Ein neuer Weg

Stammzellbasierte Therapieformen in der parodontalen Regeneration

Stammzellforschung ist ein Novum in der Medizin und wird viel diskutiert. In einer Reihe von Fachbereichen zeichnen sich therapeutische Fortschritte ab. Inzwischen ist auch in der Grundlagenforschung der Zahnmedizin die Stammzellforschung ein Thema geworden. Der vorliege Beitrag stellt aktuelle Forschungsmethoden zur Fragestellung „Mit parodontalen Stammzellen Parodontopathien therapieren“ vor, diskutiert deren Umsetzbarkeit und gibt einen Ausblick.

Experimentelle Studien haben gezeigt, dass das Potential parodontaler Regeneration durch die begrenzte regenerative Fähigkeit der beteiligten Zellen limitiert ist. Die Regeneration des zerstörten parodontalen Gewebes wird durch verschiedene parodontale Zellen vermittelt und durch eine Vielzahl von extrazellulären informationskodierenden Molekülen und Mediatoren dadurch reguliert, dass sie sowohl selektive als auch nicht selektive Zellreaktionen in den verschiedenen Zelllinien und in deren verschiedenen Entwicklungsstadien hervorrufen. Da die bisherigen Methoden parodontaler Regeneration nicht ausreichen, eine vollständige und verlässliche Regeneration zu erzeugen, ist das Konzept des parodontalen tissue engineering entwickelt worden, um die nötigen Voraussetzungen zu schaffen, damit die Heilung der parodontalen Gewebe verbessert werden kann. Des Weiteren wird das Potential parodontaler Ligamentzellen im pardontalen tissue engineering diskutiert, um die Beschränkungen bisheriger parodontaler regenerativer Verfahren zu überwinden, Der vorliegende Bericht enthält ein Update von Forschungsberichten mit Bezug auf die eigenen Forschungsergebnisse, die unter Nutzung von Zellen aus dem Parodont vorhersagbare Ergebnisse der parodontalen Regeneration anstreben.

Das Parodont

Das Parodont ist topographisch gesehen ein komplexes Organ, bestehend aus epithelialen und weichgewebigen wie auch mineralisierten bindegewebigen Anteilen. So ist das Parodont aus der Gingiva, dem Parodontalligament, dem Zement und dem Alveolarknochen zusammengesetzt (Abbildung 1). Verschiedene Formen der Entzündung greifen diesen Verbund an und führen zu einem Verlust der Integrität der parodontalen Strukturen, wobei die bindegewebige Matrix und die Zellen zerstört werden, was letztlich zum Verlust fibrösen Attachments und zur Resorption des Alveolarknochens führt.

Notwendigkeit der Regeneration

Nach epidemiologischen Untersuchungen [4. Deutsche Mundgesundheitsstudie, IDZ 2006] weist zirka ein Fünftel der erwachsenen deutschen Bevölkerung entzündlichdestruktive Veränderungen des Zahnhalteapparates mit einem Schweregrad auf, die einen regenerativen parodontal-chirurgischen Eingriff wie die gesteuerte parodontale Geweberegeneration (Guided Tissue periodontal Regeneration, GTpR), notwendig machen. Das Ausmaß der chirurgischen Maßnahmen umfasst die Reinigung der Wurzeloberfläche und erfordert in schweren Fällen die Auffüllung intraossärer Defekte. Unbehandelt führt die parodontale Erkrankung unweigerlich durch die Zerstörung des Zahnhalteapparates und die den Zahn umgebenden Strukturen zu dessen Verlust.

Das Ziel der Parodontitistherapie ist deshalb nicht nur in dem Aufhalten der Progression der chronisch-destruktiven Entzündung der parodontalen Strukturen zu sehen, sondern ebenfalls in der Regeneration der verlorengegangenen Strukturen des Zahnhalteapparates. Zur gesteuerten parodontalen Regeneration werden gegenwärtig in Verbindung mit autologem Knochen beziehungsweise Knochenersatzmaterialien sowie einem künstlichen Schmelz-Matrix-Protein-Derivat (SMP-D) resorbierbare und nicht resorbierbare Barriere-Membranen verwendet [DGP-Statement, 2004]. Methodenspezifische Weiterentwicklungen auf der Grundlage einer minimalinvasiven Parodontalchirurgie [Gassmann und Grimm, 2006] verbessern die Vorhersagbarkeit und den langfristigen Erhalt des parodontalen Attachmentgewinns. Das Ziel der gesteuerten parodontalen Regeneration ist also, Alveolarknochen, Wurzelzement und einen funktionell ausgerichteten parodontalen Faserapparat so umfassend wie möglich wieder aufzubauen. Das Konzept der parodontalen Regeneration ausschließlich über parodontale Ligamentzellen ist ausgiebig untersucht worden [Gould et al., 1977; Lin et al., 1994; Mariotti et al., 1990; Melcher et al., 1970; Nojima et al., 1990; Piche et al., 1998]. Diese Ergebnisse haben den Verdacht erhärtet, dass der Ausschluss epithelialer Zellen parodontale Regeneration fördert, was letztlich die Basis für die klinische Anwendung der guided tissue regeneration (GTR) darstellt. Eine Liste der zellokkludierenden Membranen ist in Tabelle 1 aufgeführt.

Allerdings sind die Erfolge nach Anwendung der GTR-Methode, wie aus vielfältigen klinisch-kontrollierten Studien seit langem bekannt, nicht vollständig vorhersagbar und in ihrer Effektivität beschränkt [Bratthall et al.,1998; Pontoriero et al., 1995]. Dies wird vor allem begründet mit postoperativen Infektionen auf der Grundlage der Unmöglichkeit eines absolut dichten Wundverschlusses [Tempro and Nalbandian, 1993]. Dabei geht man davon aus, dass der parodontale Faserapparat verschiedene Subpopulationen von Zellen enthält, die entweder die Bildung mineralisierter Strukturen fördern oder unterbinden können. Für die unterschiedlichen Ergebnisse der Studien kommen folgende Erklärungen in Betracht:

• die Heterogenität der Zellen des parodontalen Faserapparates,
• die Variation im Aufbau der In-vitro-Studien,
• der Verlust spezifischer Zellcharakteristika des parodontalen Faserapparates in vitro.

Das gegenwärtige Verständnis dieser regenerativen Vorgänge im Parodont scheint darauf hinzudeuten, dass der Ursprung der regenerativen Zellen sowohl vom Knochen, vom parodontalen Faserapparat (PDL) als auch vom Wurzelzement ausgehen kann [Wang et al. 1998], mit einer besonderen Konzentration auf paravaskulär lokalisierte parodontale Zellen.

Kürzlich wurde der Gebrauch von Wachstums- und Differenzierungsfaktoren vorgeschlagen, um mit oder ohne Verbindung zur GTR eine bessere Umgebung und Stimulation selektiver Zellwanderung (Migration) und Proliferation zu ermöglichen [Grouthos et al., 2006]. Tabelle 2 zeigt eine Liste der Wachstums- und Differenzierungsfaktoren mit ihren Effekten auf die parodontalen Ligamentzellen und Zementoblasten.

Die Schwierigkeiten, die mit dem Erzielen einer vorhersagbaren parodontalen Regeneration verbunden sind, machen die Entwicklung neuer regenerativer Techniken, wie das „tissue engineering“ (Abbildung 2) notwendig, um die entzündlich bedingte Destruktion des parodontalen Hart- und Weichgewebes zu beseitigen. Eine der Haupterfordernisse für die parodontale Gewebsregeneration mittels „tissue engineering“ ist die Verfügbarkeit von ex vivo expandierten Stammzellpopulationen oder die Mobilisation autologer und gewebespezifischer Progenitorzellen, die in der Lage sind, zu proliferieren und sich in das ortsständige parodontale Gewebe zu differenzieren.

Adulte Stammzellen erfüllen diese Erfordernisse, und die kürzliche Identifikation von Stammzellen im parodontalen Gewebe stellt einen sehr wichtigen Schritt in Richtung einer vorhersagbaren parodontalen Regeneration dar [Ivanovski et al., 2006]. Vor kurzem ist es gelungen, parodontale Stammzellen im Parodont von extrahierten menschlichen Weisheitszähnen zu identifizieren [Seo et al., 2004]. Das Parodont stellt ein Zellerneuerungs-System in dauerndem „steady state“ dar. Typischerweise generieren Stammzellen intermediäre Zell-Typen , bevor sie ihren voll ausdifferenzierten Zustand erreichen. Diese intermediären Zellen werden als Vorläufer- oder Progenitor-Zelle, wie Prä-Fibroblasten, Prä-Osteoblasten und mehr, bezeichnet. In einer perivaskulären Lokalisation konnten parodontale Progenitor-Zellen, die Eigenschaften somatischer Stammzellen zeigten, identifiziert werden [Bartold et al., 2006; Ivanovski et al., 2006; Miura et al., 2003; Nagatomo et al., 2006; Seo et al., 2004; Shi et al., 2001; Shi et al., 2005]. Weiterhin gelang es, parodontale Stammzellen als eine Population multipotenter Stammzellen zu charakterisieren, die die Fähigkeit besitzen, sowohl alveolären Knochen, Wurzelzement als auch parodontalen Faserapparat nach In-vivo-Transplantation im Tierversuch zu bilden [Seo et al., 2004].

PAR-Therapie mit adulten parodontalen Stammzellen

2006 veröffentlichte das National Institute of Health (NIH) der USA einen ersten Ergebnisbericht zum Stand der therapeutisch genutzten Stammzellforschung [NIH, 2006] auf dem Gebiet der Regenerationsmedizin. In dem Bericht wird deutlich, dass ein noch langer Weg vor der wissenschaftlich-medizinischen Forschung bis zur therapeutischen Umsetzung der vorliegenden Forschungsergebnisse liegt. Parodontales „tissue engineering“ ist mit dem Prinzip aufgekommen, dass Zellpopulationen (PDL Zellen, alveoläre Knochenzellen, Zementoblasten) nach einer Ex-vivo-Expansion in ausreichender Zahl verfügbar sind, welche nötig ist, um das Heilungsergebnis zu verbessern. Diese parodontalen Stammzellen (Abbildung 3) sind als STRO-1/CD146-positive Progenitor-Zellen charakterisiert, die offensichtlich aus perivaskulären Nischen des Parodonts stammen [Seo et al., 2004].

Inzwischen konnte an diesen parodontalen Stammzellen eine Reihe wichtiger Stammzell-Marker nachgewiesen werden. Dazu gehören Sox2 und Nestin als Marker [Sonoyama et al. 2006] für undifferenzierte Zellen. Weiterhin können parodontale Stammzellen den spezifischen Zell-Marker Scleraxis exprimieren [Shi et al., 2005]. Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass vor allem Nestin- und Sox2-Marker typisch für Vorläufer-Zellen des Parodonts sind.

Vom biologischen Standpunkt aus betrachtet ist eine verbesserte Regeneration der parodontalen Gewebe dann zu erzielen, wenn es gelingt, die Repopulation der parodontalen Wunde durch Zellen mit hoher regenerativer Kapazität zu erreichen, die in der Lage sind, der infektbedingten Wundbelastung, vor allem in der frühen Phase der Wundheilung, standzuhalten. Ausgehend von diesen zellbiologischen Grundlagenforschungsergebnissen kann man sich weiterführende parodontal-regenerative Therapieansätze (Abbildung 4) folgendermaßen vorstellen [Nakahara, 2006; Benatti et al., 2007]:

ex vivo: Dabei wird das parodontale Gewebe als Zellkultur auf der Grundlage eines bioabbaubaren Zellträgermaterials unter Verwendung von spezifischen Zellmedien im Labor expandiert und dann transplantiert.

in vivo: Dabei werden entweder gewebespezifische Wachstumsfaktoren oder gentechnisch veränderte Proteine in den parodontalen Defekt (überwiegend auf der Basis von „delivery systems“) eingebracht, um damit die natürliche parodontale Regeneration zu verbessern.

Stammzellen aus dem Parodont

Unserer interdisziplinären Forschungsgruppe am Institut für Neurobiochemie und an dem Lehrstuhl und der Abteilung für Parodontologie gelang es kürzlich, humane adulte Stammzellen aus dem Parodont von Patienten mit schwerer chronischer Parodontitis zu isolieren und als eine Population multipotenter Stammzellen zu charakterisieren, die in der Lage sind, sich sowohl ektodermal als auch mesodermal zu differenzieren [Widera et al., 2007]. Die Differenzierungs-Kapazität der expandierten parodontalen Stammzellinien wurde unter In-vitro-Bedingungen untersucht (Abbildung 5).

Ablauf der Therapie

Zur Entwicklung von ex vivo expandierten parodontalen Stammzellkulturen (PStZ) für eine klinische Therapie sind folgende Schritte notwendig:

• Optimierung der Ex-vivo-Gewinnung der parodontalen Stamm-Zellen von Patienten
• Optimierung der Vermehrung der Zellen ex vivo unter Laborbedingungen
• Nachweis der Langzeitaufbewahrung unter optimalen Lagerungsbedingungen
• Effektivitätsnachweis des Therapieverfahrens im Tiermodell
• Optimale Einbringung der ex vivo expandierten parodontalen Stammzellen in den entzündlich-destruktiv geschädigten Zahnhalteapparat der Patienten.

Das Ziel unserer gegenwärtigen Forschungsarbeit besteht in der Optimierung der Ex-vivo-Expansion (Abbildung 6) von adulten parodontalen Stammzellen in Abhängigkeit von parodontal-chirurgisch festgelegten Entnahmeorten sowie der Charakteristik dieser fibroblasten-ähnlichen, Kolonien bildenden und an Kunststoffoberflächen adhärenten Progenitor-Zellen mit stammzelltypischen Markern.

Dazu ist es notwendig, folgende Arbeitsetappen durchzuführen:

• mikrochirurgische parodontale Gewebegewinnung
• Isolation und Anzucht von multipotenten humanen parodontalen Stammzellen (PStZ)
• Optimierung der Vermehrung der Zellen ex vivo unter Laborbedingungen
• Tierexperiment als „proof of principle“-Untersuchungen zur parodontalen Regeneration
• Ausschluss einer onkogenen Transformation durch Anwendung des Therapieverfahrens im Tiermodell

Schlussfolgerungen

Die Bevölkerung wird immer älter. Vorhersagen prognostizieren, dass der Anteil der über 65-Jährigen um bis zu 85 Prozent innerhalb der nächsten 20 Jahre steigen wird. Die Expansion der Ausgaben für zahnärztliche Versorgung einer immer älter werdenden Population wird eine Herausforderung sein. Es bleibt zunächst unklar, ob Stammzell-Therapien im zahnärztlichen Bereich eine gesteigerte oder ungünstige Entwicklung der Kosten-Nutzen-Relation zur Folge haben werden. Die Investitionen in die apparatetechnische Ausstattung und die Ressourcen, die benötigt werden, um die Stammzelltherapie in der zahnärztlichen Praxis zu etablieren, lassen vermuten, dass diese Therapieform teurer als konventionelle Therapieformen sein wird.

Mit den Fortschritten der molekularen und zellulären Biologie hat die Parodontologie nutzbare Informationen zum besseren Verständnis der Vorgänge in der parodontalen Heilung gewonnen. Diese Kenntnisse liefern das Verständnis für die Limitationen in den mit konventionellen parodontologischen Therapieformen erreichbaren Ergebnissen. Vor allem aber zeigen sie Parallelen auf zwischen der zell- und gewebetypischen Entwicklung und der Heilung parodontaler Gewebe. Sie ermöglichen so, auch Unterschiede zwischen beiden Phänomenen zu identifizieren. Progenitorzellen, die sich differenzieren und Knochen oder Zement während der Zahn-Entwicklung oder der Heilung und Regeneration parodontaler Gewebe produzieren, werden nicht nur im dentalen Follikel, sondern auch im Parodontalligament gefunden. Weitere Studien werden benötigt, um parodontspezifische adulte Stammzellen zu bestimmen, um so weitere Einsichten in die regenerativen Möglichkeiten der parodontalen Therapieformen zu bekommen. Neue Technologien, welche angewandt werden, um neue 3D-Trägermaterialien mit unterschiedlichen Porositäten und Oberflächengestaltungen zu entwickeln, mögen die notwendigen Voraussetzungen für die Differenzierung der Zellen des parodontalen Ligaments schaffen, sodass im Rahmen der Therapie neuer parodontaler Halteapparat erreicht wird. Nicht zuletzt ist aus ethischer Sicht zu diskutieren, inwieweit genetisch modifizierte parodontale Ligamentzellen zu entwickeln sind, die in adäquater Menge Wachstumsfaktoren zeit- und umgebungsbezogen exprimieren. Obwohl das tissue engineering mit PDL Zellen viel versprechende Ergebnisse zeigt, bedarf es weiterhin intensiver Untersuchungen, damit die Rolle dieser Zellen in der parodontalen Heilung im Zusammenhang mit Zytokinen, Wachstumsfaktoren und anderen Zellen verstanden wird. Nur so wird es möglich werden, all diese Faktoren auf einem entsprechend konfigurierten Trägermaterial in die Wunde einzubringen, so dass parodontale Regeneration vorhersagbar möglich wird. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, bis zur klinischen Nutzung noch eine Reihe wichtiger Forschungsarbeiten zu leisten (Abbildung 7).

Univ.-Prof. Dr. med. dent. habil.
Wolf-D. Grimm
Leiter des Lehrstuhles und der Abteilung für Parodontologie

Prof. Dr. med. Wolfgang A. Arnold
Dr. med. dent. Sebastian Becher
Dr. (Syr.) Aous Dannan
Dr. med. dent. Georg Gassmann
PD Dr. rer. nat. Barbara Kaltschmidt
Dr. med. dent. Silke Levermann

Dr. rer. nat. Darius Widera
Prof. Dr. rer. nat. Christian Kaltschmidt
Fakultät für Zahn-, Mund- und
Kieferheilkunde
Universität Witten/Herdecke
A.-Herrhausen-Str. 50
58448 Witten
wolfg@uni-wh.de

Zellokkludierende

Barriere Material

Nicht resorbierbar

Zellulose, ePTFE

Resorbierbar

Polylactidsäure, Polyglycolsäure, Polyglactin-910 und Poly(L-lactide)

Kollagen

Bovines Kollagen Type I, porcine Dermistypen I+II

Plaster of Paris

Calciumsulfid

Growth factor effect

Migration

Proliferation

Differentiation

Matrix gene expression

PDL

CM

PDL

CM

PDL

CM

PDL

CM

BMPs

0

EMD

↑↓

↑↓

FGF-2

↑↓

PDGF

↑↓

IGF-1

↑↓

TGF-β

↑↓

 

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