beitragen. Das „Dreieck“ Alter – Degeneration – Inflammation liegt im Zentrum dieses Prozesses.1 Alter ist in diesem Fall mit erhöhter Knorpeldichte, verringerter Anzahl an Proteoglykanen, verringerter Kollagendichte und der Dedifferenzierung von Zellen assoziiert.2

Ein durch die gesamte orthopädisch-wissenschaftliche Gemeinschaft gehender Konsens besteht darüber, dass osteochondrale Läsionen (OCL) zum Auftreten von Arthrose führen.3

Der Begriff „regenerative“ Therapien ist in diesem Zusammenhang nicht ganz zutreffend. Therapien wie Blutprodukte und Zelltherapien sollen die Erkrankung vorrangig durch eine Verbesserung der Gelenkshomöostase beeinflussen und nicht tatsächlich hyalinen Knorpel regenerieren. Tatsächliche Regeneration wird vor allem bei OCL, die von gesundem Knorpel umgeben sind, angestrebt. Besonders die klinische Anwendung von Transplantationen körpereigener Chondrozyten – zum ersten Mal im Jahr 1994 publiziert4 – hat sich zu einer etablierten chirurgischen Methode entwickelt, auch weil es für die Wirksamkeit dieser Technik die meisten wissenschaftlichen Daten gibt. Schuette et al. konnten in einem systematischen Review eine signifikante Überlegenheit dieser Technik im Bereich der klinischen Resultate nach 5 Jahren zeigen.5 Zudem gibt es Belege dafür, dass Gelenksdegeneration verzögert bzw. sogar gestoppt werden konnte.6 Ein unabhängiges Health Technology Assessment stufte die Transplantation von körpereigenen Chondrozyten als kostengünstige Behandlung ein.7

Diese Erfolge machen die Orthopädie zu einem Bereich, der in der klinischen Anwendung regenerativer Medizin führend ist. Allerdings sind diese Techniken vor allem dafür geeignet, umschriebene OCL in Gelenken zu behandeln, die noch keine Arthrose entwickelt haben.8

Während bereits manifeste Arthrosen eine eindeutige Kontraindikation darstellen, sind Fälle von Früharthrose („Early onset“-Arthrose) ein noch weitgehend unklarer Bereich. Es konnte gezeigt werden, dass – sogar wenn eine erfolgreiche Behandlung stattfand – die Fehlerrate bei früh einsetzenden degenerativen Läsionen, die mit regenerativen Ansätzen behandelt wurden, doppelt so hoch war wie bei traumatischen OCLs.9,10 Die demografische Belastung zeigt sich auch deutlich in den Daten des deutschen Knorpelregisters der DGOU. 80% der dort erfassten Defekte weisen eine degenerative Ätiologie auf.11

Um ein Versagen der Behandlung mit regenerativen chirurgischen Methoden zu vermeiden, ist eine korrekte Diagnose notwendig. Eine deutsche Arbeitsgruppe hat sich kürzlich dieser Tatsache angenommen und die radiologischen Anzeichen von Früharthrose zusammengefasst.12 Ein weiterer Meilenstein für die exakte und frühe Arthroserkennung wird zudem der Einsatz von künstlicher Intelligenz in der Radiologie werden.13

Wenn somit klassisch regenerative Methoden bei Früharthrose ungeeignet scheinen, bleibt zu fragen, wie Patienten in diesem Arthrosestadium zu behandeln sind (Abb. 1).

Abb. 1: Stufen der Arthrose und Therapien (OA: Arthrose; OCL: osteochondrale Läsion)

Das Wundermittel? Stammzellen in der Orthopädie und ihre möglichen Wirkungsmechanismen

Früharthrosen könnte einer der Bereiche sein, in dem der Einsatz von sogenannten mesenchymalen Stammzellen (MSC) sinnvoll ist. In der Vergangenheit gab es immer wieder viele Missverständnisse rund um „Stammzellentherapie“. Bedauerlicherweise hat der weitverbreitete Fehlgebrauch dieses Begriffs zu einer negativen Konnotation geführt.14 Ein wichtiges Ziel dieses Artikels ist es, diese Missverständnisse durch datenbasierte Information aufzuklären und somit auch den sinnvollen Einsatz von MSC in der orthopädischen Behandlung zu fördern.

Caplan et al. kreierten den Begriff in den frühen 1990er-Jahren.15 Allerdings forderte Caplan im Jahr 2017 die Änderung des Namens.16 Der Grund für die Debatte um die Terminologie des Begriffs liegt einerseits in den Wirkungsmechanismen, andererseits an der Herkunft der MSC. Das damals vielsprechende Verständnis therapeutischer Anwendungen von MSC basierte darauf, dass sie potenziell in viele unterschiedliche Zellarten differenziert werden können. Dieses vielseitige Differenzierungspotenzial in Adipozyten, Chondrozyten, Osteozyten und viele andere ist ein eindeutiges Charakteristikum von MSC.17 Daher wurden die therapeutischen Einsatzmöglichkeiten von MSC in diesem Potenzial verortet. Sie sollten als Zellmasse zur Regeneration von neuem Gewebe bei spezifischen Anwendungen, wie etwa Knorpelläsionen, dienen. Allerdings wurde im Laufe von Jahrzehnten andauender Forschung die Rolle der „parakrinen“ Eigenschaften von MSC, die das Zielgewebe durch Immunmodulation, Apoptoseveränderung und viele andere Effekte beeinflussen, immer offensichtlicher.18 Diese Effekte scheinen die postulierten therapeutischen Eigenschaften prominenter zu vermitteln als die Rolle von MSC als Zellmasse, die in verletztes Gewebe integriert werden kann. MSC scheinen den regenerativen Prozess zu „orchestrieren“, indem sie die Gelenkshomöostase auf eine positive Art und Weise beeinflussen und verändern.

MSC können aus vielen unterschiedlichen Geweben gewonnen werden, wie beispielsweise aus Nabelschnur, Fruchtwasser, Knochenmark, Fettgewebe oder Synovialflüssigkeit.17,19

MSC sind einfach verfügbar – warum nutzen wir Fettgewebe?

Die traditionell am häufigsten verwendete Gewebsquelle in der orthopädischen Verwendung ist das Knochenmark.17 Dieses Gewebe eignet sich vor allen wegen der minimal notwendigen Zellmanipulation und der Möglichkeit der Point-of-Care-Anwendung.20 Allerdings besitzen aus Fettgewebe gewonnene MSC, sogenannte „adipose tissue-derived MSC“ (ASC), dieselben Vorteile, ohne die Komorbidität von Knochenmarksentnahmen – besonders aus dem Beckenkamm. Aus diesem Grund gewinnen ASC als Quelle für MSC in der klinischen Anwendung immer mehr an Bedeutung.

Fettgewebezellen (ASC): immer dasselbe und dennoch anders?

Einige Faktoren beeinflussen die biologischen Eigenschaften der verwendeten ASC. Eine Strategie, um potenziell negative Einflüsse zu umgehen und die therapeutischen Eigenschaften von ASC zu unterstützen, war, sie mit Blutprodukten zu kombinieren. Diese Vorgehensweise wurde seit Beginn der ersten klinischen Studien mit ASC vor etwa einem Jahrzehnt im Jahr 2011 verfolgt.21,22 Grund dafür war, das Wachstum der ACS zu unterstützen und deren Lebensfähigkeit zu fördern.23–25

Allerdings beeinflusst auch die Wahl des Ursprungsgewebes mit seinem speziellen Platz im Organismus das Differenzierungspotenzial. Ein Beispiel dafür sind die Hinweise darauf, dass ASC, die aus Fettgewebe des Hoffa-Fettkörpers stammen, ein deutlich höheres chondrogenes Differenzierungspotenzial aufweisen als jene aus subkutanem Fettgewebe.26–28

In den meisten Fällen ist die sogenannte „stromal vascular fraction“ (SVF) gemeint, sobald der Begriff ASC genutzt wird. Hierbei wird meistens Kollagenase für die enzymatische Verdauung dem entnommenen Gewebe hinzugefügt.29–31 Danach wird das Enyzm entfernt. Das entstandene Endprodukt wird als SVF bezeichnet. Diese enthält neben ASC auch eine große Anzahl an Zelltypen, wie unter anderem Fibroblasten oder weiße Blutkörperchen.29–31

Man kann also daraus schließen, dass ASC nicht gleich ASC sind. Wünschenswert ist ein einfach anwendbarer Ansatz bei möglichst wenig Zellmanipulation. Um dies erreichen zu können, müssen biologische Eigenschaften, Wirtschaftlichkeit, klinische Untermauerung und die Komplexität der klinischen Anwendung ausbalanciert werden, um die Umsetzung innovativer effektiver Therapien zu beschleunigen.

Kommt es auf die Größe an? Die MSC-Zellzahl aus Fettgewebe

Die Zellzahl – pro Gramm von entnommenem Gewebe – wird intuitiv mit dem im vorigen Teil vorgestellten Wirkungsmechanismen in Verbindung gebracht: Mehr Zellen führen zu größeren Effekten – oder doch nicht?

Die Ergebnisse einer Proof-of-Concept-Studie von Jo et al. unterstützen diesen intuitiven Schluss. Die Forschergruppe injizierte drei unterschiedliche Zelldosen in Knie mit Arthrose, beginnend bei 10×106 über 50×106 bis zu 100×106 Zellen. Höhere Zelldosen brachten signifikant bessere klinische Ergebnisse.32 Eine Nachfolgeuntersuchung zwei Jahre später zeigte ebenfalls, dass die positiven klinischen Effekte in der Gruppe mit der höchsten Dosis signifikant stärker waren. Allerdings wurden seither auch exakt gegenteilige Resultate in der Literatur berichtet. Pers et al. zeigten im Jahr 2016, dass autologe ASC mit der geringsten Dosis, nämlich einer Zellausbeute von 2×106 als einzige Gruppe zu signifikanten Verbesserungen der klinischen Ergebnisse führte, im Gegensatz zu den beiden Gruppen mit größeren Zellzahlen mit jeweils 10×106 und 50×106 Zellen.33

Wir dürfen daraus schließen, dass es tatsächlich auf die Größe ankommt – wir können allerdings noch nicht sicher sein in welche Richtung: Vielleicht ist weniger mehr.

Behandle deine Zellen gut oder sie werden dich nicht gut behandeln (oder gar nicht behandeln?)

Die Viabilität von Zellen ist entscheidend. Zellen, die ihre inerten Kapazitäten verlieren, verlieren ihr regeneratives Potenzial. Es wurden bereits viele Faktoren ermittelt, welche dieses Potenzial beeinflussen. Besonders relevant dürfte im Kontext von Arthrose die Zellexposition mit Kortikosteroiden sein. Diese reduzieren nachweislich die Überlebensfähigkeit von MSC-Zellen im Gegensatz zu Hyaluron, das den gegenteiligen Effekt zu haben scheint.34,35

Unsere Forschungsgruppe am Zentrum für regenerative Medizin in Krems konnte kürzlich zeigen, dass eine Kombination mit Blutprodukten vorteilhafte Effekte auf die Überlebensfähigkeit von MSC hat. Diese Ergebnisse untermauern das Prinzip der Kombination von MSC mit Blutprodukten.25

Interessanterweise scheint das Alter an sich nicht so hinderlich für das regenerative Potenzial von ASC zu sein, wie man das intuitiv annehmen würde. Allerdings verlieren aus Knochenmark gewonnene MSC nachweislich mit größerer Wahrscheinlichkeit ihre Kapazitäten abhängig vom Alter.36

Außerdem soll erwähnt werden, dass die Art und Weise, wie die Zellen verwendet werden, eine wichtige Rolle spielt. Eine Point-of-Care-Verwendung mit möglichst wenig Kontakt zu einer fremden Umgebung ist empfehlenswert. Werden Zellen aus dem Körper und damit auch aus ihrer ursprünglichen Umgebung extrahiert, sind sie – auch wenn sie danach nicht einem weiteren Medium ausgesetzt sind – per definitionem einer fremden Mikroumgebung ausgesetzt, in der die Zellen ihre Biologie ändern.

Die Verwendung von Zellen oder Produkten aus Zellen – wie Sekretome oder Exosomen in einer „zellfreien“ regenerativen Medizin – erfordert eine Neugestaltung der Bedingungen, unter denen die Gewebeentnahme, -speicherung, -vermehrung und -reapplikation dieser medizinischen Stoffe stattfinden können. Dieses Umdenken kann zur Herausforderung werden, da diese speziellen Anforderungen grundlegend von jenen für traditionelle medizinische Substanzen abweichen, deren Handhabung grundsätzlich anders, meist einfacher, ist.

Klinische Anwendungen von ASC bei (Knie-)Arthrosen

Koh et al. veröffentlichten zwei Artikel, in denen ASC im klinischen Setting untersucht wurden. In beiden Studien wurden unkultivierte ASC in Kombination mit plättchenreichem Plasma („platelet-rich plasma“, PRP) verwendet.37,38 Im Jahr 2012 verwendete die Forschergruppe ASC aus Fettgewebe aus dem Hoffa-Fettkörper. 2014 wurden die Patienten nach einem durchschnittlichen Follow-up von 24,4 Monaten abermals untersucht. Die Hauptintervention dieser Studie war eine Umstellungsosteotomie. Die Patienten in der Verumgruppe erhielten zusätzlich ASC in Kombination mit PRP, die Kontrollgruppe erhielt die gleiche Behandlung ohne PRP oder ASC. Die Resultate von VAS und KOOS mit den Subskalen Schmerz und klinische Symptome waren signifikant besser für die Gruppe, die MSC erhalten hatte.38 Eine „Second-look“-Arthroskopie zeigte auch homogene(re) Knorpeloberflächen. Allerdings war dieser Befund nicht signifikant.38

Die praktische Seite: Entnahme, Verarbeitung und (Re)applikation von Fettgewebe

Es gibt eine unterschiedliche Auswahl an kommerziell erhältlichen Kits und Prozeduren. Zumeist besteht der Prozess jedoch aus drei Schritten: Entnahme – Verarbeitung – Applikation.

Während der Entnahme erhalten die Patienten eine Lokalanästhesie. Häufig wird hier eine Mischung aus Kochsalzlösung, Lidocain und Adrenalin verabreicht. Die Entnahmenadeln unterscheiden sich typischerweise stark, je nach Hersteller. Gleiches gilt für die beigefügten Spritzen, die im Idealfall für jeden weiteren Verarbeitungsschritt verwendbar sein sollten. Der nächste Schritt der weiteren Verarbeitung ist die Reinigung des entnommenen Gewebes von Zellrückständen, Blut und anderen unerwünschten Komponenten. Üblicherweise wird hierfür das Gewebe mit Kochsalzlösung gewaschen. Danach muss das Fettgewebe zerstückelt werden. Das kommerziell erhältliche Set Lipogems® beispielsweise verwendet dazu Metallkügelchen und keine enzymatischen Verdauungsprozesse, was in einer überlegenen Zelllebensdauer zu resultieren scheint und die regenerative Kapazität der Zellen erhält.39 Ein weiteres Argument, das gegen die Verwendung von enzymatischer Verdauung spricht, ist der Erhalt der normalen Fettgewebsstruktur, die als Gitter für die späteren ACS dient, damit diese ihre Effekte besser entfalten können. Diese Art der Applikation steht im Kontrast zu den weiter oben erwähnten und häufig genutzten SVF.

Zuletzt wird das verarbeitete Gewebe wieder dem Patienten an der notwendigen Stelle per Injektion verabreicht. Da Besondere dabei ist, dass der oben beschriebene Prozess leicht in Point-of-Care-Verwendung, d.h. entweder in einer chirurgischen Umgebung oder in einer Praxis unter sterilen Bedingungen, durchgeführt werden kann.

Aussichten und Herausforderungen in der Anwendung von ASC bei der Versorgung von Arthrose

Damit sich regenerative Therapien etablieren können, sind neben den oben diskutierten Themen, wie etwa biologische Eigenschaften und klinische Anwendbarkeit, auch ethische Fragen und gesetzliche Vorschriften auf dem Weg zur klinischen Anwendung von zentraler Bedeutung.

Ein breiter Konsens in der wissenschaftlichen orthopädischen Gemeinschaft besteht – unter Berücksichtigung der Sicherheit der Patienten – darüber, dass MSC- Applikationen sicher sind und Teratome oder Neoplasien keine Rolle spielen, was ein Hauptunterscheidungsmerkmal zu embryonalen Stammzellen darstellt.40

In Hinblick auf legistische Regulierungen ist beispielsweise das Quellgewebe der Zellen entscheidend. Die legalen Rahmenbedingungen betonen die Unterscheidung zwischen gleichartiger und nicht gleichartiger Zellverwendung. Damit wäre etwa eine Transplantation von Zellen von gelenkfernen Geweben in Gelenke nicht erlaubt – was jedoch bei der Transplantation von ASC aus subkutanem Fettgewebe in Gelenke passiert.41

Diese Beispiele sollen die Komplexität der klinischen Translation aufzeigen, die über die Biologie und die klinische Medizin an sich hinausgeht.

Ausblick und Fazit

ASC-Therapien sind eine vielversprechende Strategie in der Behandlung von Arthrose. Die Notwendigkeit solider Daten für evidenzbasierte Empfehlungen ist Voraussetzung für die seriöse Anwendung. Allerdings sollte dieses Bekenntnis nicht Bremse für Innovationen sein.

Eine elegante Lösung für die oben in Kürze dargestellten Herausforderungen – wie Point-of-Care-Verwendung, einfache klinische Anwendung, Wirtschaftlichkeit, ethische und gesetzliche Voraussetzungen etc. – könnten ASC sein, die aus dem Fettgewebe des Hoffa-Körpers gewonnen wurden. Diese Idee könnte in Standardbehandlungsalgorithmen integriert werden. Vor dem Hintergrund, dass 40% aller arthroskopischen Knieoperationen von einfachen Meniskusrissen Zeichen von Arthrose oder Früharthrose zeigen, kann argumentiert werden, regenerative Therapien wie die Applikation von ASC aus dem Hoffa-Körper als Standard in die Routinebehandlung zu integrieren.42

Diese und ähnliche Perspektiven sind vielversprechend und spannend. Innovation ist notwendig, um das Potenzial von MSC zu erschließen und kreativ die aufgezeigten Herausforderungen zu meistern. Die Aufgabe, dieses komplexe Puzzle zu lösen, sollte nicht entmutigen, sondern anspornen. Die Wahrscheinlichkeit klinischer Translation korreliert mit der Menge an Innovation, die auf soliden Daten basiert.

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