Arthroseforschung und Knorpel-Tissue Engineering

Schwerpunkte der Arbeitsgruppe Arthroseforschung und Knorpel-Tissue Engineering

Eine der großen Herausforderungen der modernen Medizin bleibt immer noch die Heilung von Arthrose und die Herstellung von langzeitstabilem, hyalinem Knorpelgewebe.

Grundlagenwissenschaftliche Schwerpunkte unserer Arbeitsgruppe sind die Erforschung des Arthroseprozesses sowie die Regeneration hyalinen Knorpelgewebes mittels stammzellbasierter Verfahren und moderner Methoden des Knorpel-Tissue Engineerings. Es konnte in unseren bisherigen Arbeiten bereits hyalinartiges Knorpelgewebe mittels mesenchymaler Stammzellen und adenoviralen Gentransfers verschiedener Faktoren (SOX9, IHH) erzeugt werden. Zudem konnten mesenchymale Stammzellen aus verschiedenen Geweben des Hüft- und Kniegelenkes bei Arthrose isoliert und chondrogen differenziert werden, was in Zukunft einen innovativen stammzellbasierten Therapieansatz bei Arthrose darstellen kann. Im Rahmen des Knorpel-Tissue Engineerings konnten durch adenoviralen Gentransfer verschiedener Faktoren (SOX9, TGFB1, BMP2) Knorpelkonstrukte mit unterschiedlichen Hypertrophiestadien generiert werden. Dies kann zukünftig zur Regeneration von hyalinem Knorpelgewebe und dessen osteochondraler Funktionseinheit eingesetzt werden.

Als universitätsübergreifendes, grundlagenwissenschaftliches Projekt ist in Kooperation mit der LMU München die Phänotypisierung verschiedener Osteoarthroseformen mittels Genom-, Zytokin- und Gewebeanalysen über eine Biodatenbank geplant.

Im Bereich der translationalen Forschung wird der in vitro-Einfluss des Antifibrinolytikums Tranexamsäure auf Chondro- und Osteozyten sowie deren Viabilität und Differenzierungsverhalten untersucht. Dies soll den intraoperativen, lokal-topischen Einsatz von Tranexamsäure bei Gelenkoperationen noch sicherer machen.

Ein weiterer Schwerpunkt unserer Arbeitsgruppe ist die klinische Forschung zu verschiedenen gelenkerhaltenden (Umstellungsosteotomien bei Beinachsendeviationen) und gelenkersetzenden Operationen (Implantation einer uni- oder bikompartimentellen Knieendoprothese) bei Gonarthrose. Zudem werden arthroskopische und knorpelrekonstruktive Verfahren am Kniegelenk mittels des KnorpelRegisters DGOU (Deutsche Gesellschaft für Orthopädie und Unfallchirurgie) und des Deutschsprachigen Arthroskopieregisters (DART) im Rahmen der Registerforschung wissenschaftlich aufgearbeitet. Des Weiteren beschäftigt sich die Arbeitsgruppe im Bereich der klinischen Forschung mit Wechseloperationen nach knieendoprothetischer Versorgung sowie mit der Hüftendoprothetik über den minimalinvasiven, direkten vorderen Zugang (DAA).

Unsere Arbeitsgruppe versucht somit den Bogen von der grundlagenwissenschaftlichen Arthroseforschung über die Regeneration von hyalinem Knorpelgewebe mittels Tissue Engineerings bishin zur klinischen Forschung nach gelenkerhaltenden und gelenkersetzenden Operationen bei Arthrose zu spannen. Dabei sind Grundlagenforschung und klinische Anwendung im Rahmen der translationalen Forschung am Lehrstuhl für Orthopädie an der Orthopädischen Klinik König-Ludwig-Haus unter dem Dach des Muskuloskelettalen Centrum Würzburg (MCW) eng vernetzt.

Auswahl aktueller Publikationen

• Weißenberger M, Heinz T, Rak D, Stratos I, Anderson PM, Lüdemann M, Horas K, Jakuscheit A, Rudert M. Does Body Mass Index (BMI) Affect the Reconstruction of Biomechanical Parameters in Patients Undergoing Total Hip Replacement (THR) through the Direct Anterior Approach (DAA)? J Clin Med. 2024 Jan 15;13(2):467. doi: 10.3390/jcm13020467.
• Heinz T, Oberfeld J, Luetkens KS, Anderson PM, Stratos I, Horas K, Bley TA, Rudert M, Reppenhagen S, Weißenberger M. The AMADEUS score is not a sufficient predictor for functional outcome after autologous chondrocyte implantation (ACI) of the knee: data from the German Cartilage Registry (KnorpelRegister DGOU). Arch Orthop Trauma Surg. 2023 Aug 28. doi: 10.1007/s00402-023-05037-z. Epub ahead of print.
• Heinz T, Vasilev H, Anderson PM, Stratos I, Jakuscheit A, Horas K, Holzapfel BM, Rudert M, Weißenberger M. The Direct Anterior Approach (DAA) as a Standard Approach for Total Hip Arthroplasty (THA) in Coxa Profunda and Protrusio Acetabuli? A Radiographic Analysis of 188 Cases. J Clin Med. 2023 Jun 9;12(12):3941. doi: 10.3390/jcm12123941.
• Weißenberger M, Wagenbrenner M, Nickel J, Ahlbrecht R, Blunk T, Steinert AF, Gilbert F. Comparative in vitro treatment of mesenchymal stromal cells with GDF-5 and R57A induces chondrogenic differentiation while limiting chondrogenic hypertrophy. J Exp Orthop. 2023 Mar 21;10(1):29. doi: 10.1186/s40634-023-00594-z.
• Heinz T, Meller F, Luetkens KS, Anderson PM, Stratos I, Horas K, Rudert M, Reppenhagen S, Weißenberger M. The AMADEUS score is not a sufficient predictor for functional outcome after high tibial osteotomy. J Exp Orthop. 2023 Jan 27;10(1):9. doi: 10.1186/s40634-023-00575-2.
• Wagenbrenner M, Poker K, Heinz T, Herrmann M, Horas K, Ebert R, Mayer-Wagner S, Holzapfel BM, Rudert M, Steinert AF, Weißenberger M. Mesenchymal Stromal Cells (MSCs) Isolated from Various Tissues of the Human Arthritic Knee Joint Possess Similar Multipotent Differentiation Potential. Applied Sciences. 2022; 12(4):2239. https://doi.org/10.3390/app12042239
• Heinz T, Meller F, Luetkens KS, Horas K, Schäfer T, Rudert M, Reppenhagen S, Weißenberger M. Can the MRI based AMADEUS score accurately assess pre-surgery chondral defect severity according to the ICRS arthroscopic classification system? J Exp Orthop. 2022 Aug 19;9(1):83. doi: 10.1186/s40634-022-00511-w.
• Weißenberger M, Wagenbrenner M, Schote F, Horas K, Schäfer T, Rudert M, Barthel T, Heinz T, Reppenhagen S. The 3-triangle method preserves the posterior tibial slope during high tibial valgus osteotomy: first preliminary data using a mathematical model. J Exp Orthop. 2022 Mar 23;9(1):29. doi: 10.1186/s40634-022-00466-y.
• Wagenbrenner M, Mayer-Wagner S, Rudert M, Holzapfel BM, Weissenberger M. Combinations of Hydrogels and Mesenchymal Stromal Cells (MSCs) for Cartilage Tissue Engineering-A Review of the Literature. Gels. 2021 Nov 16;7(4):217. doi: 10.3390/gels7040217. PMID: 34842678; PMCID: PMC8628761.
• Heinz T, Reppenhagen S, Wagenbrenner M, Horas K, Ohlmeier M, Schäfer T, Rudert M, Barthel T, Weißenberger M. Focal cartilage defects of the lateral compartment do influence the outcome after high tibial valgus osteotomy. SICOT J. 2021;7:44. doi: 10.1051/sicotj/2021044. Epub 2021 Aug 25. PMID: 34431783.
• Ebert R, Weissenberger M, Braun C, Wagenbrenner M, Herrmann M, Müller-Deubert S, Krug M, Jakob F, Rudert M. Impaired regenerative capacity and senescence-associated secretory phenotype in mesenchymal stromal cells from samples of patients with aseptic joint arthroplasty loosening. J Orthop Res. 2021 Mar 22. doi: 10.1002/jor.25041. Epub ahead of print. PMID: 33749912.
• Wagenbrenner M, Heinz T, Horas K, Jakuscheit A, Arnholdt J, Mayer-Wagner S, Rudert M, Holzapfel BM, Weißenberger M. Impact of Tranexamic Acid on Chondrocytes and Osteogenically Differentiated Human Mesenchymal Stromal Cells (hMSCs) In Vitro. J Clin Med. 2020 Nov 29;9(12):E3880. doi: 10.3390/jcm9123880.
• Weißenberger M, Weißenberger MH, Wagenbrenner M, Heinz T, Reboredo J, Holzapfel BM, Rudert M, Groll J, Evans CH, Steinert AF. Different types of cartilage neotissue fabricated from collagen hydrogels and mesenchymal stromal cells via SOX9, TGFB1 or BMP2 gene transfer. PLoS One. 2020 Aug 13;15(8):e0237479. doi: 10.1371/journal.pone.0237479.
• Wagenbrenner M, Heinz T, Horas K, Jakuscheit A, Arnholdt J, Herrmann M, Rudert M, Holzapfel BM, Steinert AF, Weißenberger M. The human arthritic hip joint is a source of mesenchymal stromal cells (MSCs) with extensive multipotent differentiation potential. BMC Musculoskelet Disord. 2020 May 13;21(1):297. doi: 10.1186/s12891-020-03340-z.
• Weißenberger M, Petersen N, Bölch S, Rak D, Arnholdt J, Rudert M, Holzapfel BM. Revision of unicompartmental knee arthroplasty using the in situ referencing technique. Oper Orthop Traumatol. 2020 Mar 5. doi: 10.1007/s00064-020-00656-w. [Epub ahead of print]
• Weissenberger M, Weissenberger MH, Gilbert F, Groll J, Evans CH, Steinert AF. Reduced hypertrophy in vitro after chondrogenic differentiation of adult human mesenchymal stem cells following adenoviral SOX9 gene delivery. BMC Musculoskelet Disord. 2020 Feb 17;21(1):109. doi: 10.1186/s12891-020-3137-4.
• Weißenberger M, Heinz T, Boelch SP, Niemeyer P, Rudert M, Barthel T, Reppenhagen S. Is debridement beneficial for focal cartilage defects of the knee: data from the German Cartilage Registry (KnorpelRegister DGOU). Arch Orthop Trauma Surg. 2020 Jan 22. doi: 10.1007/s00402-020-03338-1. [Epub ahead of print]
• Armbruster N., Krieg J., Weißenberger M., Scheller C., Steinert A. – Rescued Chondrogenesis of Mesenchymal Stem Cells under Interleukin 1 Challenge by Foamyviral Interleukin 1 Receptor Antagonist Gene Transfer – Front Pharmacol – 2017 May
• Sieker J., Kunz M., Weißenberger M., Gilbert F., Frey S., Rudert M., Steinert A. – Direct bone morphogenetic protein 2 and Indian hedgehog gene transfer for articular cartilage repair using bone marrow coagulates – Osteoarthritis Cartilage – 2015 Mar
• Weißenberger M., Stein T., Welsch F. – Knorpelläsionen im Kniegelenk – aktueller Stand in Diagnostik und Therapie – OUP 07 – 08/2014
• Steinert A., Weissenberger M., Kunz M., Gilbert F., Ghivizzani S., Göbel S., Jakob F., Nöth U., Rudert M. – Indian hedgehog gene transfer is a chondrogenic inducer of human mesenchymal stem cells – Arthritis Research Ther – 2012 Jul
   

Auswahl aktueller Preise

• DJO AGA-Research Award 2018 (2. Preis):
  M. Weißenberger, M. Wagenbrenner, B. M. Holzapfel, M. Rudert, A. Steinert - "In vitro-characterization of mesenchymal stem cells of different tissues of the hip joint by monolayer and pellet cell cultures"

Auswahl aktueller Projekte

• Operative Versorgung der Coxarthrose bei Coxa profunda und Protrusio acetabuli über den minimalinvasiven, direkten vorderen Zugang
• Mittel- bis langfristiges klinisches Outcome nach Wechsel einer Schlitten- auf eine Knietotalendoprothese
• Registerforschung mittels des KnorpelRegisters DGOU und des Deutschsprachigen Arthroskopieregisters (DART)
• In vitro-Einfluss von Tranexamsäure und Vancomycin auf Chondro- und Osteozyten
• In vitro-Einfluss von Tranexamsäure auf Knorpel- und Knochengewebe im Verbund
• In vitro-Einfluss von Tranexamsäure auf Chondro- und Osteozyten
• Phänotypisierung verschiedener Osteoarthroseformen mittels Genom-, Zytokin- und Gewebeanalysen über eine Biodatenbank
• Chondrogene Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen auf einem Kollagen-I-Gelkonstrukt mit verschiedenen Wachstumsfaktoren (SOX9, TGFB1, BMP2)
• Isolierung mesenchymaler Stammzellen aus verschiedenen Geweben des Hüftgelenkes bei Coxarthrose
• Isolierung mesenchymaler Stammzellen aus verschiedenen Geweben des Kniegelenkes bei Gonarthrose

 
Weiterführende Links

• Lehrstuhl für Orthopädie
• https://www.koenig-ludwig-haus.de
• https://www.med.uni-wuerzburg.de/mcw