Ein Einblick in mesenchymale Stromazellen und neue zellfreie Therapien zur Knochenregeneration

Zellbasierte Therapien mit adulten mesenchymalen Stromazellen (MSZ) werden derzeit in registrierten klinischen Studien eingesetzt. MSZ werden durch Zellinjektion oder Implantation in Kombination mit Knochenersatzmaterialien eingesetzt. Eine alternative Option ist die Konstruktion und Implantation von MSZ-bioengineertem Gewebe. MSZ-Sekretom und extrazelluläre Vesikel (EV) werden derzeit noch nicht in klinischen Studien eingesetzt, sind aber vielversprechende Kandidaten für zukünftige zellfreie regenerative Therapien. Es sind jedoch weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um verschiedene therapeutische Optionen innerhalb spezifischer klinischer Indikationen zu verbessern.

MSZ-basierte Therapien und Knochen-Tissue-Engineering

Knochendefekte sind eines der häufigsten Probleme in der orthopädischen und unfallchirurgischen Praxis und ihre Regeneration ist oft eine große Herausforderung.¹ Der Standard für die Behandlung ist nach wie vor die autologe Knochentransplantation, bei der das implantierte Material allein oder in Kombination mit Knochenersatzmaterialien verwendet wird, um die Knochenheilung durch Osteogenese, Osteoinduktion und Osteokonduktion zu unterstützen.² „Fortgeschrittenere“ Ansätze beinhalten zellbasierte Therapien mit adulten mesenchymalen Stromazellen (MSZ), wobei am häufigsten aus Knochenmark und Fettgewebe stammende MSZ verwendet werden (Abb.1).

Wie kürzlich überprüft wurde, werden in klinischen Studien MSZ durch Injektion oder Implantation in Kombination mit Knochenersatzmaterialien eingesetzt.¹ In diesen Studien werden nicht zusammenwachsende Röhrenknochen, Frakturen mit Pseudoarthrose, Kieferknochendefekte und Knochenosteonekrosen behandelt.

Hernigou et al. berichteten, dass die fluoroskopiegesteuerte perkutane Injektion von konzentrierten, autologen, mononukleären Zellen aus dem Knochenmark bei 53 von 60 Patienten zu einer erfolgreichen Knochenvereinigung führte.³ Die Transplantate dieser Patienten enthielten eine signifikant höhere Konzentration an osteogenen Vorläuferzellen im Vergleich zu den 7 Patienten, die keine Knochenvereinigung erreichten.

Gomez-Barrena et al. führten die erste multizentrische europäische Studie mit der Verwendung von MSZ aus dem Knochenmark durch, in Kombination mit biphasischem Kalziumphosphat-Biokeramikgranulat, zur Behandlung von Röhrenknochen mit verzögerten Frakturheilungen und Pseudoarthrosen. Sie fanden die Behandlung sicher und praktikabel und ein Jahr nach der Behandlung wiesen 26 von 28 Patienten eine radiologische Heilung auf.⁴

Liebergall et al. verwendeten einen prophylaktischen minimal invasiven Eingriff mit der Injektion von magnetisch abgetrennten MSZ aus dem Knochenmark, gemischt mit plättchenreichem Plasma und demineralisierter Knochenmatrix, für distale Tibiafrakturen bei 12 Patienten. Die Behandlung führte in kürzerer Zeit zur Schließung der Frakturen im Vergleich zur Kontrollgruppe mit 12 Patienten, welche mit einer konventionellen Methode zur Heilung der Fraktur behandelt worden waren.⁵

Castillo-Cardiel et al. berichteten in ähnlicher Weise, dass die Behandlung von Unterkieferfrakturen mit autologen, aus dem Fettgewebe stammenden MSZ (12 Patienten) zu höheren Ossifikationsraten nach 12 Wochen im Vergleich zur Kontrollgruppe ohne Zelltherapie (12 Patienten), führte.⁶

Allerdings hat sich noch keine dieser zellbasierten Therapien in der Klinik als Standardbehandlung durchgesetzt.⁷

Ansätze des Knochen-Tissue-Engineering, die sich überwiegend noch in der präklinischen Forschungsphase befinden, umfassen verschiedene Kombinationen von Zellen, Biomaterialgerüsten, Signalfaktoren und Transplantatkultur-/Reifungsverfahren (in vitro und in vivo) in Richtung „funktioneller“ Knochenersatzmaterialien.^8,9 Um mehrere Zentimeter großes Gewebe für die Behandlung von Defekten kritischer Größe zu züchten, hat sich die Forschung auf fortschrittliche Technologien zur Gerüstherstellung¹⁰ und auf die dynamische Gewebekultur in Bioreaktorsystemen konzentriert.^11–15 Der vielversprechendste Ansatz für das Erzeugen von funktionellem, lebensfähigem Knochengewebe aus autologen MSZ sind Perfusionsbioreaktorsysteme, die den interstitiellen Fluss des Kulturmediums durch zellbesiedelte Knochengerüste ermöglichen.^16–19 Dies sorgt für eine geeignete biophysikalische Stimulation und ein biochemisches Milieu, die zusammen für das Zellwachstum und die Bildung von neuem Knochengewebe erforderlich sind.^20–22

Grayson et al. berichteten als erste über das Erzeugen von klinisch großen, lebensfähigen Knochentransplantaten aus Knochenmark-MSZ, die genau auf die komplexe Anatomie des Kiefergelenkknochens zugeschnitten wurden.¹⁵ In einer Folgestudie entwickelten Bhumiratana et al. ein in vitro personalisiertes Knochentransplantat für die Rekonstruktion von Gesichtsknochen aus Schweinefettgewebe-MSZ. 6 Monate nach der Implantation in Yukatan-Minischweinen hatten die hergestellten Transplantate ihre anatomische Struktur beibehalten, sich in das native Gewebe integriert und ein größeres Volumen an neuem Knochen und eine stärkere vaskuläre Infiltration erzeugt als nicht besiedelte Gerüsten oder unbehandelte Defekten.²³ Dieser Ansatz befindet sich nun in der klinischen Erprobung (https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03678467).

MSZ-basierte zellfreie Therapieansätze

In den letzten Jahren hat die Anwendung von MSZ zur Knochenregeneration stark an Interesse gewonnen. Es gibt jedoch keine therapeutischen Lösungen, die eine breite klinische Anwendung erreichen würden. Präklinische Studien haben gezeigt, dass nur eine begrenzte Anzahl von transplantierten Zellen überlebt und in die Defektstellen einwächst. Zusätzlich sind die genauen Mechanismen exogener MSZ zur Bildung neuen Gewebes noch nicht klar.^23–26 Andererseits wurde festgestellt, dass die transplantierten MSZ mehrere parakrine Wirkungen auf endogene Zellpopulationen haben können, darunter die Modulation von Immunzellen, angiogene Aktivität, Rekrutierung von benachbarten MSZ und endothelialen Vorläuferzellen, Zellproliferation, Stammzelldifferenzierung, antiapoptotische Effekte und Wundheilung.^26–30 Die therapeutischen Effekte können auf trophische Wirkungen zurückgeführt werden, die vom Sekretom der MSZ bereitgestellt werden, einschließlich löslicher Faktoren wie Zytokine, Wachstumsfaktoren^31–33 und extrazellulärer Vesikel (EV).

EV enthalten Proteine, Lipide und Nukleinsäuren mit potenziell proregenerativen Eigenschaften³⁴ und werden daher als vielversprechende Kandidaten für zukünftige zellfreie regenerative Therapien angesehen. Außerdem scheinen MSZ-abgeleitete EV prima facie sicherer zu sein, da sie keine lebensfähigen Zellen enthalten. Es ist auch unwahrscheinlicher, dass systemisch applizierte EV-Präparate in der Lunge oder Leber eingeschlossen werden, und sie sind höchstwahrscheinlich weniger immunogen.³⁵ Darüber hinaus können sie über einen längeren Zeitraum gelagert werden und bieten die Option eines kommerziellen Produkts zur Heilung von Knochendefekten.³⁶

Studien haben bereits gezeigt, dass unfraktioniertes MSZ-Sekretom sowie MSZ-abgeleitete EV, in Kombination mit verschiedenen Gerüstmaterialien, in vivo an ektopischen Stellen Knochen generieren³⁷ sowie die Knochenreparatur in Calvariadefekten von Nagetieren fördern.^38–40 Idealerweise sollten die für die EV-Abgabe verwendeten biokompatiblen Gerüste die parakrine Funktion der Zellen durch eine langsame/kontrollierte Freisetzung imitieren, da bei einer explosionsartigen Freisetzung die proregenerativen Effekte weniger effizient sein könnten.⁴⁰

Zukünftige Ausrichtung und Herausforderungen für MSZ- und EV-basierte therapeutische Ansätze zur Knochenregeneration

Es besteht ein deutlicher Bedarf an verbesserten Therapien in Fällen, bei denen die natürliche Knochenheilung beeinträchtigt ist. Wie beschrieben, haben mehrere MSZ-basierte Ansätze das Stadium der klinischen Prüfung erreicht. Die Fragen der Dosierung, der Verwendung autologer vs. allogener Zellen und der Wirksamkeit im Vergleich zur Standardbehandlung mit autologer Knochentransplantation werden derzeit untersucht.

Viele Herausforderungen bestehen noch in der Standardisierung, der Qualitätskontrolle, dem Scale-up, der GMP-Herstellung, der Logistik und den Unterschieden zwischen den MSZ-Quellen. Zusätzlich wird die Variabilität zwischen den Patienten aufgrund von Alter, Gesundheit und anderen Risikofaktoren den Erfolg von MSZ-basierten Therapieansätzen beeinflussen.

Während EV-Therapien viele Vorteile gegenüber Zelltherapien bieten, stehen sie vor ähnlichen Problemen wie Zelltherapien, wenn es um die Umsetzung der vielversprechenden Forschungsdaten in klinische Studien und die anschließende Anwendung am Patienten geht. Um die Vergleichbarkeit zwischen präklinischen Studien zu gewährleisten und eine zukünftige Translation in die Klinik zu ermöglichen, müssen die Aufreinigung und Charakterisierung von EV harmonisiert werden.⁴¹ So wurden bereits von mehreren Gruppen GMP-konforme Produktionsverfahren für aus Knochenmark stammende MSZ berichtet.^41–45 Um die Produktion von MSZ-abgeleiteten Sekreten und EV zu erhöhen und effizienter und reproduzierbarer zu machen, wurden Bioreaktorsysteme und zugehörige analytische Ansätze im Vergleich zur statischen Kultur untersucht.^46,47 Es sind jedoch weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um unser mechanistisches Verständnis verschiedener Zell-, EV- und Tissue-Engineering-basierter Therapien innerhalb spezifischer klinischer Indikationen zu verbessern.

Danksagung:

Diese Arbeit wurde von der österreichischen FFG Industrienahe Dissertationen gefördert (Projektnummer 867803, SINEM). Abbildung 1 wurde mit BioRender.com erstellt.

Literatur: