Rustovamman kirurginen korjaaminen solusiirteiden ja biomateriaalien avulla

Transkriptio

1 NIVELRIKKO Anna-Marja Säämänen, Anna Vasara, Mikko J. Lammi ja Ilkka Kiviranta Rustovamman kirurginen korjaaminen solusiirteiden ja biomateriaalien avulla 1910 Erilaisten kudos- ja solusiirteisiin perustuvien tekniikoiden avulla nivelruston vaurioituneelle alueelle voidaan aikaansaada korjausrustoa. Käytännössä rustovaurioiden korjaamiseen kudosteknologian keinoin tarvitaan kolme komponenttia: solut, istutemateriaali ja korjausruston kehittymiselle suosiollinen ympäristö. Autologisia rustosolusiirteitä käytetään jo rustovaurioiden kirurgiseen korjaamiseen. Eri istutemateriaalien soveltuvuutta testataan tiiviisti, sillä kuormitusta kestävä istute voi ainakin teoreettisesti nopeuttaa potilaan toipumista ja paranemista. Bioyhteensopivien materiaalien avulla soluille pyritään luomaan mahdollisimman optimaalinen kolmiulotteinen istute, jossa ne voivat erittää ympärilleen väliainetta ja rakentaa korjausrustoa vauriopaikalle. Parhaillaan tutkitaan myös aktiivisesti aikuisen mesenkyymisolujen käyttömahdollisuuksia rustovaurioiden korjauksessa ja ensimmäiset kliiniset kokeet ovat käynnissä. Nivelruston kyky korjaantua itsestään on olematon, koska kypsät rustosolut eivät jakaannu ja korjaukseen kykenevien kantasolujen määrä rustossa on vähäinen (Murphy ym. 2002). Tekonivelleikkaus on tehokas keino pitkälle edenneen nivelrikon korjaamiseen (Heliövaara ym. tässä numerossa). Tutkijat ovat kuitenkin pyrkineet kehittämään uusia solusiirteisiin perustuvia menetelmiä, joilla voitaisiin hoitaa nivelruston vaurioita varhaisemmassa vaiheessa. Nykyisin tavoitteena on ensisijaisesti oireiden lievitys, mutta pyrkimyksenä on myös mahdollistaa nivelruston korjaantuminen normaalia nivelrustoa vastaavalla ja kestävällä kudoksella ja estää siten rustovaurion eteneminen nivelrikkoon asti. Rustosolusiirteisiin perustuvat menetelmät ovat jo kliinisessä käytössä, mutta aikuisen mesenkyymisolujen siirtoon perustuvat menetelmät ovat vasta kehitysvaiheessa. Nykyiset hoitomenetelmät Paikalliset korjaukset. Rustoluusiirre (ns. mosaiikkiplastia) soveltuu pienten (1 4 cm 2 ) rustovaurioiden hoitoon (Kiviranta ja Vasara 2004). Tässä menetelmässä vähemmän painoa kantavalta pinnalta otetaan 4 10 mm:n läpimittaisia rusto-luusylintereitä. Vaurioalue puhdistetaan ja siihen tehdään sylintereitä vastaavat reiät, joihin ne istutetaan pyrkien samalla palauttamaan rustopinnan muoto. Sylinterien välinen alue ja ottokohdat täyttyvät säierustolla. Menetelmä on edullinen, mutta rustopinnan muodon palauttaminen varsinkin tähystystekniikkaa käyttäen on melko vaativaa. Menetelmän käyttö on alkuinnostuksen jälkeen hieman vähentynyt. Tämä johtuu rusto-luusylintereiden ottokohdissa syntyvistä ongelmista, siirrettyjen rustoalueiden huonosta integraatiosta ympäröivään rustoon ja mahdollisesta kudosvauriosta sylinterien ympärillä (Bentley ym. 2003, Kuroda ym. 2007). Rustonalaisluun rei itys eli ns. mikromurtumamenetelmä on yksinkertainen ja edullinen hoito, joka ei vaadi ennakkovalmisteluja tai kalliita välineitä. Se soveltuu erityisesti pienten (alle 2 cm²) rustovaurioiden hoitoon. Nivelen tähystyksen yhteydessä vaurioitunut rustoalue puhdistetaan terveeseen ympäröivään rustoon ja pohjalla luuhun saakka. Duodecim 2008;124:

2 Vaurioalueelle tehdään pieniä rustonalaisen luulevyn lävistäviä reikiä tarkoitusta varten kehitetyllä piikillä muutaman millimetrin välein (Kiviranta ja Vasara 2004). Tavoitteena on kuitenkin säilyttää rustonalainen luu rakenteellisesti ehjänä. Yhteys vaurioalueelta luuytimeen mahdollistaa mesenkyymisolujen ja kasvutekijöiden pääsyn vaurioalueelle. Ne muodostavat yhdessä vaurioalueelle vuotaneen veren kanssa hyytymän, joka hiljalleen muokkautuu arpirustoksi. Pitkäaikaistulokset ovat olleet hyviä varsinkin pienissä rustovaurioissa (Knutsen ym. 2007). Solusiirteet. Autologinen rustosolusiirto on ensimmäinen viljeltyihin soluihin perustuva menetelmä rustovaurioiden korjauksessa (Brittberg ym. 1994). Menetelmä on kuvattu myös kotimaisessa kirjallisuudessa (Kiviranta ja Vasara 2004, Vasara ym. 2006). Se edellyttää kahta toimenpidettä, joista ensimmäinen on nivelen tähystys, jossa arvioidaan rustovaurioiden laajuus ja soveltuvuus rustosolusiirtoon. Samalla otetaan vähemmän kantavalta pinnalta pieni pala tervettä rustoa, joka lähetetään soluviljelylaboratorioon. Potilaan rustosta eristettyjä soluja viljellään laboratorio-olosuhteissa, jolloin rustosolujen määrä moninkertaistuu. Toinen, noin neljä viikkoa myöhemmin tehtävä leikkaus on avoleikkaus, jossa viljellyt solut siirretään takaisin. Toimenpiteen aluksi vaurioalue puhdistetaan ja peitetään erillisestä avauksesta sääriluun etupinnalta otetulla luukalvolla. Luukalvopaikka ommellaan kiinni ympäröivään rustoon ohuella sulavalla langalla. Tämän jälkeen viljellyt rustosolut ruiskutetaan vaurioalueelle luukalvon alle pienestä aukosta, joka lopuksi suljetaan, ja sauma tiivistetään kudosliimalla. Menetelmä on katsausartikkeleissa todettu toimivaksi ja turvalliseksi mutta kalliiksi (Ruano-Ravina ja Jato Diaz 2006). Rustosolusiirteillä voidaan hoitaa myös laajoja ja useilla nivelpinnoilla olevia vaurioita, mitä muilla menetelmillä ei suositella tehtäväksi. Toisaalta satunnaistetuissa tutkimuksissa eri menetelmien välillä ei ole todettu merkittäviä kliinisiä eroja (Bentley ym. 2003, Gudas ym. 2005, Knutsen ym. 2007). Rustosolusiirremenetelmää on pyritty edelleen kehittämään käyttämällä erilaisia biomateriaaleja (kuva 1). Tavoitteena on yhtäältä toimenpiteen yksinkertaistaminen ja toisaalta optimaalisen kolmiulotteisen kasvuympäristön tarjoaminen rustosoluille. Leikkaus helpottuu, ellei luukalvoa tarvitse ottaa potilaalta, siirrettä ei tarvitse ommella tai siirre voidaan viedä paikoilleen tähystystoimenpiteessä. Kun solut ovat valmiiksi materiaaliin kiinnittyneinä, on niiden pysyvyys vaurioalueella todennäköisesti parempi. Eläinperäistä tyypin I/III kollageenikalvoa Kuva 1. Autologisissa rustosolusiirtomenetelmissä eristetään potilaan omia rustosoluja tähystysleikkauksessa otetuista rustopaloista (A). Tavanomaisessa tekniikassa viljeltyjä rustosoluja sisältävä liuos ruiskutetaan vaurioalueelle ommellun luukalvon tai nykyisin yhä useammin biomateriaalikalvon alle. Vaihtoehtoisesti rustosolut viljellään jo soluviljelylaboratoriossa suoraan huokoiseen biomateriaaliin (B), joka asetetaan puhdistetun vaurioalueen päälle ja kiinnitetään tarvittaessa fibriiniliimalla (MACI-tekniikka) Rustovamman kirurginen korjaaminen solusiirteiden ja biomateriaalien avulla

3 NIVELRIKKO Kuva 2. AMIC (autologous matrix induced chondrogenesis). Rustovaurio puhdistetaan huonolaatuisesta rustosta ja vaurion pohja rei itetään, jotta veri ja mesenkyymisolut muodostaisivat hyytymän vaurioalueelle. Hyytymä suojataan päälle liimattavalla kollageenikalvolla (Chondro-Gide) on käytetty hyvällä menestyksellä luukalvon korvikkeena. Tulokset ovat olleet rustosolusiirron aiempien tulosten kaltaisia, mutta kalvon liikakasvua näyttäisi esiintyvän vähemmän kuin omaa luukalvoa käytettäessä (Bartlett ym. 2005). Samanlaisesta porsaan kollageenimateriaalista on valmistettu myös huokoisempi kaksikerroksinen istute, johon solut voidaan istuttaa valmiiksi laboratorio-olosuhteissa. Valmis istute kiinnitetään vaurioalueelle fibriiniliimalla (Matrix-induced autologous chondrocyte implantation, MACI). Materiaali korvautuu vähitellen ruston soluväliaineella, ja liikakasvu on vähäisempää kuin omaa luukalvoa käytettäessä (Bartlett ym. 2005). Autologous matrix induced chondrogenesis (AMIC) yhdistää mikromurtumatekniikan ja kollageenikalvon käytön (Kramer ym. 2006). Menetelmässä korjausalue peitetään rustonalaisluun rei ityksen jälkeen kollageenikalvolla (tyypin I/III kollageeni, Chondro-Gide), jonka tarkoituksena on pitää soluja sisältävä hyytymä paikoillaan (kuva 2). Kalvo kiinnitetään fibriiniliimalla. Menetelmän etuna on edullisuus soluviljelymenetelmiin nähden. Teoriassa kollageenikalvo estää kantasoluja ja kasvutekijöitä sisältävän hyytymän irtoamisen vaurioalueelta ja tarjoaa suojan kehittyvälle korjauskudokselle. Alustavat kliiniset tulokset ovat olleet lupaavia kahden vuoden seurannan jälkeen (Wimmer ym. 2007). Aineisto on kuitenkin hyvin pieni, eikä vertailevia tutkimuksia muihin rustovaurioiden korjausmenetelmiin nähden ole tehty. Kaikki kliinisessä käytössä olevat solusiirtomenetelmät perustuvat autologisiin rustosoluihin. Allograftisolujen käyttöä tutkittiin solusiirtojen tullessa tutkimuksen kohteeksi, mutta kokeissa todettiin viitteitä näiden solujen aiheuttamista immunologisista reaktioista. Ilmeisesti eristetyt rustosolut kykenevät aiheuttamaan hyljintäreaktion mutta kokonaisen rustoluupalan sisältämät rustosolut eivät, sillä suurten rustoluupuutosten korjaamiseen on käytetty varsin hyvällä menestyksellä elinluovuttajalta saatuja kudospaloja. Myös elinluovuttajalta saadut nivelkierukkasiirteet ovat menestyneet varsin hyvin, eikä immunosuppressiota näissä tilanteissa tarvita. Nykyisin käytössä olevien solusiirtomenetelmien käyttöaiheena on paikallisen rustovaurion hoito. Raja useiden paikallisten vaurioiden ja nivelrikon välillä on kuitenkin liukuva, ja kokeellisessa hoidossa näitä rajoja on koeteltu varsin laajalti. Alustavia tuloksia on julkaistu kokeista, joissa vastakkaisten rustopintojen nivelrikkovauriot on hoidettu autologisella rustosolusiirrolla ja lisäksi puuttuva nivelkierukka on korvattu nivelkierukkasiirteellä (Bhosale ym. 2007, Farr ym. 2007). Tällainen hoito on kuitenkin äärimmäisen vaativaa ja vielä täysin kokeellisella asteella. A.-M. Säämänen ym.

4 Bioyhteensopivat materiaalit YDINASIAT Elimistössä hajoavat bioyhteensopivat kalvot ja rustosoluja sisältävät istutemateriaalit ovat jo kliinisessä käytössä rustosolusiirtotekniikan apuna. Synteettisiä materiaaleja ja elimistön omia makromolekyylejä sisältäviä istutteita kehitetään rustosolujen kolmiulotteiseksi kasvuympäristöksi. Aikuisten luuytimestä ja muista kudoksista eristettyjä autogeenisia mesenkyymisolusiirteitä on jo käytetty alustavissa kokeissa. 8 Solusiirtohoidot saattavat helpottua merkittävästi, jos erilaistuneita soluja opitaan turvallisesti uudelleen ohjaamalla erilaistamaan kudosteknologian tarpeisiin. Kudosteknologisesti hyödynnettävien istutemateriaalien tulee täyttää useita vaatimuksia. Niiden tulee olla elimistön kanssa yhteensopivia ja riittävän huokoisia ravinteiden saatavuuden varmistamiseksi, ja huokosten pitää olla yhteydessä toisiinsa, jotta solut pääsevät pintaa syvemmälle materiaaliin. Lisäksi materiaalien sopiva hajoamisnopeus on tavoiteltu ominaisuus. Rustossa kudoksen järjestyminen perustuu kahden soluväliaineen pääkomponentin eli tyypin II kollageenin ja aggrekaanin väliseen vuorovaikutukseen. Sen vuoksi nämä rustokudoksen luonnostaan sisältämät makromolekyylit hyaluronaanin lisäksi ovat olleet laajan kiinnostuksen kohteena pyrittäessä luomaan kasvualustoja rustosoluille tai vaikkapa erilaistettaville kantasoluille, ruston korjausta varten. Myös kemiallisesti proteoglykaanien kaltaisia muita luonnontuotteita, kuten kitosaania ja alginaattia, on testattu runsaasti. Toisaalta kokemuksia synteettisten materiaalien käytöstä etenkin luupuutosten korjaamisessa on yritetty soveltaa myös ruston korjaamiseen. Kaiken kaikkiaan bioyhteensopivien materiaalien käyttö rustokorjauksessa on vasta alkuvaiheessa, ja optimaalisten materiaalien tuottamiseksi tarvitaan lisää perustutkimusta. Biologiset makromolekyylit. Kollageenia voidaan muokata helposti erilaisiin fysikaalisiin muotoihin kalvoiksi, hydrogeeleiksi, sieniksi tai nanokuiduiksi (Yang ym. 2004). Käytännön tutkimustyössä on tavallisimmin käytetty tyypin I kollageenia, sillä nivelruston omaa tyypin II kollageenia on vain niukalti saatavissa. Rekombinanttitekniikalla valmistettua ihmisen tyypin II kollageenia on kuitenkin jo saatavilla, mikä voi osittain tyydyttää lisääntyvää tarvetta. Etenkin nykyinen pyrkimys välttää eläinperäisiä materiaaleja kudosteknologisissa menetelmissä puoltaa sen käyttöä. Tyypin II kollageeni myös ilmeisesti ylläpitää rustosolujen ilmiasua paremmin kuin tyypin I kollageeni (Nehrer ym. 1997). Rustosolujen on osoitettu kasvavan kollageenimateriaaleissa erinomaisesti pitkiäkin aikoja. Kollageenia on käytetty yleensä joko geelinä tai sienenä. Kollageenigeeleillä on taipumus kutistua istutuksen jälkeen (Lee ym. 2000), mikä saattaa rajoittaa niiden hyödyllisyyttä. Kuitenkin kollageenilla saatuja tuloksia voidaan pitää kohtalaisen lupaavina (Ochi ym. 2002). Hyaluronaani ei muokkaamattomana muodosta kovin hyvää istuterakennetta, sillä vaikka se sitoo itseensä aggregoituvia proteoglykaaneja, muodostuva vesipitoinen geeli on pehmeä eikä säilytä muotoaan mekaanisessa kuormituksessa. Hyaluronaania kemiallisesti muokkaamalla saadaan kuitenkin kiinteämpi rakenne, joka soveltuu paremmin ruston korjaukseen. Hyaluronaanin bentsyyliestereistä tehtyä vettyvää huopaa (Hyalograft-C) onkin käytetty jo varsin laajalti rustovaurioiden korjauksessa Keski-Euroopassa. Rustosolut siirretään alkukasvatuksen jälkeen materiaaliin kasvamaan. Soluja sisältävä siirre tarttuu hyvin kiinni rustovaurioalueen puhdistettuun luupintaan eikä näin ollen tarvitse mitään kiinnitystä. Yleisimmin korjaus tehdään avoleikkauksessa, mutta myös tähystysleikkausmenetelmää käytetään. Tähystystekniikassa rustovaurioalueelle porataan rustonalaiseen luuhun parin millimetrin syvyisiä ja vajaan senttimetrin läpimittaisia kuoppia, ja huopa siirretään paikoilleen samankokoisina kiekkoina. Yli potilasta on hoidettu hya Rustovamman kirurginen korjaaminen solusiirteiden ja biomateriaalien avulla

5 NIVELRIKKO luronaanihuopaa käyttäen. Julkaistut kliiniset tulokset avoleikkauksesta ovat vastanneet rustosolusiirtojen tuloksia (Marcacci ym. 2005), mutta tähystysleikkausten tuloksia voidaan pitää vain alustavina (Marcacci ym. 2002). Muun muassa äyriäisten kuorista saatavaa kitiiniä deasetyloimalla voidaan valmistaa polysakkaridia (kitosaania), joka koostuu rakenteeltaan hyaluronaania muistuttavista N-asetyyliglukosamiinin ja glukosamiinin muodostamista haarautumattomista ketjuista. Siitä voidaan tehdä huokoisia rakenteita, ja yhdistämällä se glyserolifosfaatin kanssa saadaan ruiskutuskelpoinen seos, joka geeliytyy esimerkiksi mikromurtumatekniikalla tuotetun verihyytymän kanssa (Hoemann ym. 2005). Synteettisiä istutemateriaaleja on tarjolla runsaasti, ja on täysin mahdollista, että tulevaisuudessa on käytettävissä useita eri materiaaleja, jotka sopisivat ruston korjaukseen. Tähän mennessä eniten testattuja ovat myös luun ortopediassa ja traumatologiassa käytetyt polyglykolihappo ja polylaktaatti ja niiden yhdistelmät (Vilquin ja Rosset 2006). Käytettävissä olevista synteettisistä materiaaleista voidaan kutoa kolmiulotteisia istutteita, tuottaa nanokuituja sähkökehruulla tai esimerkiksi tietokoneen avulla suunniteltuja rakenteita stereolitografialla. Laboratorioissa tuotetuilla istutteilla on tietty geometria, joka vaikuttaa siihen, minkä muotoisen vaurioalueen ortopedi voi operoida. Sen sijaan valoaktivaatiolla polymeroituvat materiaalit mahdollistavat paremmin tapauskohtaisen korjauksen vauriokohtaan muovautuvan materiaalin avulla. Ruston toiminnan kannalta kudoksen kollageeniverkoston hienorakenne on äärimmäisen tärkeä, mutta sen aikaansaaminen istuterakenteeseen on haastava tehtävä, jossa kudostulostus voi olla oleellinen tekijä. Kaikki edellä kuvatut kehitysnäkymät tähtäävät hallittujen rakenteiden tuottamiseen siten, että kudoksen Taulukko 1. Solujen nimityksiä ja ominaisuuksia. Nimitys Määritelmä Esimerkkejä Totipotentti eli täyskykyinen kantasolu Alkion varhaiskehityksen solu, joka kykenee erilaistumaan elimistön kaikiksi solulinjoiksi, mukaan luettuina istukan solut; voi jakautua määrättömästi Blastomeeri Pluripotentti eli lähes täyskykyinen kantasolu Alkion myöhemmän kehityksen solu, joka ei kykene enää erilaistumaan istukan soluiksi Sikiön kantasolu Multipotentti eli monikykyinen kantasolu Aikuisen yksilön kantasolu, joka kykenee erilaistumaan solutyypeiksi tietyn kategorian sisällä Mesenkyymikantasolu, hemangioblasti Esi- eli progenitorisolu Solu, joka voi tuottaa vain rajallisen määrän solutyyppejä; ei jakaudu enää rajattomasti Luuytimen tukivaruksen osteo-kondroprogenitori, joka kykenee erilaistumaan vain rustosoluksi tai osteoblastiksi Mesenkyymisolu Tukivaruksesta eristetty solupopulaatio, joka täyttää ISCT:n kriteerit (kuva 3B) Luuytimestä eristetyt solupopulaatiot, jotka ilmentävät tiettyjä pinta-antigeeneja, tarttuvat soluviljelymuoviin ja kykenevät erilaistumaan rustosoluiksi, osteoblasteiksi ja rasvasoluiksi Somaattinen solu Erilaistunut solu, joka kykenee jakautumaan rajallisen määrän Mesenkyymi(kanta)solu, rustosolu, osteoblasti, rasvasolu, ihon fibroblasti 1914 Indusoitu pluripotentti kantasolu, ips Uudelleen ohjelmoitu somaattinen solu, jolla on pluripotentin kantasolun erilaistumisominaisuudet Esimerkiksi retroviruksen avulla transformoitu solulinja, joka on ohjelmoitu ilmentämään joukkoa normaalisti vain sikiönkehityksen aikana ilmentyviä geenejä A.-M. Säämänen ym.

6 β Kuva 3. A) Aikuisen mesenkyymikantasolun erilaistuminen. Muun muassa tukisolukon mesenkyymikantasolut ovat monikykyisiä, ja ne voivat erilaistua mesenkyymisolutyypeiksi sopivissa olosuhteissa. B) International Society for Cellular Therapyn (ISCT) esittämät mesenkyymisolun minimikriteerit: 1) solujen adheesio soluviljelymuoviin, 2) tiettyjen pinta-antigeenien ilmentäminen ja 3) kyky erilaistua in vitro olosuhteissa osteoblasteiksi, rasvasoluiksi ja rustosoluiksi. Kohdassa B on esitetty myös rustosoluiksi erilaistumista edistäviä tekijöitä. Mesenkyymisolujen erilaistumista ja ominaisuuksia on kuvattu tarkemmin aiemmissa katsauksissa (Heng ym. 2004, Väänänen 2005, Grassel ja Ahmed 2007). GDF = kasvu- ja erilaistumistekijä, FGF = fibroblastikasvutekijä, IGF = insuliininkaltainen kasvutekijä, TGF = transformoiva kasvutekijä, BMP = luun morfogeneettinen proteiini ravinnonsaanti on turvattu ja käytetyt materiaalit tukevat toiminnallisen rustokudoksen muodostumista. Aikuisten mesenkyymisolut Mikä on mesenkyymikantasolu? Kantasolulla on kyky jakaantua loputtomasti ja erilaistua useiksi kudostyypeiksi (taulukko 1). Embryonaaliset kantasolut ovat joko toti- tai pluripotentteja. Totipotentit eli täyskykyiset solut kykenevät erilaistumaan miksi tahansa solutyypiksi, kun taas pluripotentit eli lähes täyskykyiset eivät enää kykene erilaistumaan istukan ja sikiökalvon kudoksiksi. Aikuisen kantasolut ovat multipotentteja eli monikykyisiä. Ne kykenevät erilaistumaan eri solutyypeiksi tietyn kategorian sisällä, esimerkiksi mesenkyymikantasolut mesenkyymikudoksiksi (kuva 3A). Luuytimen tukivaruksen (strooman) soluista alle 0,01 % on monikykyisiä soluja, joista osa on hematopoieettisia eli veren kantasoluja ja osa mesenkyymisoluja. Friedenstein eristi tukisolukosta 1970-luvulla soluviljelymuoviin tarttuvia fibroblastin kaltaisia soluja, jotka kykenivät erilaistumaan tietyissä olosuhteissa osteoblasteiksi ja tuottamaan mineralisoitunutta soluväliainetta ympärilleen. Myöhemmin samankaltaisia kantasoluja on löytynyt myös useista muista mesenkyymikudoksista, mm. rasva- ja lihaskudoksesta (Väänänen 2005, Grassel ja Ahmed 2007). Hematopoieettiset kantasolut ilmentävät pinnallaan useita spesifisiä pinta-antigeeneja. Sen sijaan mesenkyymikantasoluista ei ole löydetty riittävän spesifisiä pinta-antigeeneja, ja solut karakterisoidaankin usein tiettyjen pinta-antigeenien puuttumisen perusteella. Tukisolukosta eristetyt mesenkyymisolut koostuvat heterogeenisesta populaatiosta, jossa suuri osa on jo määräytyneitä esi- eli progenitorisoluja, joiden biologiset ominaisuudet eivät täysin vastaa kantasolulle asetettuja kriteerejä. Niinpä International Society for Cellular Therapy (ISCT) suosittaa mesenkyymikantasolun sijaan nimitystä multipotent mesenchymal stromal cell (Horwitz ym. 2005) ja on myös määrittänyt minimikriteerit näille monikykyisille mesenkyymisoluille (kuva 3B) (Dominici ym. 2006). Mesenkyymisoluja voidaan lisätä in vitro ja indusoida erilaistumaan erilaisten kemial Rustovamman kirurginen korjaaminen solusiirteiden ja biomateriaalien avulla

7 NIVELRIKKO Taulukko 2. Prekliiniset kokeet mesenkyymisolusiirteillä. Vaurio Eläin Solut Istutemateriaalit Tulos Tutkimus reisiluun nivelnasta Kani periostin Kollageenigeeli Histologisesti normaalin kaltainen kudos 24 viikossa Wakitani ym polvilumpio Kani Lisääntynyt paraneminen 14 viikossa Im ym Kani Luuytimen reisiluun nivelnasta Kalsiumfosfaattikomposiitti ja hyaluronaatti Histologisesti ruston kaltaista kudosta 12 viikossa. Solutiheys suurempi ja hyvä integraatio ympäröivään kudokseen Gao ym reisiluu polvilumpion alla Kani PLGA Hyaliiniruston kaltainen korjauskudos 12 viikon jälkeen Uematsu ym Syvä, laaja vaurio, reisiluun nivelnasta Minisika Hyaluronaatti Pilottikokeessa vaurioitunut alue täyttyi hyaliiniruston kaltaisella kudoksella, jolla hyvä integraatio ympäröivään kudokseen. Lee ym Vuohi Eturistisiteen katkaisun aiheuttama kokeellinen nivelrikko Kollageenigeeli Nivelkierukan ja nivelruston rappeutuminen ja muut nivelmuutokset vähäisempiä MSC:llä hoidetuissa nivelissä kuin kollageeniryhmässä Murphy ym Syvä laaja vaurio, reisiluun nivelnasta Hevonen Autogeeninen fibriini Varhaisvaiheessa soluilla parempi vaste kuin 8 kuukauden seurannan jälkeen, jolloin korjauskudoksen histologia ei ole samanlainen kuin fibriinihoidon vaikutuksesta Wilke ym MSC = mesenkymaalinen stroomasolu, PLGA = polylaktidi-polyglykolidi 1916 listen ja kasvutekijöiden vaikutuksesta mm. rustosoluiksi (kuva 3B) (Heng ym. 2004, Väänänen 2005, Grassel ja Ahmed 2007). Mielenkiintoinen piirre on, että mesenkyymisolut näyttäisivät välttävän allogeenisen hylkimisreaktion ja olevan jopa immunosuppressiivisia (Väänänen 2005). Prekliiniset kokeet mesenkyymisoluilla. Pääosa mesenkyymisolujen tutkimuksesta on vielä rajoittunut in vitro kondrogeneesimalleihin, mutta myös muutamista prekliinisistä kokeista on raportoitu (taulukko 2). Minisialla on saatu lupaavia tuloksia ruiskuttamalla mesenkyymisoluja hyaluronaattigeelissä suoraan nivelonteloon (Lee ym. 2007). Tässä kokeessa reisiluun painoa kantavalle sisänivelnastan rustopinnalle tehtiin nivelrustoon rajoittuva vaurio, jonka halkaisija oli 8,5 mm ja syvyys 1 mm. Tämän jälkeen nivelontelo suljettiin ja sinne ruiskutettiin kolme kertaa viikon välein in vitro lisättyjä mesenkyymisoluja hyaluronaattigeelissä. Solut oli kerätty kolme viikkoa aikaisemmin saman eläimen luuytimestä. Mesenkyymisoluilla rustovauriot saatiin paranemaan paremmin kuin pelkällä hyaluronaatilla. Taulukossa 2 mainittujen julkaisujen perusteella ei kuitenkaan vielä tiedetä, kuinka hyvin korjausrusto kestää pitkäaikaista kulutusta, koska seuranta-ajat ovat olleet keskimäärin viikkoa. Hevosella tehdyssä kokeessa saatiin autogeeniseen fibriiniin pedatuilla mesenkyymisoluilla aikaan parempi alkuvaiheen vaste, mutta kahdeksan A.-M. Säämänen ym.

8 Taulukko 3. Kliiniset kokeet mesenkyymisolusiirteillä. Tiedot muokattu Vilquinin ja Rosset n (2006) katsauksesta ja NIH:n (National Institutes of Health, Bethesda, USA) ylläpitämästä kliinisten kokeiden nettisivustosta ( clinicaltrials.gov). Vaurio Potilaita Solut Istutemateriaali Tulos/seuranta Viite polvilumpio 2 Kollageenigeeli ja periostiläppä Hyvät kliiniset tulokset 4 vuoden seurannassa, korjauskudos säierustoa Wakitani ym Laaja paikallinen rustovaurio 1 Kollageenigeeli, komposiitti ja periostiläppä Hyaliiniruston muodostuminen 7 kuukauden jälkeen, vuoden kuluttua kliininen tila parempi kuin MACI:llä aikaansaatu Kuroda ym Nivelkierukan osittainen poisto 55 Hyaluronaatti, Chondrogen Chondrogen study: vaiheen I/II koe saatu päätökseen helmikuussa Kliininen tila oli parantunut 6 kuukauden jälkeen 30 %:lla potilaista; hyvin siedetty Osiris Therapeutics MSC = mesenkymaalinen stroomasolu eli tukisolukosta eristetty mesenkyymisolu, MACI = Matrix-induced autologous chondrocytes implantation, PLGA = polylaktidi-polyglykolidi kuukautta toimenpiteen jälkeen eroa pelkkään fibriiniin verrattuna ei ollut nähtävissä (Wilke ym. 2007). Kliiniset kokeet mesenkyymisoluilla. Kliinisen vaiheen kokeita on tiedossamme vain kolme (taulukko 3). Näistä laajin on kliinisen vaiheen I/II koe, Chondrogen study (Osiris Therapeutics), jossa tutkittiin hyaluronaattigeelissä olevien mesenkyymisolujen (Chondrogen) kykyä suojata rustoa vauriolta ja muodostaa uutta kierukkakudosta 55 potilaalla, joille on tehty osittainen nivelkierukan poisto. Hoito oli hyvin siedetty, ja kuusi kuukautta sen jälkeen nivelen kliininen tila oli selvästi parantunut 30 %:lla potilaista. Lopuksi Rustovaurioiden hoito rustosolusiirteiden avulla yhdistettynä erilaisten biomateriaalien käyttöön vaurioalueen peittävinä kalvoina tai rustosolujen istutemateriaaleina on jo osa nykyajan ortopedista kirurgiaa. Uusia tekniikoita ja bioyhteensopivia materiaaleja kehitetään koko ajan tavoitteena muun muassa mahdollistaa korjausleikkaus tähystysteitse. Mesenkyymisolujen käyttöä koskevat kliiniset kokeet ovat vielä alkuvaiheessa, ja monia käyttöturvallisuuteen liittyviä seikkoja on selvittämättä. Tulisi esimerkiksi tutkia, miten pystytään varmistamaan, ettei solujen lisääntyminen ja erilaistuminen johda hallitsemattomaan kasvuun ja teratoomien syntyyn tai ennenaikaiseen rustosolujen hypertrofiaan ja mineralisaatioon. Suuren mielenkiinnon kohteena on parhaillaan myös erilaistuneiden somaattisten solujen uudelleenohjelmointi pluripotenteiksi kantasoluiksi (inducible pluripotent stem cells, ips), kuten kerrottiin tämän lehden pääkirjoituksessa tammikuussa 2008 (Aalto- Setälä ym.). Tämä menetelmä saattaa mahdollistaa esimerkiksi potilaan omien ihosolujen erilaistamisen korjauksessa käytettäviksi rustosoluiksi ja siten poistaa korjaussolujen saatavuuteen ja sikiön kantasolujen käyttöön liittyvät ongelmat. Ratkaistavana on kuitenkin vielä monia teknisiä ja etenkin käyttöturvallisuuteen liittyviä ongelmia muun muassa se, miten välttää virusvektoreiden käyttö solujen uudelleenohjelmoimisessa. ANNA-MARJA SÄÄMÄNEN, FT, dosentti, laboraattori Turun yliopiston biolääketieteen laitos, lääketieteellinen biokemia ja genetiikka Kiinamyllynkatu 10, Turku ANNA VASARA, LT, osastonlääkäri HUS MIKKO J. LAMMI, FT, professori Kuopion yliopiston biotieteiden laitos, soveltava bioteknologia ILKKA KIVIRANTA, professori, ylilääkäri Helsingin yliopisto ja HUS 1917

9 Kirjallisuutta Aalto-Setälä K, Silvennoinen O, Otonkoski T. Ihmisen erilaistuneiden solujen uudelleenohjelmointi kantasoluiksi. Duodecim 2008;124: Bartlett W, Skinner JA, Gooding CR, ym. Autologous chondrocyte implantation versus matrix-induced autologous chondrocyte implantation for osteochondral defects of the knee: a prospective, randomized study. J Bone Joint Surg Br 2005;87: Bentley G, Biant LC, Carrington RW, ym. A prospective, randomised comparison of autologous chondrocyte implantation versus mosaicplasty for osteochondral defects in the knee. J Bone Joint Surg Br 2003;85: Bhosale AM, Myint P, Roberts S, ym. Combined autologous chondrocyte implantation and allogenic meniscus transplantation: a biological knee replacement. Knee 2007;14: Brittberg M, Lindahl A, Nilsson A, ym. Treatment of deep cartilage defects in the knee with autologous chondrocyte transplantation. N Engl J Med 1994;331: Dominici M, Le Blanc K, Mueller I, ym. Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. The International Society for Cellular Therapy position statement. Cytotherapy 2006;8: Farr J, Rawal A, Marberry KM. Concomitant meniscal allograft transplantation and autologous chondrocyte implantation: minimum 2-year follow-up. Am J Sports Med 2007;35: Gao J, Dennis JE, Solchaga LA, Goldberg VM, Caplan AI. Repair of osteochondral defect with tissue-engineered two-phase composite material of injectable calcium phosphate and hyaluronan sponge. Tissue Eng 2002;8: Grassel S, Ahmed N. Influence of cellular microenvironment and paracrine signals on chondrogenic differentiation. Front Biosci 2007;12: Gudas R, Kalesinskas RJ, Kimtys V, ym. A prospective randomized clinical study of mosaic osteochondral autologous transplantation versus microfracture for the treatment of osteochondral defects in the knee joint in young athletes. Arthroscopy 2005;21: Heng BC, Cao T, Lee EH. Directing stem cell differentiation into the chondrogenic lineage in vitro. Stem Cells 2004;22: Hoemann CD, Hurtig M, Rossomacha E, ym. Chitosan-glycerol phosphate/blood implants improve hyaline cartilage repair in ovine microfracture defects. J Bone Joint Surg Am 2005;87: Horwitz EM, Le Blanc K, Dominici M, ym. Clarification of the nomenclature for MSC: The International Society for Cellular Therapy position statement. Cytotherapy 2005;7: Im GI, Kim DY, Shin JH, Hyun CW, Cho WH. Repair of cartilage defect in the rabbit with cultured mesenchymal stem cells from bone marrow. J Bone Joint Surg Br. 2001;83: Kiviranta I, Vasara A. Nivelrustovaurioiden nykyhoito kokeilusta käytäntöön. Duodecim 2004;120: Knutsen G, Drogset JO, Engebretsen L, ym. A randomized trial comparing autologous chondrocyte implantation with microfracture. Findings at five years. J Bone Joint Surg Am 2007;89: Kramer J, Bohrnsen F, Lindner U, ym. In vivo matrix-guided human mesenchymal stem cells. Cell Mol Life Sci 2006;63: Kuroda R, Ishida K, Matsumoto T, ym. Treatment of a full-thickness articular cartilage defect in the femoral condyle of an athlete with autologous bone-marrow stromal cells. Osteoarthritis Cartilage 2007;15: Lee CR, Breinan HA, Nehrer S, Spector M. Articular cartilage chondrocytes in type I and type II collagen-gag matrices exhibit contractile behavior in vitro. Tissue Eng 2000;6: Lee KB, Hui JH, Song IC, ym. Injectable mesenchymal stem cell therapy for large cartilage defects--a porcine model. Stem cells 2007;25: Marcacci M, Berruto M, Brocchetta D, ym. Articular cartilage engineering with Hyalograft C: 3-year clinical results. Clin Orthop Relat Res 2005;435: Marcacci M, Zaffagnini S, Kon E, ym. Arthroscopic autologous chondrocyte transplantation: technical note. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc 2002;10: Murphy JM, Dixon K, Beck S, ym. Reduced chondrogenic and adipogenic activity of mesenchymal stem cells from patients with advanced osteoarthritis. Arthritis Rheum 2002;46: Murphy JM, Fink DJ, Hunziker EB, Barry FP. Stem cell therapy in a caprine model of osteoarthritis. Arthritis Rheum 2003;48: Nehrer S, Breinan HA, Ramappa A, ym. Canine chondrocytes seeded in type I and type II collagen implants investigated in vitro. J Biomed Mater Res 1997;38: Ochi M, Uchio Y, Kawasaki K, ym. Transplantation of cartilage-like tissue made by tissue engineering in the treatment of cartilage defects of the knee. J Bone Joint Surg Br 2002;84: Osiris Therapeutics. A Phase I/II Study of Chondrogen Delivered by Intra-Articular Injection Following Meniscectomy ?term=chondrogen&rank=1 Ruano-Ravina A, Jato-Diaz M. Autologous chondrocyte implantation: a systematic review. Osteoarthritis Cartilage 2006;14: Uematsu K, Hattori K, Ishimoto Y, ym. Cartilage regeneration using mesenchymal stem cells and a three-dimensional polylactic-glycolic acid (PLGA) scaffold. Biomaterials 2005;26: Vasara A, Nurmi H, Kiviranta I. Rustovaurioiden korjaus rustosolusiirteellä. Suom Lääkäril 2006:61: Vilquin JT, Rosset P. Mesenchymal stem cells in bone and cartilage repair: current status. Regen Med 2006;1: Väänänen HK. Mesenchymal stem cells. Ann Med 2005;37: Wakitani S, Goto T, Pineda SJ, ym. Mesenchymal cell-based repair of large, fullthickness defects of articular cartilage. J Bone Joint Surg Am 1994;76: Wakitani S, Mitsuoka T, Nakamura N, Toritsuka Y, Horibe S. Autologous bone marrow stromal cell transplantation for repair of full-thickness articular cartilage defects in human patellae: two case reports. Cell Transplant 2004;13: Wilke MM, Nydam DV, Nixon AJ. Enhanced early chondrogenesis in articular defects following arthroscopic mesenchymal stem cell implantation in an equine model. J Orthop Res 2007;25: Wimmer J, Wendler NO, Behrens P, Zoch W, Gellissen J, Russlies M. Autologous matrix-induced chondrogenesis (AMIC) a 2-year follow-up. Osteoarthritis Cartilage 2007;15:Suppl B89. Yang C, Hillas PJ, Baez JA, ym. The application of recombinant human collagen in tissue engineering. BioDrugs 2004;18: Sidonnaisuudet: ANNA-MARJA SÄÄMÄNEN, ANNA VASARA JA MIKKO J. LAMMI: ei sidonnaisuuksia ILKKA KIVIRANTA: Ulkomaan kongressimatka Roche Oy:n rahoittamana