Kontrolle von autologen Knorpelzelltransplantaten mit 3T-MR

Schädigungen des Gelenksknorpels zählen zu den häufigsten Verletzungen. Die chirurgische Therapie von Knorpeldefekten hat sich in den letzten Jahren stetig weiterentwickelt, wobei heute als vielversprechendste Methode die autologe Knorpelzelltransplantation mittels Biomaterialen gilt. Diese Entwicklung und die zunehmende Frequenz von Knorpelersatztherapien verlangen nach einer zuverlässigen, objektiven und idealerweise nichtinvasiven Methode des postoperativen Monitorings. Die MRT hat sich als zuverlässig in der morphologischen Beurteilung von Knorpeldefekten und des Knorpelersatzgewebes gezeigt. Für das Knorpelersatzgewebe ist jedoch neben einer hochauflösenden morphologischen Darstellung auch eine Analyse der Knorpelmatrix notwendig, die die mechanische Belastbarkeit des Knorpels widerspiegelt. Für die hochauflösende Bildgebung sind optimierte Protokolle und Hochfeld-MR-Tomographen (3.0T) Voraussetzung. In in vitro-und in vivo Untersuchungen haben sich Kontrastmittel-verstärkte Techniken und die Natriumbildgebung als selektiv in der Darstellung eines wesentlichen Bestandteils der Knorpelmatrix, der Proteoglykane erwiesen.. Diese Techniken wurden von unserer Arbeitsgruppe in zwei Jubiläumsfondprojekten mitentwickelt. Für die Kollagenfaserstruktur scheinen das T2-Mapping und die diffusionsgewichtete Bildgebung selektive Untersuchungsmethoden zu sein. Während wir in einem weiteren Jubiläumsfondprojekt zeigen konnten, dass T1rho Messungen beim nichtoperierten Knorpel keinen signifikanten Unterschied zum T2 Mapping zeigen, könnte diese Technik beim Knorpeltransplantat jedoch Vorteile liefern. Die beschriebenen selektiven biochemischen MR-Methoden sollen an Knorpelzelltransplantaten mit unterschiedlichen Trägersubstanzen (Kollagenmembranen, Kollagengele, Hyaluronsäurederivate) einerseits in vitro in Kultur, andererseits in vivo an Patienten nach Knorpelzelltransplantation in definierten zeitlich Abständen eingesetzt werden, um sowohl hochauflösend morphologisch als auch biochemisch die Entwicklung der Knorpeltransplantate zu verfolgen und zu quantifizieren. Diese MR-Verlaufskontrollen sollen die bisher notwendigen invasiven bioptischen Kontrollen ersetzen, sie sollen helfen neu entwickelte Knorpeltransplantate zu validieren und postoperative Rehabilitationsprogramme allgemein als auch individuell zu optimieren.

Zusätzlich zur morphologisch , anatomischen Analyse von Ersatzgewebe nach chirurgischer Knorpeldefekt- Therapie mittels verschiedener Techniken die von der einfachen Bohrung des Knochens, dass zur Einblutung in den Knorpeldefekt und in weiterer Folge zur Umwandlung in fibröses Gewebe führt, bis hin zu den aufwendigen Transplantationstechniken wo patienteneigene Zellen nach Züchtung in Kultur verwendet werden, haben wir die sogenannte "biochemische" Magnetresonanztomographie (MR) des Ersatzgewebes nach Knorpelersatztherapie entwickelt. Für diese biochemische MRT wurden entweder schon existierende Methoden im MR optimiert oder weiter entwickelt für ihre klinische Anwendung, oder es wurden neue MR- Methoden entwickelt. Diese MR Techniken erlauben eine Verlaufskontrolle und das Monitoring der Reifung von Knorpelersatzgewebe bei Patienten nach Knorpelersatztherapien über mehrere Jahre. Der von uns definierte Begriff biochemische MR- Bildgebung soll den Wechsel von der konventionellen anatomischen MRT zur MRT mit Quantifizierung der ultrastrukturellen Zusammensetzung des Gewebes wie beim Knorpel und beim Knorpelersatz definieren. Unter Verwendung der biochemischen MRT des Knorpels sind wir imstande die Entwicklung der Bestandteile des Knorpels und ihrer Organisation über die Zeit zu verfolgen wie z.B. das kollagene Fasernetzwerk und wir konnten einen Marker definieren, der uns eine Aussage darüber erlaubt ob sich das kollagene Fasernetzwerk im Ersatzgewebe entwickelt hat oder nicht. Dies wurde möglich durch MR- Techniken wie T2 Mapping, T2* Mapping und Magnatisation- Transfer-Kontrast die relativ spezifisch für den kollagenen Fasergehalt und die Organisation sind. Zusätzlich können wir den Gehalt an Glykosaminoglykanen im Knorpelersatzgewebe im Vergleich zum gesunden Knorpel über die Zeit visualisieren und quantifizieren. Wir wissen, dass nach zellbasierter Knorpeltransplantation die implantierten Zellen Bestandteile des Knorpelgerüstes produzieren. Da die Glykosaminoglykane für die biomechanischen Eigenschaften des Knorpels verantwortlich sind ist ihre Konzentration im Knorpelersatzgewebe kritisch für die mechanischen Eigenschaften des Ersatzgewebes. Diese Komponente konnte mit Techniken wie dGEMRIC, Natriumbildgebung und CEST sichtbar gemacht werden. Basierend auf diese Entwicklungen sind wir in der Lage die Qualität des Ersatzgewebes nach verschieden Knorpelersatztherapien zu evaluieren und haben sie von einer reinen anatomischen Darstellung des Knorpelersatzgewebes zur nicht-invasiven Qualitätskontrolle der Effizienz von Knorpelersatztherapien weiter entwickelt. Diese Information konnte bisher nur mittels Biopsie von Transplantaten gewonnen werden. Deshalb werden unsere MR- Techniken die Zahl an eingreifenden Arthroskopien und Biopsien deutlich verringern. Aufbauend auf den vielversprechenden Ergebnissen der biochemischen MRT des Knorpelersatzgewebes haben wir diese Techniken auf andere Erkrankungen wie die frühe Arthrose und die rheumatoide Arthritis transferiert. In der Arthrose ist die Knorpeldegeneration und im besonderem ein fokaler Verlust an Glykosaminoglykanen, das früheste Stadium der Erkrankung und erlaubt den Nachweis der Degeneration in einem Stadium wo Medikamente die eventuell den Verlauf der Erkrankung umkehren können, eingesetzt werden. Zudem haben wir die Anwendung der biochemischen MR auf andere Strukturen des Gelenkes, wie Menisci, Sehnen und wie kürzlich auch die Kreuzbänder übertragen. Von den Gelenken erfolgte die Weiterentwicklung durch Anwendung der beschriebenen Techniken an den Bandscheiben, die für die biochemische MR besonders geeignet sind, da die Bandscheiben der Zusammensetzung des Gelenksknorpels sowohl biochemisch als auch biomechanisch sehr ähnlich sind.