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Gruchenberg, Katharina (2013): In vivo Untersuchungen neuartiger Seidenfibroin-Scaffolds als Teilersatz des Meniskus am Schafmodell, In vivo investigations of novel silk fibroin scaffolds for partial meniscus replacement in a sheep model. Dissertation, LMU München: Tierärztliche Fakultät
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Abstract

Da man sich den negativen Auswirkungen der totalen sowie partiellen Meniskektomie bewusst ist, wird seit mehreren Jahren nach einem geeigneten Ersatzmaterial für geschädigtes Meniskusgewebe gesucht. Bisher konnte allerdings keines der getesteten Materialien das Meniskusgewebe zufriedenstellend ersetzen. Daher war es Ziel der vorliegenden Studie, ein neuartiges Scaffold auf seine Fähigkeit geschädigtes Meniskusgewebe zu ersetzen zu untersuchen. Das getestete Scaffold wurde aus Seidenfibroin, einem Hauptbestandteil der Seide der Seidenspinnerraupe Bombyx mori, hergestellt. Viele Materialien aus Seide konnten bereits in anderen Einsatzgebieten durch ihre gute Biokompatibilität sowie durch hervorragende mechanische Eigenschaften überzeugen. Voruntersuchungen der neuartigen Seidenfibroin-Scaffolds zeigten eine durchschnittliche Porengröße von > 100 μm. Zusätzlich konnten in vitro geeignete mechanische Eigenschaften für den Meniskusersatz sowie eine gute Biokompatibilität der Scaffolds nachgewiesen werden. Daher sollte in der vorliegenden Studie in vivo am Schafmodell getestet werden, ob die Seidenfibroin-Scaffolds auch im Kniegelenk biokompatibel sind, ob sie eine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen und ob sie die Entstehung degenerativer Knorpelveränderungen verzögern können. Am medialen Meniskus wurde eine partielle Meniskektomie durchgeführt und die Seidenfibroin-Scaffolds in den Meniskusdefekt implantiert. Es gab zwei Scaffold-Gruppen mit unterschiedlichen Untersuchungszeiträumen. In einer Gruppe betrug die Implantationszeit drei Monate. Das Hauptaugenmerk lag in dieser Gruppe auf möglichen Immunreaktionen gegen das Scaffold. In der anderen Scaffold-Gruppe betrug die Implantationszeit sechs Monate. Als orientierende Vergleichsgruppen wurde eine Tiergruppe shamoperiert, bei einer anderen wurde eine Teilresektion durchgeführt. Der Untersuchungszeitraum dieser beiden Gruppen betrug ebenfalls sechs Monate. Im Vergleich der drei Sechsmonatsgruppen war es möglich die Auswirkungen der Scaffoldimplantation auf die Gelenkgesundheit zu beurteilen. Je Versuchsgruppe wurden 9-10 Tiere operiert. Durch makroskopische, histologische und immunchemische Untersuchungen von Gelenkkapsel, Meniskus und Scaffold sowie Gelenkflüssigkeit wurde die Biokompatibilität der Scaffolds im Kniegelenk überprüft. Die histologischen Untersuchungen der Scaffolds ließen Aussagen über die Bioaktivität und das Einwachsverhalten der Scaffolds zu. Mit makroskopischen, biomechanischen und histologischen Untersuchungsmethoden wurde der Degenerationsgrad des artikulären Knorpels bestimmt, um mögliche chondroprotektive Eigenschaften der Scaffolds zu ermitteln. Zusätzlich wurden Scaffold- und Meniskusproben biomechanisch untersucht. So konnte überprüft werden, ob die Scaffolds vor sowie nach Implantation aus mechanischer Sicht geeignet sind, verletztes Meniskusgewebe adäquat zu ersetzen. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Seidenfibroin-Scaffolds durchaus Potential für die Anwendung als Meniskusteilersatz haben. Die Biokompatibilität der Scaffolds konnte bestätigt und eine Schädigung des Gelenkknorpels durch die Scaffoldimplantation ausgeschlossen werden. Außerdem scheinen die Scaffolds das Auftreten degenerativer Knorpelveränderungen, wie sie nach partieller Meniskektomie zu beobachten sind, verzögern zu können. Vor Implantation wiesen die Scaffolds eine geringere Steifigkeit auf als das native Meniskusgewebe. Im Laufe der Implantation nahm die Steifigkeit der Scaffolds allerdings zu und unterschied sich nach sechs Monaten nicht mehr signifikant von der Steifigkeit des Meniskus. Auf lange Sicht scheinen die Scaffolds demnach das Meniskusgewebe mechanisch ersetzen zu können. Dies ist besonders wichtig, da die Seidenfibroin-Scaffolds einen dauerhaften Meniskusersatz darstellen und nicht wie andere Materialien einer raschen Resorption und Substitution durch Regenerationsgewebe unterliegen. Allerdings zeigte sich in dieser Studie auch, dass die Fixation der Scaffolds nicht in allen Fällen erfolgreich war. Zudem fand während der Implantationszeit keine Integration der Scaffolds in das Meniskusgewebe statt. Meniskusnah waren zwar einige Scaffoldporen mit Zellen und Bindegewebe gefüllt, eine bindegewebige Verwachsung zwischen Scaffold und Meniskus war hingegen weder nach drei- noch nach sechsmonatiger Implantation zu sehen. Veränderungen der Poreninterkonnektivität, der Porengröße sowie der Fixierbarkeit sind daher vor einem weiteren Einsatz der Scaffolds notwendig. Zudem sollten in einer weiteren in vivo Studie die chondroprotektiven Eigenschaften der Seidenfibroin- Scaffolds über einen längeren Zeitraum untersucht werden.

Abstract

The negative effects of partial and total meniscectomy are widely known. Therefore, many scientists are searching for an adequate material to replace damaged meniscal tissue. However, no tested material was able to replace the meniscus sufficiently. Thus, it was the objective of this study to investigate the ability of an innovative scaffold to replace damaged meniscal tissue. The tested scaffolds were manufactured from silk fibroin. Silk fibroin is one of the main components of the silkworm (Bombyx mori) silk and many materials manufactured from this silk already demonstrated a good biocompatibility and excellent mechanical properties in other fields of biomedical applications. In vitro investigations of the silk fibroin scaffolds used in this study showed an average pore size of > 100 μm. In addition, the in vitro investigations confirmed a good biocompatibility and suitable mechanical properties to replace meniscal tissue. In the present study, the silk fibroin scaffolds were tested in an in vivo sheep model to prove their biocompatibility, their mechanical stability and their ability to delay cartilage degeneration. A partial meniscectomy was carried out at the medial meniscus and the silk fibroin scaffold was implanted into the meniscal defect. There were two scaffold groups with differing observation periods. In one group the implantation period was three months with the primary focus on potential immunological responses to scaffold implantation. The implantation period in the other scaffold group was six months. A sham and a partial meniscectomy group were operated as references and the observation period in these groups was six months as well. This helped to assess the effects of scaffold implantation on joint health. Per group 9-10 animals were operated. The biocompatibility of the scaffolds inside the knee joint was verified with macroscopic, histological and immunochemical analyses of joint capsule, meniscus and scaffold as well as synovial fluid. Furthermore, the histological examination of the fibroin scaffolds aimed to assess the bioactivity and the ingrowth behaviour of the scaffolds. Macroscopic, biomechanical and histological investigations helped to analyse the degree of cartilage degeneration in order to determine possible chondroprotective properties of the silk fibroin scaffolds. Moreover, specimens of scaffolds and menisci were investigated biomechanically. The aim of this investigation was to verify that the mechanical properties of the scaffolds are suitable to adequately replace meniscal tissue. The results of this study show that the silk fibroin scaffolds have the potential to be used as a meniscal replacement. The biocompatibility of the scaffolds was confirmed in this study and the scaffolds did not damage the surrounding articular cartilage. The scaffolds were able to delay the onset of cartilage degeneration in a time frame of six months. Prior to implantation the scaffolds showed a lower stiffness than did the meniscal tissue but over implantation time the stiffness of the scaffolds increased. After six months there was no longer a significant difference between the stiffness of the scaffolds and the meniscal tissue. Therefore, the scaffolds might be able to mechanically replace the meniscus in the long term. This is particularly important since the silk fibroin scaffolds will be used as a permanent meniscal substitute rather than being rapidly degraded and replaced by regeneration tissue like other scaffold materials. However, the fixation of the scaffolds has proved difficult in some cases and no integration of the scaffolds into the meniscus occurred during the implantation period. Changes of the pore interconnectivity and pore size as well as the feasibility of fixation are necessary prior to further use as a replacement of meniscal tissue. Besides, the chondroprotective properties of the silk fibroin scaffolds should be investigated in vivo over an extended period of time.