Mesenchymale (Stamm-)Zellen als Therapeutika bei Sehnenpathologien

Tendinopathien sind ein hochprävalentes Spektrum von Krankheitsentitäten. Gemeinsame Faktoren sind eine eingeschränkte Funktionalität und Schmerz bei Aktivität. Präklinische und erste klinische Studien liefern nun Hinweise auf positive Effekte einer begleitenden Therapie mittels mesenchymaler Stammzellen.

Das pathophysiologische Verständnis über Tendinopathien hat sich in den vergangenen Jahren deutlich differenziert und das Bild rein mechanisch-repetitiver „Überlastungssyndrome“ um mikroanatomische und pathophysiologische Erkenntnisse erweitert, wobei ein „failed healing“/ eine „failed regeneration“ im Rahmen einer chronisch-inflammatorisch veränderten Gewebehämostase im Mittelpunkt steht. Dies führt beispielsweise zu Metaplasien, fettiger Degeneration und fibrösen Veränderungen.

Das konventionelle Management beinhaltet ein konservatives Vorgehen mit Bewegungseinschränkungen, analgetischen Infiltrationen, ergotherapeutischen Übungen bis hin zu chirurgischer Intervention. Oft führt das zur unvollständigen Wiederherstellung der normalen Sehnenfunktion. Die hohe Prävalenz, die Aktivitätsbeschneidungen durch diese Erkrankungsgruppe und die unvollständigen therapeutischen Möglichkeiten machen Tendinopathien zu einem wesentlichen Target für innovative orthobiologische Therapieansätze.

Mesenchymale Stamm- bzw. Vorläuferzellen (MSC) sind eine heterogene Zellgruppe diverser Gewebe, die in den vergangenen Jahren zunehmend als autologes und auch allogenes Therapeutikum bei muskuloskelettalen Erkrankungen erforscht wird.

Entwicklung des wissenschaftlichen Interesses

Ein in den frühen 2000er-Jahren abgeflachter „Hype“ hat sich besonders in der vergangenen Dekade zu einem kontinuierlichen Trend entwickelt. Dieser Trend spiegelt sich auch im weltweiten Output an Publikationen zum Thema wider, wie in bibliografischen Studien dargestellt werden konnte (Abb. 1).

Entwicklung des MSC-Konzepts

Der Begriff „Stammzelltherapie“ wurde besonders in der vergangenen Dekade inflationär und unscharf begrenzt benutzt. Dieser Fehlgebrauch hat in Summe zu einigen negativen Konnotationen geführt. Caplan et al. waren in den frühen 1990er-Jahren die Namensgeber. Die damalige Entdeckung, dass „adulte mesenchymale Stammzellen“ im Gegensatz zu embryonalen Stammzellen existieren, die weiterhin das Potenzial haben, sich in verschiedene Zelltypen wie Adipozyten, Chondrozyten und Osteozyten (neben anderen) zu differenzieren, war Grund für die Namensgebung.² Zudem wurden dadurch Hoffnungen auf therapeutische Einsatzmöglichkeiten insbesondere im Tissue Engineering geweckt.

Nachdem die Biologie dieser Zellen über die darauffolgenden Jahre besser untersucht worden war, schlug Caplan 2017 selbst eine Namensänderung vor.³ Neben der ursprünglichen Idee, dass MSC primär aufgrund ihres Differenzierungspotenzials therapeutisch einsetzbar werden, zeigte sich, dass ebenso ihre parakrinen Faktoren Einfluss auf das sie umgebende Gewebe nehmen. In Anbetracht der parakrinen Faktoren trat die ursprüngliche Idee, vor allem das Einwandern von MSC in den Defekt und die dortige Differenzierung der Zellen zum „target tissue“ („engrafting“), etwas in den Hintergrund. MSC können aus vielen unterschiedlichen Geweben gewonnen werden, wie beispielsweise aus Nabelschnur, Knochenmark, Fettgewebe oder Synovialflüssigkeit. Das traditionell am häufigsten eingesetzte autologe Quellgewebe in der orthopädisch-traumatologischen Verwendung ist das Knochenmark. Dieses Gewebe ist interessant aufgrund der minimal notwendigen Zellmanipulation und der Möglichkeit der Point-of-Care-Anwendung. In der letzten Dekade drängte sich neben Knochenmark bzw. Knochenmarkaspiraten („bone marrow aspirate concentrate“; BMAC) zunehmend Fettgewebe als viable MSC-Quelle in die akademische Diskussion. Bestechend dabei war vor allem, dass Fettgewebe in vielen Fällen üppig vorhanden ist und die Komorbidität im Vergleich zur BMAC-Entnahme – vor allem aus dem Beckenkamm – überschaubarer wirkt.

In dieser Arbeit sollen kurz Hintergründe zur Rationale der MSC-Therapie dargestellt werden, mit einem Fokus auf die Anwendung bei Sehnenpathologien.

Besonderheiten von Sehnenpathologien

Aufgrund einer differenzierteren mikroskopischen Pathoanatomie wurde die Terminologie für Sehnenpathologien in den frühen 1990er-Jahren spezifiziert. Es zeigte sich, dass chronische Sehnenverletzungen neben der inflammatorischen Komponente auch eine Veränderung des Gewebes wie beispielsweise mukoide Degeneration der extrazellulären Matrix (ECM) sowie Zellmetaplasien bewirken, die in der Folge das biochemische Milieu durch unphysiologische Zytokinausschüttungen in einen (chronisch) inflammatorischen Zustand drängen.⁴

Dieses pathologisch veränderte bzw. chronisch nichtheilende Sehnengewebe – das jedoch meist nicht gerissen ist – ist somit bei den klassischen Tendinopathien zu behandeln. Die Pathogenese wird phasenhaft verstanden und beginnt mit einer unphysiologischen mechanischen (Mikro-)Belastung. Darauf erfolgt eine Chronifizierung durch Inflammation und lokalen oxidativen Stress, der ein normales Ausheilen verhindert. Final findet sich ein Mikromilieu mit Kollagenlysen, chronischer Inflammation und Schmerzen.⁵ Die Pathophysiologie und Pathogenese hiervon sind Gegenstand aktueller Forschung. Ein „damage-associated molecular pattern“ – also eine durch die (repetitive) Verletzung verändertes Reaktionsmuster lokaler Immunzellen – scheint hierbei zentral. Ebenso werden Tenozyten aktiviert und gemeinsam mit diesen kommt es zur Rekrutierung weiterer Immunzellen und zur Aktivierung proinflammatorischer Pathways, die TNF-α, IL-1β und viele weitere Faktoren involvieren. Eine wesentliche Zellart sind hierbei die proinflammatorischen M1-Makrophagen. Auch die Substanz P (SP) wird von Tenozyten exprimiert und führt u.a. zu neurogenem Schmerz, Ödemen und Fibrose.⁵ Unter diesen pathologischen Bedingungen können „tendon stem/progenitor cells“ (TSPC) in nichtsehnentypische Gewebe differenzieren, wodurch beispielsweise fettige Infiltrationen, Ossifikationen oder fibröse Veränderungen entstehen.⁶ Dieses eingeschränkte Regenerations- bzw. Gewebehomöostasepotenzial führt zu weniger Reparaturfähigkeit nach repetitiven Mikrotraumata.

Das konservative Management dieser Tendinopathien hat sich daher klassischerweise auf antiinflammatorische Therapie fokussiert, wobei nichtsteroidale Schmerzmedikamente zentral sind, neben Physiotherapie und Verhaltensänderung mit Vermeidung der repetitiven Tätigkeit. Diese Therapie ist weithin akzeptiert, auch weil sie gute Resultate zeigt, was Schmerz und Funktion betrifft – zumindest kurzzeitig.⁷ Dennoch spricht etwa ein Viertel der Patient:innen schlecht an und ein Wiederaufflammen der Symptomatik ist häufig. Um diesem „unmet medical need“ begegnen zu können, stehen Orthobiologika wie MSC in der Hoffnung.

Mesenchymale Stammzellen und deren postulierter Wirkmechanismus

Die aktuelle Literatur konzentriert sich zu einem großen Teil auf die Arthrose als MSC-Target. Im Generellen gelten aber die gleichen Wirkmechanismen der MSC, wobei vier wesentliche beschrieben werden:⁸

• eine Makrophagen-Polarisation von proinflammatorischen M1- hin zu anti-inflammatorischen M2-Makrophagen

• die Immunmodulation durch die Sekretion antiinflammatorischer Zytokine wie IL-10, TGF-β, IL-1Ra und vielen mehr

• zellprotektive und Anti-Seneszenz-Effekte, insbesondere durch extrazelluläre Vesikel (EV)

• Wachstumsfaktoren, die die lokale Gewebsregeneration fördern

Zellfreie MSC-Anwendungen: das Sekretom

Der Verbleib applizierter Zellen in Gelenken ist oft sehr kurz und bewegt sich im Rahmen weniger Tage. Trotzdem werden nach dem Prinzip von „hit and run“ diesen Zellen und deren Sekretomen Effekte zugesprochen. Daher gehen neuere Versuche in die Richtung, das Sekretom allein, insbesondere die von MSC freigesetzten EV, zu nutzen. Diese EV bestehen aus einer Dop-pellipidschicht, die von den meisten eukaryotischen Zellen produziert werden. Dadurch können diese EV Stoffe transportieren, die ohne diese Hülle nicht wasserlöslich wären. Abhängig von der Ursprungszelle können somit wesentliche Signalmoleküle, wie micro-RNA, transportiert werden. Allgemein zeigen in präklinischen Untersuchungen die Sekretome von MSC eine antiinflammatorische, antiapoptotische und proregenerative Wirkung.⁹

Dieser als „zellfreie“ regenerative Medizin bezeichnete Ansatz findet für Sehnenpathologien nur eine begrenzte Abbildung in der Literatur. Dennoch gibt es einen zunehmenden „body of evidence“ im präklinischen Setting, der eine verbesserte biologische Heilung von Sehnengewebe bei Se-kretomanwendungen zeigt.¹⁰ Ein Umstand, der die Rationale der Anwendung von EV bei Tendinopathien unterstreicht, ist, dass MSC bzw. TSPC im Sehnengewebe bei physiologischer Gewebshämostase EV exprimieren, die die Synthese und Auflösung extrazellulärer Matrix und somit die Gewebsregeneration und -heilung regulieren.¹¹

Präklinische Daten, die die Wirkung von EV auf die Sehnenheilung untersuchen, verwenden meistens aus Fett- oder Knochenmark isolierte MSC. So konnten z.B. Shen et al. in einem Mausmodell zeigen, dass die lokale Transplantation die frühinflammatorische Phase durch eine Makrophagen-Umpolarisation verbesserte.¹² Dabei hatten in vitro geprimte Zellen – also Zellen, die in vitro beispielsweise einer inflammatorischen Umgebung ausgesetzt wurden – ein zusätzlich günstigeres EV-Profil im Vergleich zu ungeprimten Zellen. So konnte in der oben erwähnten Arbeit gezeigt werden, dass die Rerupturrate gesenkt und die Kollagenformation durch eine solche EV-Anwendung gesteigert werden kann.¹²

Präklinische Daten

In einigen In-vivo-Tierstudien hat sich eine verbesserte Komposition der extrazellulären Matrix des untersuchten Sehnengewebes nach MSC-Behandlungen gezeigt. Meist war neben anderen Strukturproteinen der postinterventionelle Kollagen-1-Gehalt erhöht. Darüber hinaus scheinen ein Remodeling und eine Fibrillogenese zu passieren. Diese beobachteten Effekte waren jedoch oft von kurzer Dauer bzw. konnten nicht nachhaltig nachgewiesen werden.¹³ Diese Effekte werden zum einen durch die Produktionsfähigkeit von ECM-Molekülen der MSC selbst erklärt, zum anderen aber, und dies scheint der Hauptmechanismus zu sein, durch die stimulatorischen Effekte auf in den Sehnen sitzende TSPC, die ihrerseits wieder ECM-Elemente produzieren können.¹⁴

Bereits 1999 zeigten Award et al., dass autologe MSC-Applikationen aus Knochenmarkaspiraten in Kombination mit einem Kollagen-1-Gel die Geweberegeneration in einem Patellarsehnenmodell verbesserte und auch zu höherer mechanischer Belastung und vermehrten Kollagenfasern führte im Vergleich zur Kontrollgruppe.¹⁵

Demgegenüber wurde etwa bei Shen et al. gezeigt, dass autologe MSC aus Fettgewebe gemeinsam mit BMP-12 oder CTGF in einem Hunde-Beugesehnenmodell zu einer verbesserten Sehnenheilung sowie vermehrter ECM-Produktion führen im Vergleich zur Kontrollgruppe.¹⁶ Eine andere interessante Arbeit vergleicht diese beiden MSC-Zellquellen – nämlich Fett und Knochenmark – bezogen auf ihr regeneratives Potenzial bei Sehnenpathologien. Dabei kam ein Beugesehnenmodell am Pferd zur Anwendung, wobei MSC aus Fett, Knochenmark oder plättchenreichem Plasma appliziert wurden. Es konnte eine Erhöhung der Synthese von Kollagen-1, Decorin, Matrix-Metallproteinasen und einigem mehr gezeigt werden, was für eine verbesserte Sehnenheilung bzw. Sehnenregeneration spricht. Die besten Ergebnisse zeigte die Knochenmarkgruppe, wobei alle Interventionsgruppen eine der Kontrollgruppe überlegene Sehnenregeneration zeigten.¹⁷ Oftmals wurden in diesen präklinischen Modellen also Tissue-Engineering-Ansätze genutzt, wo MSC aus Fettgewebe oder Knochenmark als Zellen in Kombination mit Matrizen und/oder Signalfaktoren bei Sehnenverletzungsmodellen zur Anwendung kommen.

Diese kleine und unvollständige Auswahl präklinischer Arbeiten zeigt in vielen Fällen eine gute Evidenz sowohl für den Wirkmechanismus als auch für die Effekte im Tiermodell. Die klinische Translation ist, wie meist im Kontext regenerativer Verfahren, komplex. Dennoch existieren einige Arbeiten, die MSC-Anwendungen bei Sehnenpathologien auch in klinischen Settings untersucht haben.

„Dosierung“ und Sicherheit der Anwendung

Die Dosierung bzw. die optimale Zahl und somit Aufbereitung der Zellen für Sehnenpathologien sind zurzeit nicht geklärt. Eine oftmals genannte Zahl, die aber einfacher bei den hier nicht oder wenig diskutierten allogenen Zellanwendungen zu kontrollieren ist, sind 25 Millionen MSC. Diese Zahl kommt jedoch aus Untersuchungen von MSC als Therapeutikum bei Arthrose. Bei dieser Indikation konnte in einer Metaanalyse gezeigt werden, dass eine weitere Dosiseskalation über 25 Millionen Zellen hinaus zu keiner signifikant stärkeren Verbesserung von Schmerz oder Funktion führte.¹⁸ Diese Zahl kann nicht auf andere Patholo-gien oder Indikationen übertragen werden, dient aber vielleicht als Orientierungshilfe, die zeigt, dass mehr nicht immer besser ist.

Die Applikation autologer MSC im Generellen gilt als sicher. Centeneo et al. führten eine groß angelegte Analyse von über 2000 Patient:innnen im Jahr 2016 durch. Dabei wurden Patient:innen mit unterschiedlichen MSC-Anwendungen für eine Vielzahl muskuloskelettaler Beschwerden behandelt.¹⁹ Es wurden 325 „adverse events“ beschrieben, bei einer durchschnittlichen Nachuntersuchungszeit von über 2 Jahren. Die meisten dieser unerwünschten Nebenwirkungen waren Schmerzen nach der Injektion bzw. Schmerzen durch voranschreitende Gelenkdegeneration. Es wurde keine maligne Entartung beobachtet – die Rate neu aufgetretener Neoplasien war in der nachuntersuchten MSC-Gruppe geringer im Vergleich zur Gesamtbevölkerung.¹⁹

Hart et al. konnten zeigen, dass im Vergleich zu Kortikosteroidinjektionen MSC-Applikationen zu einer vergleichbaren Schmerzreduktion führten, jedoch Cortison-verdächtige ungünstige Nebenwirkungen wie Myopathie oder Osteonekrosen nicht auftraten.²⁰

Klinische Daten

Die klinische Evidenz für MSC-Anwendungen bei Sehnenpathologien ist begrenzt, wobei vorhandene Studien oftmals geringe Fallzahlen bzw. ein wenig robustes Studiendesign aufweisen (Tab. 1). In einer randomisiert-kontrollierten Studie wurden PRP- und SVF(„stromal vascular fraction“)/MSC-Anwendungen bezogen auf die Funktionsverbesserung und Schmerzverbesserung bei Achillessehnen-Tendinopathien an 44 Patient:innen nachuntersucht. Beide Anwendungen waren sicher. Der VAS- und der AOFAS-Score zeigten in einem Kurzzeit-Follow-up von bis zu 30 Tagen signifikante Unterschiede zugunsten der SVF/MSC-Anwendung.²¹ Eine andere randomisiert-kontrollierte Studie aus dem Jahr 2018 verglich Physiotherapie allein mit Physiotherapie in Kombination mit einer Zelltherapie und PRP bei Rotatorenmanschettenverletzungen. Sowohl die Funktions- als auch die Schmerzscores waren nach 3 Monaten signifikant unterschiedlich zugunsten der Zell- und PRP-Interventionsgruppe.²² Eine unkontrollierte Studie aus dem Jahr 2012 untersuchte bei Patient:innen mit frustran verlaufender konservativer Behandlung von Patellatendinopathie die Auswirkung von ultraschallgezielten MSC-Injektionen ebendort. Die acht eingeschlossenen Proband:innen zeigten im 5-Jahres-Follow-up verbesserte Funktionsscores.²³ Zwei Arbeiten untersuchten neben Funktions- bzw. Schmerzscores ebenso die Gewebequalität nach MSC-Applikationen. Eine davon, wenn auch keine randomisiert-kontrollierte Studie, untersuchte auch die Gewebequalität nach der Applikation von MSC bei Rotatorenmanschettenverletzungen. Neben verbesserten Funktions- bzw. Schmerzscores zeigte sich auch im MRT eine verbesserte Sehnenqualität.²⁴ Ebenso untersuchten Conell et al. 10 Jahre früher die Sehnenqualität mittels Ultraschall bei Patient:innen mit Epikondylitis des Ellenbogens. Auch hier zeigten sich verbesserte Funktionsscores neben der Abnahme der Sehnendicke, festgestellt mittels Ultraschall. Die verwendeten Zellen waren hierbei jedoch keine MSC, sondern von Hautfibroblasten abstammend.²⁵

Zusammenfassung und Ausblick

Zusammengefasst lässt sich darstellen, dass es Hinweise gibt, dass die MSC-basierte Therapien in Bezug auf die Symptom-, Funktions- und Gewebequalitäts-Verbesserung bei Sehnenpathologien Effekte zeigen. Insbesondere in präklinischen Modellen führten diese Effekte zu einer verbesserten Gewebequalität. Erste klinische Arbeiten zeigen ebenso verbesserte Sehnenfunktionen und weniger Schmerzen nach MSC-Anwendungen, insbesondere als Ergänzung zu konventioneller konservativer Therapie. Die Evidenz dafür ist derzeit überschaubar. Insofern sind große, randomisiert-kontrollierte Studien zur Thematik nötig, um fundierte klinische Anwendungsempfehlungen aussprechen zu können.

Literatur: