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Zielsetzung und Fragestellung: Die autologe Chondrozytentransplantation wird häufig unter degenerativen Bedingungen durchgeführt. Eine chronische Inflammation kann das Risiko eines Therapieversagens erhöhen. Hierbei spielen das proinflammatorische Zytokin TNFα eine wesentliche Rolle. Fokussierte extrakorporale Stoßwellen können gezielt die Zellregenration stimulieren. Ziel dieser Studie ist die systematische Untersuchung des Effekts von fokussierten Stoßwellen auf humane Knorpelzelltransplantate im dynamischen Inflammationsmodell.

Material und Methoden: Humane artikuläre Chondrozyten 3 humaner Spender, die eine Kniegelenksendoprothese erhielten, wurden nach dem Verfahren der ACT kultiviert und in Passage 3 in Spheroidkultur verbracht. Zur systematischen Untersuchung erfolgte die Stoßwellenapplikation in einem standardisierten Inflammationsmodell mit TNFα (20 ng/ml) in einem Zeitraum von 48 h in einem speziell entwickelten Prüfstand. Hierbei wurden unterschiedliche Intensitäten (5, 10, 20) bei einer Schusszahl von 1.000 und Frequenz von 1 Hz verwendet. Zur Beurteilung des Regenerats wurde das Genexpressionsprofil von anabolen (Collagen 2, Aggrecan, COMP, PRG4), katabolen (MMP3, MMP13), Dedifferenzierungs- (Collagen 1) Markern und des inflammatorischen Zytokins IL-6 bestimmt, sowie der Mechanorezeptoren Piezo-1 und Piezo-2 ermittelt. Eine SafraninO Fast Green Färbung erfolgte nach 12-tägiger Stimulation zur Beurteilung der Regeneratqualität. Zur statistischen Auswertung wurde der nicht parametrische Mann-Whitney U-Test herangezogen. Die Signifikanz wurde mit p<0.05 definiert.

Ergebnisse: Im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle zeigte sich über einen Zeitraum von 12 Tagen ein positiver Einfluss der Chondrogenese durch die Stoßwellenapplikation. Dies ließ sich auf Genexpressionsniveau durch eine signifikante Erhöhung der chondrogenen Differenzierungsmarker Collagen 2 und Aggrecan im Vergleich zur Kontrolle nachweisen. Die Hinzugabe von TNFα führte zu einer signifikant reduzierten Expression anaboler Marker (Collagen 2, Aggrecan, COMP), verstärkten Expression kataboler Marker (MMP3) und Stimulation des proinflammatorischen Zytokins IL-6. Die Stoßwellenapplikation führte zu einer signifikanten Reduktion der katabolen Einflüsse des Zytokins. Der stärkste Effekt zeigte sich bei der Intensität 10 und 20. Qualitativ konnte dies mit einer vermehrten Einlagerung von Proteoglykanen in den Spheroidkonstrukten bestätigt werden. Zusätzlich zeigte sich eine verringerte Expression des Apoptosemarkers Caspase 3. Die resultierenden Effekte sind als mechanische Stimulation der Stoßwelle über die Expression des Mechanorezeptors Piezo-2 assoziiert.

Diskussion und Schlussfolgerung: TNFα zeigt einen negativen Einfluss auf die Chondrogenese bei Simulation einer ACT. Fokussierte Stoßwellen können die Knorpelregeneration in der 3D Kultur von ACT Spheroidkonstrukten stimulieren und unter inflammatorischen Bedingungen die negativen Effekte des Zytokins reduzieren.