EP1231932A1 - Implantierbare substrate zur heilung von bindegewebe - Google Patents

Implantierbare substrate zur heilung von bindegewebe

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Publication number
EP1231932A1
EP1231932A1 EP00983161A EP00983161A EP1231932A1 EP 1231932 A1 EP1231932 A1 EP 1231932A1 EP 00983161 A EP00983161 A EP 00983161A EP 00983161 A EP00983161 A EP 00983161A EP 1231932 A1 EP1231932 A1 EP 1231932A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
factors
connective tissue
tissue
healing
Prior art date
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Ceased
Application number
EP00983161A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Sittinger
Olaf Schultz
Gerd-Rüdiger Burmester
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Transtissue Technologies GmbH
Original Assignee
Transtissue Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Transtissue Technologies GmbH filed Critical Transtissue Technologies GmbH
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Ceased legal-status Critical Current

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    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/22—Polypeptides or derivatives thereof, e.g. degradation products
    • A61L27/227—Other specific proteins or polypeptides not covered by A61L27/222, A61L27/225 or A61L27/24
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    • A61K38/00—Medicinal preparations containing peptides

Definitions

  • the invention relates to implantable substrates for cartilage healing and protection in osteoarthritis, more precisely an implantable substrate for healing and / or protection of connective tissue, preferably cartilage, comprising at least one structure for cell immigration in vivo and / or for cell matrix formation and / or for the Release of constituents of the agent used and at least one agent for activating local cells for tissue regeneration, a method for its production, a method for healing and / or protection of connective tissue, preferably for cartilage healing and / or protection in arthrosis, using the substrates according to the invention , as well as their use in operative medicine and tissue engineering.
  • Osteoarthritis is the most common joint disease worldwide, affecting the majority of people over the age of 65. This inevitably results in an enormous clinical, health policy and economic relevance for methods of treating osteoarthritis. In the course of this primarily degenerative age-dependent glaucoma, there is a gradual focal destruction of the joint surface and a reactive, dysregulated regional growth of the adjacent and subchondral bone structures (osteophytes). The result is pain and reduced function and mobility.
  • Systemic factors that influence the development of osteoarthritis are age, gender, weight, osteoporosis, a family history and mechanical overuse. Local factors close the specific Joint shape, misalignments, traumas and specially acting biomechanical factors.
  • the disease is the result of disorders in the area of the entire joint, including the bones, muscles and joint innervation, which ultimately leads to mechanical overuse and biochemically mediated destruction of the affected joints. It is also important that there is no cure for this disease so far: Physiotherapeutic measures and pain-relieving, anti-inflammatory drugs (non-steroidal anti-inflammatory drugs) are often inadequate symptomatic therapies. Conventional orthopedic procedures (debridement, joint shaving, microfracture, drilling) are also insufficiently effective; in the case of pronounced changes, often only the surgical-reconstructive intervention with endoprosthetic joint replacement (JA Buckwalter, HJ Mankin: Articular Cartilage Repair and Transplantation: Arthritis & Rheumatism 41: 1131-1342, 1998).
  • Tissue engineering offers promising new technologies by transplanting functionally active autologous cells and, if necessary, shaping biomaterials. With the help of this technology, new cartilage and bone tissue is actively built up or grown. Tissue engineering is usually based on the multiplication of autologous cells, which are then transplanted back into the patient, for example in the form of a solution or as a mature transplant. Unfortunately, the proliferation potential of the cells is limited, and proliferation over many cell passages in vitro significantly reduces the functional quality of the cells.
  • tissue engineering Another approach in tissue engineering is to assess total tissue regeneration or at least the differentiation of cells previously removed from the patient, e.g. stimulate by adding growth factors.
  • factors of the TGF-ß superfamily are of particular interest because they play a central role in the development of tissues and organs.
  • tissue engineering There are very different principles for tissue engineering to use these factors.
  • genes of the TGF-ß family can be introduced into part of the cells to improve maturation, but also around the tissue e.g.
  • the biggest disadvantage of this technology is the need to first take a tissue sample from the patient and the comparatively complex cultivation of the cells.
  • Natural tissue healing typically attracts cells from around the defect or injury to fill the lesion. These are mainly progenitor cells, which only develop in the further course through differentiation to the tissue cells with the respective typical properties.
  • progenitor cells migrate from the periosteum and from the bone marrow into the defect and form new bones through the detour of a cartilage callus tissue.
  • Natural cartilage regeneration by immigrant progenitor cells practically does not work in humans.
  • certain treatment techniques such as the micro fracture method, aim to open cells from the bone marrow into the joint space.
  • bioactive substances have also been developed which have chemotactic, anti-inflammatory, antiangiogenic, differentiating or antiadhesive properties
  • US 5,853,746 Methods and compositions for the treatment and repair of defects or lesions in cartilage or bone using functional barrier
  • US 5,817,773 Stimulation, production, culturing and transplantation of stem cells by fibroblast growth factors
  • US 5,910,489 Topical composition containing hyaluronic acid and NSAIDs.
  • the invention has for its object to develop a substrate that can be used in the healing and / or protection of connective tissue, especially cartilage.
  • the object was achieved by providing implantable substrates for healing and / or protection of connective tissue, in particular for cartilage healing and / or protection in the case of arthrosis.
  • This invention is based in particular on the use or stimulation of pluripotent progenitor cells or mesenchymal stem cells for tissue regeneration, the potential for proliferation and differentiation of which is of particular interest for cartilage or bone healing.
  • precursors and stem cells can be used in a similar way to adult cells.
  • the differentiation behavior can be influenced by various morphogenic factors, e.g. influence the FGF (fibroblast growth factor) or TGF- ⁇ (transforming growth factor beta) superfamily under defined culture conditions (US Pat. No. 5,817,773).
  • the present invention thus relates to an implantable substrate for healing and / or protection of connective tissue, in particular cartilage, comprising at least one agent for activating local cells for tissue regeneration and at least one structure for cell immigration in vivo and / or for cell matrix formation and / or for the release of components of the agent used.
  • a substrate for healing and / or protection of connective tissue in particular cartilage, comprising at least one agent which contains differentiating factors and chemotactic factors, preferably together with a structure as defined above.
  • substrate denotes the entirety of the object according to the invention.
  • the substrate according to the invention can, for example, be a can be spreadable or adhesive "cell lock paste” or a kind of "bioactive cartilage plaster”.
  • An embodiment of the substrate according to the invention is shown in FIG. 1.
  • structure for cell immigration in vivo and / or for cell matrix formation and / or for the release of components of the agent used encompasses the matrix in which the agent used according to the invention is located.
  • agent encompasses all biologically active and inactive constituents which can be used in the context of the present invention and which, as a whole, contribute to the activation of local cells for tissue regeneration.
  • “Chemotactic factors” are biologically active factors which are suitable, cells, for example cartilage precursor cells from the bone marrow, autologous mesenchymal cells, progenitor cells and stem cells, to the place of treatment or to the place where the substrate according to the invention is located, "To go to”.
  • “Differentiating factors” are biologically active factors which are suitable for inducing cell growth, in particular of the above-mentioned cells and thus tissue build-up.
  • a substrate with means which can induce and control the migration of tissue precursor cells from the surrounding tissues - in the case of articular cartilage from the bone marrow or synovium. This is done in that the agents contained in the substrate are released during the treatment.
  • Figure 1 shows a preferred Auslandungsform of the substrate according to the invention, which is constructed tikfb 'RMIG. medium
  • the agents used in the context of the substrate according to the invention are suitable for inducing and controlling the immigration of tissue precursor cells from the surrounding tissues of the sites to be treated.
  • the agents are substances which are suitable for mobilizing and / or activating and / or attracting autologous mesenchymal cells, progenitor cells and stem cells.
  • the agents contain biologically active factors, e.g. chemotactic or chemotactic and differentiating factors. Specifically, the following should be mentioned:
  • Growth and differentiation factors such as those from the TGF superfamily, FGF family, PDGF, IGF, EGF; cellular adhesion molecules such as Integrins, CD44, selectins, proteoglycans; synthetic peptides, e.g. RGD sequences, e.g. Arginine-glycine-aspartic acid; cytokines; chemotactic factors such as CDMP, CTGF, osteopontin, NO synthesis inhibitor; or extracellular matrix components, e.g. Proteoglycans, fibronectin, collagen.
  • agent used according to the invention can comprise the following further components:
  • Enzymes or their precursors e.g. Proteases, metalloproteinases, cathepsins;
  • Inhibitors of enzymes such as THVIP, antibodies or synthetic blockers of the catalytic center; anti-inflammatory additives such as anti-inflammatory drugs and / or factors.
  • the agent can also contain autologous and non-autologous cells, such as, for example, mesenchymal cells, progenitor cells, stem cells / precursor cells, which in turn can then release corresponding factors.
  • genes or bioactive factors can be transfected into the cells.
  • the release of two or more components of the agent used according to the invention can take place simultaneously or sequentially and / or from two or more phases / components / layers of the substrate or the structure. Furthermore, the agent used according to the invention and / or the structure used according to the invention can have devices for delayed release of the components.
  • the substrates according to the invention contain — in one embodiment mandatory and in a further embodiment optionally — suitable structures for cell immigration in vivo and / or for cell matrix formation and / or for the release of constituents of the agent used, in particular the factors contained therein.
  • the structures according to the invention for cell immigration in vivo and / or for cell matrix formation and / or for the release of constituents of the agent used, in particular the chemotactic and / or differentiating factors, preferably comprise hydrogels;
  • Sponges e.g. from collagen
  • Wool or wadding-like structures made of polysaccharides (eg cellulose wool, cellulose wadding); natural or synthetic polypeptides (fibrin, polylysine); Braids, fabrics or knitted fabrics made of fibers (eg fibers of resorbable polymers);
  • Adhesive pastes e.g. acrylate adhesive
  • adhesive films e.g. fibrinogen-coated hyaluronic acid film
  • ceramic materials or a combination of two or more of these structures.
  • the structures used according to the invention - and thus also the substrates according to the invention - can have resorbable or non-resorbable properties.
  • Structures with resorbable properties include, for example, hyaluronic acids, preferably those with a molecular weight of 400-600 kD, poly-alpha-hydroxy acids, collagens, alginates, agaroses, fibrins, organic glasses or their combinations.
  • Structures with non-resorbable properties include, for example, ceramic materials or from combinations of ceramic materials with structures that have resorbable properties.
  • the substrate according to the invention can comprise a structure with several substructures.
  • the substructures which the agents or individual components of these agents used according to the invention can store and release include layers, droplets / spheres or surface coatings.
  • a hydrogel comprising an agent according to the invention it is possible for a hydrogel comprising an agent according to the invention to be embedded within a lattice structure made of a ceramic material.
  • the substrate according to the invention can accordingly have a structure in the form of a sponge, in the form of beads, membranes, grids, wadding, bags / pillows, as a liquid, gel or as a multilayer material.
  • the substrate then comprises, for example, a wool-like polymer construct such as polyglycolide, combined with hyaluronic acid and chemotactic growth factors such as osteopontin.
  • the substrates have moldable, brushable or paste-like properties with elastic or plastic mechanical properties and are injectable.
  • the substrate or the structures therein, if present, can also comprise several phases and / or components and / or layers, which in turn can then release two or more agents.
  • mesenchymal stem cells are mixed with hyaluronic acid and injected into the site to be treated.
  • mesenchymal stem cells are mixed with hyaluronic acid and injected into the site to be treated.
  • the substrates e.g. in the form of a multi-layer material to cover the articular surface, a structure that combines on the underside with pins, hollow pins / needles or with anchoring structures, e.g. a Velcro fastener is provided.
  • anchoring structures e.g. a Velcro fastener
  • They can also be designed such that they are e.g. Release cartilage-digesting enzymes - metalloproteinases, hyaluronidase, cathepsins.
  • the pins, hollow needles or anchoring structures are preferably designed to be absorbable.
  • mesenchymal stem cells and / or other connective tissue precursor cells e.g. Periosteal and perichondrial cells with e.g. Hyaluronic acid injected simultaneously in a double syringe or in succession with separate syringes.
  • the implantable substrates according to the invention are equipped with the capabilities to mobilize, activate and / or attract autologous mesenchymal cells, progenitor cells and / or stem cells and to proliferate these cells. ration, differentiation and / or maturation. Genes of the bioactive factors mentioned can be transfected into the cells.
  • the implantable substrate according to the invention for the healing and / or protection of connective tissue, in particular cartilage is produced by contacting a structure for cell matrix formation and / or cell immigration in vivo and / or for the release of constituents of the agent used and at least one agent for activating local cells for tissue regeneration or by contacting differentiating factors and chemotactic factors, provided that the substrate according to the invention does not comprise a structure in the sense of the invention.
  • the present invention further relates to a method for connective tissue healing and / or protection, in particular in the case of arthrosis, characterized in that the connective tissue is brought into contact with a substrate according to the invention.
  • connective tissue in the sense of the present invention encompasses cartilage, bones, tendons and menisci.
  • connecting channels in the cartilage are brought into contact before the cartilage is brought into contact subchondral space of the cartilage.
  • such substrates can be glued and adapted, for example, over the joint surface with fibrin or acrylate adhesive.
  • the fibrin or acrylate adhesives used are preferably provided with stored chemotactic growth factors (cartilage-derived mo ⁇ hogenetic protein or connective tissue growth factor). They are stroked over the articular surface and preferably with thrombin to an artificial main superclot solidified.
  • the substrate according to the invention in the form of a double syringe comprises the agent according to the invention, for example differentiating and / or chemotactic factors, in one chamber and thrombin in a second chamber. This variant is used in particular after a microfracture treatment of the site to be treated, it being possible for the biologically active substances (agents) to be introduced into the Superclot.
  • the inducibility of the agent and / or the release of factors preferably take place from the outside, for example by means of magnetic fields, electrical impulses such as current or voltage, movement or substance injection.
  • the substrates according to the invention are preferably used after creating channels, for example in the subchondral space, for example through micro-fractures, bores, stitches.
  • the connection channels / bores between the medullary canal and the articular space itself can also be produced by a nail grid, which can be a component of the structure, expediently produced by a Velcro-type anchoring structure with a nail grid underneath.
  • this method is characterized in that connecting channels are created between the joint space and the bone marrow space, a sticky cartilage-friendly layer is placed on the arthrotic articular cartilage, cells are attracted from the bone marrow and developed into cartilage tissue in the glued-on layer in a temporary nourishing and promoting environment become.
  • substrates are used, the stem structures with channels, which are suitable for establishing connections between the joint space and bone marrow space within previously created multiple fine bores / channels, with which the immigration of tissue precursor cells from the surrounding tissues is induced and structures for cell matrix formation are made possible.
  • the method includes that the substrate comprises structures and / or means with which an articular surface, preferably a multi-layer is covered, and thus induce ingrowth and maturation of cartilage precursor cells from the bone marrow.
  • the substrate according to the invention has a combination of known (mesenchymal cells, progenitor cells, stem cells / progenitor cells from the bone marrow, bioactive factors) and new elements (connecting channels between the medullary cavity and the articular space; multilayer materials for covering the articular surface that prevent ingrowth and maturation of cartilage precursor cells induce the bone marrow; artificial superclot), which influence one another and result in an advantage (synergistic effect) and the desired success in their new overall effect, which lies in the fact that cells can now be attracted from the bone marrow and can be found in the invention
  • Substrate e.g. in the multilayer substrates to cover the articular surface to develop cartilaginous tissue.
  • the substrate according to the invention makes it possible to minimize, preferably to replace, the external cultivation and subsequent transplantation of the cultured cells in the patient.
  • the use of the substrates according to the invention consists in their use in operative medicine and in tissue engineering, in particular in the healing and protection of osteoarthritis and in their use for the proliferation, differentiation and maturation of cells.
  • fibrin glue with stored chemotactic growth factors (cartilage derived morphogenetic protein or connective tissue growth factor) is brushed over the articular surface and solidified with thrombin (artificial superclot).
  • EGF epidermal growth factor
  • IGF insulin-like growth factor
  • NO-synthease inhibitors - nitric oxide synthease inhibitors
  • NSAID non-steroidal-anti-inflammatory drugs
  • PDGF - platelet derived growth factor platelet-derived growth factor

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein implantierbares Substrat zur Heilung und Protektion von Bindegewebe, vorzugsweise Knorpel, bei Arthrose. Dabei bezieht sie sich auf Systeme und Hilfsmittel zur Aktivierung ortsständiger mesenchymaler Zellen zur Geweberegeneration. Dazu werden zunächst feine Verbindungen zwischen Gelenkraum und Knochenmarkraum hergestellt. Danach wird die Gelenkfläche mit mehrschichtigen Materialien abgedeckt, die ein Einwachsen und Reifen von Knorpelvorläuferzellen aus dem Knochenmark induzieren.

Description

IMP ANTIERBARE SUBSTRATE ZUR HEILUNG VON BINDEGEWEBE
Die Erfindung betrifft implantierbare Substrate zur Knorpelheilung und -protektion bei Arthrose, genauer gesagt ein implantierbares Substrat zur Heilung und/oder Protektion von Bindegewebe, vorzugsweise Knorpel, umfassend mindestens eine Struktur für die Zelleinwanderung in vivo und/oder für die Zellmatrixbildung und/oder für die Freisetzung von Bestandteilen des eingesetzten Mittels und mindestens ein Mittel zur Aktivierung ortsständiger Zellen zur Geweberegeneration, ein Verfahren zu dessen Herstellung, ein Verfahren zur Heilung und/oder Protektion von Bindegewebe, vorzugsweise zur Knorpelheilung und/oder -protektion bei Arthrose, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Substrate, sowie deren Verwendung in der operativen Medizin und im Tissue Engineering.
Arthrose
Die Osteoarthrose ist die häufigste Gelenkerkrankung weltweit, die Mehrzahl aller Menschen im Alter über 65 sind davon betroffen. Daraus ergibt sich zwangsläufig eine enorme klinische, gesundheitspolitische und volkswirtschaftliche Relevanz für Methoden zur Behandlung der Osteoarthrose. Im Verlauf dieser primär dege- nerativen altersabhängigen Geleiikerkrankung kommt es zu einer schrittweisen fokalen Zerstörung der Gelenkoberfläche und einem reaktiven fehlregulierten regionalen Wachstum der angrenzenden und subchondralen Knochenstrukturen (Osteophyten). Folge sind Schmerzen und eingeschränkte Funktion und Beweglichkeit. Systemische Faktoren, die die Entstehung einer Osteoarthrose beeinflus- sen, sind Alter, Geschlecht, Gewicht, Osteoporose, eine familiäre Vorbelastung und mechanische Überbeanspruchung. Lokale Faktoren schliessen die spezifische Gelenkform, Fehlstellungen, Traumen sowie speziell einwirkende biomechanische Faktoren ein. Trotz der eigentlichen degenerativen Genese kommt es auch bei der Osteoarthrose zu entzündlichen Veränderungen wie einer Synovitis (Entzündung der Gelenkinnenhaut) und Produktion von entzündungsfördernden bio- logischen Botenstoffen (Zytokinen und Wachstumsfaktoren). Die ablaufenden Veränderungen stellen eine Fehlregulation der Gewebehomeöstase im Bereich der lasttragenden Knorpel- und Knochenstrukturen dar, eine Dysbalance zwischen degenerativen und reparativen Prozessen (WB van den Berg: The role of cytoki- nes and growth factors in cartilage destruction in osteoarthritis, Z Rheumatol. 58:136-141, 1999).
Die Erkrankung ist dabei Folge von Störungen im Bereich des gesamten Gelenkes einschließlich des Knochens, der Muskulatur und der Gelenkinnervation, die letztlich zu einer mechanischen Überbeanspruchung und biochemisch vermittelten Zerstörung der betroffenen Gelenke führt. Von Bedeutung ist weiterhin, daß es bislang keine Heilung dieser Erkrankung gibt: Physiotherapeutische Maßnahmen und schmerzlindernde, entzündungshemmende Medikamente (nichtsteroidale An- tirheumatika) sind häufig unzureichende symptomatische Therapien. Konventionelle orthopädische Verfahren (Debridement, Gelenkshaving, microfracture, dril- ling) sind ebenfalls nur unzureichend wirksam, bei ausgeprägten Veränderungen bleibt häufig nur der operativ-rekonstruktive Eingriff mit endoprothetischem Gelenkersatz (JA Buckwalter, HJ Mankin: Articular Cartilage Repair and Transplantation: Arthritis & Rheumatism 41:1131-1342, 1998).
Knorpelregeneration durch Tissue Engineering mit Zellen und Wachstumsfaktoren
Vielversprechende neue Technologien bietet das Tissue Engineering durch eine Transplantation funktionell aktiver autologer Zellen und ggf. formgebenden Biomaterialien. Mit Hilfe dieser Technologie wird neues Knorpel- und Knochengewebe aktiv aufgebaut bzw. gezüchtet. Das Tissue Engineering basiert normalerweise auf der Vermehrung autologer Zellen, die anschließend dem Patienten, z.B. in Form einer Lösung oder als ausgereiftes Transplantat, wieder in den Patienten transplantiert werden. Leider ist das Proliferationspotential der Zellen begrenzt, und eine Vermehrung über viele Zellpassagen in vitro reduziert wesentlich die funktionale Qualität der Zellen.
Ein weiterer Ansatz im Tissue Engineering besteht darin, die Geweberegeneration insgesamt oder zumindest die Differenzierung von zuvor dem Patienten entnommenen Zellen, z.B. durch Zusatz von Wachstumsfaktoren zu stimulieren. Hierbei sind insbesondere Faktoren der TGF-ß-Superfamilie interessant, da sie bei der Entwicklung von Geweben und Organen eine zentrale Rolle spielen. Für das Tissue Engineering gibt es dabei sehr verschiedene Prinzipien, diese Faktoren einzu- setzen. So können beispielsweise in einen Teil der Zellen Gene der TGF-ß-Familie eingeschleust werden, um die Ausreifimg zu verbessern, aber auch um das Gewebe z.B. in einem chronisch entzündeten Gelenk vor erneuter Zerstörung zu schützen (Evans CH, Robbins PD: Gene therapy for arthritis, Gene thera- peutics: Methods and applications of direct gene transfer, Edited by JA Wolff, Boston, Birkhäuser, 321, (1994); Kalden JR, Geiler T, Herrmann M, Bertling W: Gentherapie der rheumatoiden Arthritis - ein bereits anwendbares Therapieprinzip? - Z Rheumatol 57:139-47, (1998); Herndon JH, Robbins PD, Evans CH: Arthritis: is the eure in your genes? J Bone Joint Surg Am, 81:152-7, (1999)).
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Release-Systemen (US 5,910,489), also der vorübergehenden Freisetzung von Faktoren aus resorbierbaren Mikropartikeln oder Zellträgern, um z.B. ein Transplantat während der kritischen Phase der Einheilung zu stabilisieren. Schließlich kann auch die direkte Geweberegeneration ohne Zellen ausschließlich durch Wachstumsfaktoren und Biomaterialien angewandt werden (Kubier, Osteoinduktion und -reparation, Mund-Kiefer-Gesichtschir., 1, 2-25, (1997)). Durch die Entdeckung und Charakterisierung von immer neuen Faktoren, die Ausreifung und Differenzierung von Körperzellen beeinflussen können, stehen zunehmend Werkzeuge zur Verfügung, die die Herstellung eines vollwertigen Ersatzknorpels oder -knochens, ausgehend von nur wenigen autologen Zellen ermöglichen.
Größter Nachteil dieser Technologie ist jedoch die Notwendigkeit, dem Patienten zunächst eine Gewebeprobe zu entnehmen und die vergleichsweise aufwendige Kultivierung der Zellen.
Stammzellrekrution, Wachstumsfaktoren
Bei einer natürlichen Gewebeheilung werden normalerweise Zellen aus der Umgebung des Defekts oder der Verletzung angelockt, um die Läsion zu füllen. Da- bei handelt es sich hauptsächlich um Vorläuferzellen, die sich erst im weiteren Verlauf durch Differenzierung zu den Gewebezellen mit den jeweiligen typischen Eigenschaften entwickeln. So wandern bei einer Knochenfraktur Vorläuferzellen aus der Knochenhaut und aus dem Knochenmark in den Defekt und bilden über den Umweg eines Knorpelkallusgewebes neue Knochen. Eine natürliche Knorpel- regeneration durch einwandernde Vorläuferzellen funktioniert beim Menschen praktisch nicht. Bestimmte Behandlungstechniken wie die Micro Fracture- Verfahren zielen jedoch darauf ab, Zellen aus dem Knochenmark den Weg in den Gelenkraum zu eröffnen.
Auf dem Gebiet der Knorpelheilung sind auch bioaktive Substanzen entwickelt worden, die chemotaktische, antiinflammatorische, antiangiogenetische, differenzierende oder antiadhesive Eigenschaften aufweisen (US 5,853,746: Methods and compositions for the treatment and repair of defects or lesions in cartilage or bone using functional barrier; US 5,817,773: Stimulation, production, culturing and transplantation of stem cells by fibroblast growth factors; US 5,910,489: Topical composition containing hyaluronic acid and NSAIDs). Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Substrat zu entwickeln, das sich bei der Heilung und/oder Protektion von Bindegewebe, insbesondere Knorpel, einsetzen läßt. Die Aufgabe wurde durch die Bereitstellung implantierbarer Sub- strate zur Heilung und/oder Protektion von Bindegewebe, insbesondere zur Knorpelheilung und/oder -protektion bei Arthrose gelöst.
Dabei basiert diese Erfindung insbesondere auf der Nutzung bzw. Stimulation von pluripotenten Vorläuferzellen oder auch mesenchymaler Stammzellen für die Ge- weberegeneration, deren Potential zur Proliferation und Differenzierung von besonderem Interesse für die Knorpel- oder auch Knochenheilung ist. Vorläufer und Stammzellen können im Prinzip vergleichbar den adulten Zellen eingesetzt werden. Dabei kann man das Differenzierungsverhalten unter Einfluß verschiedener morphogener Faktoren z.B. der FGF (fibroblast growth factor) oder TGF-ß (trans- forming growth factor beta)-Superfamilie unter definierten Kulturbedingungen beeinflussen (US-Patent 5,817,773).
Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein implantierbares Substrat zur Heilung und/oder Protektion von Bindegewebe, insbesondere Knorpel, umfassend minde- stens ein Mittel zur Aktivierung ortsständiger Zellen zur Geweberegeneration und mindestens eine Struktur für die Zelleinwanderung in vivo und/oder für die Zellmatrixbildung und/oder für die Freisetzung von Bestandteilen des eingesetzten Mittels.
Ferner betrifft sie ein Substrat zur Heilung und/oder Protektion von Bindegewebe, insbesondere Knorpel, umfassend mindestens ein Mittel, das differenzierende Faktoren und chemotaktische Faktoren enthält, vorzugsweise zusammen mit einer Struktur, wie oben definiert.
Dabei bezeichnet der erfindungsgemäße Begriff „Substrat" die Gesamtheit des erfindungsgemäßen Gegenstands. Das erfindungsgemäße Substrat kann z.B. eine streichbare bzw. klebende "Zell-Lockpaste" oder eine Art "bioaktives Knorpel- pflaster" sein. Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Substrats ist in Figur 1 gezeigt.
Der Begriff „Struktur für die Zelleinwanderung in vivo und/oder für die Zellmatrixbildung und/oder für die Freisetzung von Bestandteilen des eingesetzten Mittels" (Struktur) umfaßt die Matrix, in der sich das erfindungsgemäß verwendete Mittel befindet.
Der Begriff „Mittel" umfaßt alle im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbaren biologisch aktiven und inaktiven Bestandteile, die in ihrer Gesamtheit zur Aktivierung ortsständiger Zellen zur Geweberegeneration beitragen.
„Chemotaktische Faktoren" sind biologisch aktive Faktoren, die geeignet sind, Zellen, z.B. Rnorpelvorläuferzellen aus dem Knochenmark, autologe mesenchy- male Zellen, Progenitorzellen und Stammzellen, hin zum Ort der Behandlung bzw. an die Stelle, an der das erfindungsgemäße Substrat sich befindet, „anzulok- ken".
„Differenzierende Faktoren" sind biologisch aktive Faktoren, die geeignet sind, Zellwachstum, insbesondere der oben genannten Zellen und damit Gewebeaufbau zu induzieren.
Überraschenderweise ist es gelungen, ein Substrat mit Mitteln zur Verfügung zu stellen, das das Einwandern von Gewebevorläuferzellen aus den umliegenden Geweben - beim Gelenkknorpel also aus dem Knochenmark oder Synovium - induziert und kontrolliert werden kann. Dies geschieht dadurch, daß während der Behandlung die im Substrat enthaltenen Mittel freigesetzt werden.
Figur 1 zeigt eine bevorzugte Auslührungsform des erfindungsgemäßen Substrats, das schichtfb'rmig aufgebaut ist. Mittel
Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Substrats verwendeten Mittel sind geeignet, das Einwandern von Gewebevorläuferzellen aus den umliegenden Geweben der zu behandelnden Orte zu induzieren und zu kontrollieren. In der Regel sind die Mittel Substanzen, die zur Mobilisierung und/oder Aktivierung und/oder zum Anlocken autologer mesenchymaler Zellen, Progenitorzellen und Stammzellen geeignet sind. Insbesondere enthalten die Mittel biologisch aktive Faktoren, wie z.B. chemotaktische oder chemotaktische und differenzierende Faktoren. Im ein- zelnen sind zu nennen:
Wachstums- und Differenzierungsfaktoren, wie z.B. solche aus der TGF-Super- familie, FGF-Familie, PDGF, IGF, EGF; zelluläre Adhäsionsmoleküle, wie z.B. Integrine, CD44, Selektine, Proteoglykane; synthetische Peptide, wie z.B. RGD-Sequenzen, z.B. Argi- nin-Glycin-Asparaginsäure; Zytokine; chemotaktische Faktoren, wie z.B. CDMP, CTGF, Osteopontin, NO-Syn- thease-Hemmer; oder extrazelluläre Matrixkomponenten, wie z.B. Proteoglykane, Fibronektin, Kolla- gen.
Darüberhinaus kann das erfindungsgemäß eingesetzte Mittel - in Abhängigkeit vom Verwendungszweck - folgende weitere Komponenten umfassen:
Enzyme oder deren Vorstufen, wie z.B. Proteasen, Metalloproteinasen, Cathepsi- ne;
Hemmstoffe von Enzymen, wie z.B. THVIP, Antikörper oder synthetische Blok- ker des katalytischen Zentrums; entzündungshemmende Zusätze, wie z.B. entzündungshemmende Arzneimittel und/oder Faktoren. Ferner kann das Mittel auch autologe und nichtautologe Zellen, wie z.B. mesen- chymale Zellen, Progenitorzellen, Stammzellen/Vorläuferzellen enthalten, die dann wiederum entsprechende Faktoren freisetzen können.
In einer weiteren Ausführungsform können Gene oder bioaktive Faktoren in die Zellen transfiziert werden.
Dabei kann die Freisetzung von zwei oder mehreren Komponenten des erfindungsgemäß eingesetzten Mittels gleichzeitig oder sequentiell und/oder aus zwei oder mehreren Phasen/Komponenten/Schichten des Substrats bzw. der Struktur erfolgen. Ferner kann das erfindungsgemäß eingesetzte Mittel und/oder die erfindungsgemäß verwendete Struktur Einrichtungen zu einer verzögerten Freisetzung der Komponenten aufweisen.
Strukturen
Ferner beinhalten die erfindungsgemäßen Substrate - in einer Ausführungsform zwingend und in einer weiteren Ausführungsform optional - geeignete Strukturen für die Zelleinwanderung in vivo und/oder für die Zellmatrixbildung und/oder für die Freisetzung von Bestandteilen des eingesetzten Mittels, insbesondere der darin enthaltenen Faktoren.
Die erfindungsgemäßen Strukturen für die Zelleinwanderung in vivo und/oder für die Zellmatrixbildung und/oder für die Freisetzung von Bestandteilen des eingesetzten Mittels, insbesondere der chemotaktischen und/oder differenzierenden Faktoren umfassen vorzugsweise Hydrogele;
Schwämme (z.B. aus Kollagen);
Wolle- oder Watte-artige Gebilde aus Polysacchariden (z.B. Cellulose-Wolle, Cellulose-Watte); natürliche oder synthetische Polypeptide (Fibrin, Polylysin); Geflechte, Gewebe oder Gewirke aus Fasern (z.B. Fasern resorbierbarer Polyme- re);
Klebepasten (z.B. Acrylatkleber), Klebefolien (z.B. fibrinogenbeschichteter Hya- luronsäurefolie); keramische Materialien oder eine Kombination aus zwei oder mehr dieser Strukturen.
Die erfindungsgemäß verwendeten Strukturen - und damit auch die erfindungsgemäßen Substrate - können über resorbierbare oder über nichtresorbierbare Ei- genschaften verfügen. Strukuren mit resorbierbaren Eigenschaften umfassen beispielsweise Hyaluronsäuren, vorzugsweise solche mit einem Molekulargewicht von 400-600 kD, Poly-alpha-Hydroxysäuren, Kollagene, Alginate, Agarosen, Fi- brine, Biogläser oder ihren Kombinationen. Strukturen mit nichtresorbierbaren Eigenschaften umfassen beispielsweise keramische Materialien oder aus Kombi- nationen von keramischen Materialien mit Strukturen, die resorbierbare Eigenschaften aufweisen.
Ferner kann das erfindungsgemäße Substrat eine Struktur mit mehreren Unterstrukturen umfassen. Die Unterslrukturen, die die erfindungsgemäß eingesetzten Mittel bzw. einzelne Bestandteile dieser Mittel speichern und freisetzen können, umfassen Schichten, Tröpfchen/Kügelchen oder Oberflächenbeschichtungen. So ist es beispielsweise möglich, daß innerhalb einer Gitterstruktur aus einem keramischen Material ein Hydrogel umfassend ein erfindungsgemäßes Mittel eingelagert ist.
Das erfindungsgemäße Substrat kann demnach eine Struktur in Form eines Schwamms, in Form von Beads, Membranen, Gitter, Watten, Beutel/Kissen, als Flüssigkeit, Gel oder als mehrschichtiges Material aufgebaut sein. Im letzteren Falle umfaßt das Substrat dann beispielsweise eine wolleartige Polymerkonstruk- ten wie z.B. Polyglykolid, kombiniert mit Hyaluronsäure und chemotaktischen Wachstumsfaktoren wie z.B. Osteopontin. Allgemein weisen die Substrate formbare, streichbare oder pastenartige Eigenschaften mit elastischen oder plastischen mechanischen Eigenschaften auf und sind injizierbar.
Das Substrat bzw. die darin befindlichen Strukturen, sofern vorhanden, kann auch mehrere Phasen und/oder Komponenten und/oder Schichten umfassen, die dann wiederum zwei oder mehr Mittel freisetzen können.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden mesenchymale Stammzellen mit Hyaluronsäure vermischt und an den zu behandelnden Ort injiziert.
In einer bevorzugten Ausfiihrungsform werden mesenchymale Stammzellen mit Hyaluronsäure vermischt und an den zu behandelnden Ort injiziert.
In einer besonderen Ausgestaltungform weisen die Substrate, z.B. in Form eines mehrschichtigen Materials zur Abdeckung der Gelenkfläche, eine Struktur auf, die unterseitig mit Pins, Hohlstiften/-nadeln kombiniert oder mit Verankerungsstrukturen, wie z.B. einen Klettverschluß, versehen ist. Sie können ferner so ausgebil- det sein, daß sie unterseitig z.B. knorpelverdauende Enzyme - Metalloproteinasen, Hyaluronidase, Cathepsine - freisetzen. Die Pins, Hohlnadeln oder Verankerungsstrukturen sind vorzugsweise resorbierbar ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform werden mesenchymale Stammzellen und/oder andere Bindegewebsvorläuferzellen, z.B. Periostzellen und Perichondriumzellen mit z.B. Hyaluronsäure in einer Doppelspritze gleichzeitig oder mit getrennten Spritzen nacheinander injiziert.
Die erfindungsgemäßen implantierbaren Substrate sind mit den Fähigkeiten aus- gestattet, autologe mesenchymale Zellen, Progenitorzellen und/oder Stammzellen zu mobilisieren, zu aktivieren und/oder anzulocken und diese Zellen zur Prolife- ration, Differenzierung und/oder Maturation anzuregen. In die Zellen lassen sich Gene der genannten bioaktiven Faktoren transfizieren.
Herstellverfahren Die Herstellung des erfindungsgemäßen implantierbaren Substrats zur Heilung und/oder Protektion von Bindegewebe, insbesondere Knorpel, erfolgt durch in Kontakt bringen einer Struktur für die Zellmatrixbildung und/oder Zelleinwanderung in vivo und/oder für die Freisetzung von Bestandteilen des eingesetzten Mittels und mindestens eines Mittels zur Aktivierung ortsständiger Zellen zur Gewe- beregeneration oder durch in Kontakt bringen von differenzierenden Faktoren und chemotaktischen Faktoren, sofern das erfindungsgemäße Substrat keine Struktur im Sinne der Erfindung umfaßt.
Behandlungsverfahren Femer betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bindegewebsheilung und/oder -protektion, insbesondere bei Arthrose, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindegewebe mit einem erfindungsgemäßen Substrat in Kontakt gebracht wird.
Der Begriff „Bindegewebe" im Sinne der vorliegenden Erfindung umfaßt dabei Knorpel, Knochen, Sehnen und Menisken. In einer bevorzugten Ausführungsform bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Knorpelheilung und/oder -protektion werden vor dem in Kontakt Bringen des Knorpels mit dem Substrat Verbindungskanäle in dem subchondralen Raum des Knorpels hergestellt.
Bei der Behandlung von z.B. Knorpelheilung und -protektion können derartige Substrate z.B. über die Gelenkfläche mit Fibrin- oder Acrylatkleber geklebt und angepaßt werden. Die verwendeten Fibrin- oder Acrylatkleber sind vorzugsweise mit gespeicherten chemotaktischen Wachstumsfaktoren (cartilage derived moφhogenetic protein oder connective tissue growth factor) versehen. Sie werden über die Gelenkfläche gestrichen und vorzugsweise mit Thrombin zu einem artifi- ziellen Superclot verfestigt. Alternativ umfaßt das erfindungsgemäße Substrat in Form einer Doppelspritze in einer Kammer das erfindungsgemäße Mittel, z.B. differenzierende und/oder chemotaktische Faktoren, und in einer zweiten Kammer das Thrombin. Diese Variante wird insbesondere nach einer Microfractu- re-Behandlung des zu behandelnden Orts eingesetzt, wobei sich die biologisch aktiven Substanzen (Mittel) in den Superclot einbringen lassen.
Die Induzierbarkeit des Mittels und/oder die Faktorenfreisetzung erfolgen vorzugsweise von außen, beispielsweise durch Magnetfelder, elektrische Impulse wie Strom oder Spannung, Bewegung oder Substanz-Injektion.
Die erfindungsgemäßen Substrate werden vorzugsweise nach Erstellen von Kanälen beispielsweise in den subchondralen Raum, beispielsweise durch Mikro- frakturen, Bohrungen, Stiche, eingesetzt. Die Verbindungskanäle/Bohrungen zwi- sehen Markraum und Gelenkraum selbst lassen sich auch durch ein Nagelgitter, das ein Bestandteil der Struktur sein kann, herstellen, zweckmäßigerweise durch eine klettverschlußartige Verankerungsstruktur mit einem so darunterliegenden Nagelgitter erzeugen.
Dieses Verfahren ist in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungskanäle zwischen Gelenkraum und Knochenmarkraum hergestellt, eine klebrige knorpelfreundliche Schicht auf den arthrotischen Ge- lenkknorpel gebracht, Zellen aus dem Knochenmark angelockt und in einer temporären nährenden sowie fördernden Umgebung in der aufgeklebten Schicht zu Knorpelgewebe entwickelt werden. Dabei werden Substrate, die Stmkturen mit Kanälen, die geeignet sind, Verbindungen zwischen Gelenkraum und Knochenmarkraum innerhalb vorher hergestellter multipler feiner Bohrungen/Kanäle herzustellen, eingesetzt, mit denen das Einwandern von Gewebevorläuferzellen aus den umliegenden Geweben induziert und Strukturen für die Zellmatrixbildung ermöglicht werden. Zu dem Verfahren gehört, daß das Substrat Strukturen und/oder Mittel umfaßt, mit denen eine Gelenkfläche, vorzugsweise mehrschich- tig abgedeckt wird, und so ein Einwachsen und Reifen von Knorpelvorläuferzellen aus dem Knochenmark induzieren.
Das erfindungsgemäße Substrat weist eine Kombination bekannter (mesenchy- male Zellen, Progenitorzellen, Stammzellen/Vorläuferzellen aus dem Knochenmark, bioaktive Faktoren) und neuer Elemente (Verbindungskanäle zwischen Markraum und Gelenkraum; mehrschichtige Materialien zur Abdeckung der Gelenkfläche, die ein Einwachsen und Reifen von Knorpelvorläuferzellen aus dem Knochenmark induzieren; artifizieller Superclot) auf, die sich gegenseitig beein- flussen und in ihrer neuen Gesamtwirkung einen Vorteil (synergistischen Effekt) und den erstrebten Erfolg ergeben, der darin liegt, daß sich nunmehr Zellen aus dem Knochenmark anlocken lassen und sich in dem erfindungsgemäßen Substrat, z.B. in den mehrschichtigen Substraten zur Abdeckung der Gelenkfläche zu Knoφelgewebe entwickeln. Durch das erfindungsgemäße Substrat ist es möglich, die externe Züchtung und anschließende Transplantation der gezüchteten Zellen in den Patienten zu minimieren, vorzugsweise zu ersetzen.
Die erfindungsgemäße Verwendung der Substrate besteht in ihrem Einsatz in der operativen Medizin und im Tissue Engineering, insbesondere bei der Knoφel- heilung und -protektion bei Arthrose sowie in ihrem Einsatz zur Proliferation, Differenzierung und Maturation von Zellen.
Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Beispiele
Beispiel 1
Zur Behandlung einer ausgeprägt arthrotisch deformierten Gelenkoberfläche wer- den zunächst durch multiple feine Bohrungen (1-2 mm) kleine Verbindungen zwischen dem Rnochenmarkraum und der Gelenkhöhle hergestellt. Anschließend wird ein wolleartiges Polymerkonstrukt (Polyglykolid) kombiniert mit Hyaluronsäure und chemotaktischen Wachstumsfaktoren (Osteopontin) über die Gelenkfläche mit Fibrin- oder Acrylatkleber geklebt und angepasst.
Beispiel 2
Zur Behandlung der Gelenkfläche aus Beispiel 1 wird nach Herstellen der Öffnungen in den Markraum Fibrinkleber mit gespeicherten chemotaktischen Wachstumsfaktoren (cartilage derived moφhogenetic protein oder connective tissue growth factor) über die Gelenkfläche gestrichen und mit Thrombin verfe- stigt (artifizieller Superclot).
Abkürzungsverzeichnis
CD44 - cluster of differentiation
CDMP - cartilage derived moφhogenetic protein CTGF - connective tissue growth factor
EGF - epidermal growth factor
FGF - fibroblast growth factor
IGF - insulin-like growth factor
NO-Synthease-Hemmer - Stickoxid-Synthease-Hemmer NSAID - non-steroidal-anti-inflammatory drugs
PDGF - platelet derived growth factor (von Thrombozyten gebildeter Wachstumsfaktor)
RGD-Sequenzen - Arginin-Glycin-Asparaginsäure-Sequenzen
PVC - Polyvinylchlorid TGF-ß-Superfamilie - transforming growth factor beta superfamily TIMP - tissue inhibitor of metallo proteinases. Bezugszeichenliste aufgebrachte Substanz
Verbindungskanäle zum Knochenmark
Wanderung der Vorläuferzellen aus dem Knochenmark
Freisetzung bioaktiver Faktoren mesenchymale Zellen, ggf. gentechnisch modifiziert
Partikel mit bioaktiven Faktoren
Abdeckschicht
Schicht mit differenzierenden bzw. gewebebildenden Faktoren
Schicht mit chemotaktischen Faktoren

Claims

Patentansprüche
1. Implantierbares Substrat zur Heilung und/oder Protektion von Bindegewebe, vorzugsweise Knoφel, umfassend mindestens ein Mittel zur Aktivierung ortsständiger Zellen zur Geweberegeneration und mindestens eine Struktur für die Zelleinwanderung in vivo und/oder für die Zellmatrixbildung und/oder für die Freisetzung von Bestandteilen des eingesetzten Mittels.
2. Substrat nach Anspmch 1, wobei das mindestens eine Mittel chemotaktische Faktoren oder differenzierende Faktoren und chemotaktische Faktoren enthält.
3. Implantierbares Substrat zur Heilung und/oder Protektion von Bindegewebe, vorzugsweise Knoφel, umfassend mindestens ein Mittel, das differenzierende Faktoren und chemotaktische Faktoren enthält.
4. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens ein abdeckendes Material umfaßt.
5. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen mindestens einen Bestandteil (a) bis (g) umfassen:
(a) Hydrogele
(b) Schwämme, Kollagen-Schwämme
(c) Wolle/Watte aus Polysacchariden, Cellulose- Wolle, Cellulose- Watte (d) natürliche oder synthetische Polypeptide, Fibrin, Polylysin
(e) Geflechte, Gewirke oder gewebte Strukturen aus Fasern, vorzugsweise Fasern umfassend resorbierbare Polymere
(f) Klebepasten, Acrylatkleber, Klebefolien, fibrinogenbeschichtete Hyalu- ronsäurefolie, oder (g) keramische Materialien.
6. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Mittel einen biologisch aktiven Faktor enthält, der ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus:
Wachstums- und Differenzierungsfaktoren, zellulären Adhäsionsmolekülen, synthetischen Peptiden, Zytokinen, chemotaktischen Faktoren und extrazelluläre Matrixkomponenten.
7. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es femer eine Verankerungsstruktur zur Verankerung des Substrats in oder auf dem zu behandelnden Ort umfaßt.
8. Verfahren zur Herstellung implantierbarer Substrate zur Heilung und/oder Protektion von Bindegewebe, vorzugsweise Knoφel, nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Struktur für die Zellmatrixbildung und mindestens ein Mittel zur Aktivierung ortsständiger Zellen zur Geweberegeneration in Kontakt miteinander gebracht werden oder daß differenzierende Faktoren und chemotaktische Faktoren miteinander in Kontakt gebracht werden.
9. Verfahren zur Bindegewebsheilung und/oder -protektion, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindegewebe mit einem Substrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 oder einem Substrat, herstellbar gemäß dem Verfahren nach An- spruch 8 in Kontakt gebracht wird.
10. Verfahren nach Anspmch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindegewebe Knoφel ist und vor dem in Kontakt Bringen des Knoφels mit dem Substrat Verbindungskanäle in dem subchondralen Raum des Knoφels hergestellt werden.
1. Verwendung eines Substrats gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eines Substrats, herstellbar gemäß dem Verfahren nach Anspmch 8 in der operativen Medizin und im Tissue Engineering.
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