Einleitung
Aktuelle Behandlung von Weichteildefekten
Heutige Therapien für die Rekonstruktion von Weichteildefekten und die Augmentation
von Volumendefekten zur Wiederherstellung eines funktionellen, ästhetischen Äußeren
beruhen hauptsächlich auf körpereigenen Gewebetransplantationen (lokale, freie Lappenplastiken,
dermale Fetttransplantate und freie adipöse Gewebetransplantate) sowie auf artifiziellen
Implantaten. Als „Goldstandard“ dafür werden heute myokutane oder adipo- und fasziokutane
Lappenplastiken eingesetzt. Bei diesen Lappenplastiken wird zwischen lokalen, gestielten
Lappen, welche Transplantationen oder Transpositionen von Weichteilgewebe aus der
unmittelbaren Umgebung darstellen, und dem freien mikrovaskulären Gewebetransfer aus
entfernten Körperstellen unterschieden [1].
Die Behandlung von Weichteil-/und Volumendefekten mit Lappenplastiken kann allerdings
mit nicht geringen Komplikationen verbunden sein. Unter Umständen können funktionelle
Defizite im Bereich der Hebe- und/oder Empfängerstelle entstehen. Weiter verbleibt
bei allen Lappenplastiken, insbesondere bei freien mikrovaskulären Lappen, das Risiko
einer Komplikation an der Gefäßanastomose, von Hämatomen oder Infektionen bzw. eines
Lappenverlustes. Weiter besteht das nicht geringe Risiko mehrfacher Folgeoperationen
sowie ästhetischer Defizite [2]. Bei ausreichend mit Haut bedeckter, zu augmentierender Körperregion besteht heute
die Möglichkeit des Gewebeaufbaus mit biokompatiblen, synthetischen Materialien wie
z. B. Silikon oder Gewebeexpandern. Trotz der universalen Verfügbarkeit und Vielfältigkeit
hat die Verwendung von Silikonprothesen auch einige nicht unwesentliche Nebenwirkungen
und über den Zeitraum von 1992 bis 2005 war der Einsatz von Silikonimplantaten, sowie
die Anwendung von injizierbarem Silikon von der Food and Drug Administration (FDA)
in Amerika bei gehäuften Kapselkontrakturen, Autoimmunreaktionen und häufigen operativen
Revisionen sogar verboten [3]. Die sekundären Fremdkörperreaktionen, wie z. B. eine Kapselfibrose verbunden mit
einer Schmerzsymptomatik und unbefriedigendem ästhetischen Ergebnis bei der Verwendung
von synthetischen Materialien (z. B. Silikonimplantate), sind hierbei keine immunologischen
Frühreaktionen, sondern mit einer Immunreaktion vom Typ IV Spätkomplikationen, welche
auch erst Jahre nach Implantation auftreten können [4]. Obwohl durch die heutige Anwendung von texturierten Mammaimplantaten die Inzidenz
der Kapselfibrose nach Augmentation gesenkt werden konnte, ist dieses Verfahren bei
der Mammaaugmentation zu überdenken, nicht zuletzt da sich in zunehmendem Maße Patientinnen
auch den Weichteilgewebsaufbau mit körpereigenem Gewebe wünschen. Ein erster Schritt
in Richtung Brustaufbau durch körpereigenes Gewebe wird in der Plastischen Chirurgie
durch die Verwendung von Weichteilgewebetransfers, zum Beispiel im Rahmen von rekonstruktiven
Operationen nach Mammakarzinomen, begangen. Bislang wird diese Art der Augmentation
vor allem mit gestielten oder freien mikrovaskulären Lappenplastiken ermöglicht. Diese
Techniken besitzen jedoch bekanntermaßen ein Komplikationspotenzial sowohl an der
Empfängerstelle als auch am Ort der Lappenhebung [2]. Eine vielversprechende Lösung des risikoreduzierten Aufbaus von Weichteildefekten
mit Volumenmangel sowie bei der Rekonstruktion von Körperregionen bietet autologes,
immunkompatibles Fettgewebe. Dies sollte idealerweise volumenkonstant in ausreichender
Menge vorhanden sein und am Ort der Entnahme keinen Funktionsverlust erzeugen. Kürzlich
wurden erste Ergebnisse der weiterentwickelten Eigenfetttransplantation mithilfe wasserstrahlassistierter
Liposuktion vorgestellt. Hierbei konnte nach volumetrischer Auswertung ein deutlicher
Zugewinn des transplantierten Fettes gemessen werden. Der Beobachtungszeitraum betrug
allerdings lediglich 6 Monate, sodass noch keine definitive Aussage über die längerfristige
Vitalität gemacht werden kann [5]. Eine weitere aussichtsreiche Möglichkeit bietet die Anwendung von „de-novo“ generiertem
Fettgewebe. Dies wäre ein großer Vorteil für beispielsweise auch schlanke Patienten,
denn die Optionen der Rekonstruktion mittels Eigenfetttransplantation bei schlanker
Körperform sind limitiert [6].
Transplantation von Fettgewebe
Die freie Verpflanzung von Fettgewebe wurde erstmals 1893 von Neuber beschrieben.
In seiner Arbeit konnte Neuber den Zusammenhang zwischen einer geringen Transplantatgröße
und einer besseren Überlebensfähigkeit des Transplantates aufzeigen [7]. Nur 2 Jahre später gestaltete der Chirurg Vincenz Czerny auf der Basis eines Lipoms
eine Brust. Die Resultate waren jedoch bescheiden und die begrenzt guten Ergebnisse
ließen sich nur vereinzelt wiederholen. Die Fettgewebsimplantate wurden meist progressiv
absorbiert und durch fibröses Gewebe ersetzt, da die Fettzellen wegen ungenügender
Versorgung zugrunde gingen und das Proliferationsvermögen der wenigen verbliebenen
Fettzellen zu limitiert war [8].
Eine alternative Methode der Fettgewebsaugmentation, die in den letzten 3 Jahrzehnten
zunehmend etabliert wurde, ist die Verwendung von mittels Liposuktion gewonnenem autologen
Fettgewebe. Klinisch-experimentelle Studien belegen jedoch, dass das applizierte Fettgewebe
ein Gemisch aus lebenden und funktionsunfähigen Zellen darstellt. Der Verlust von
Gewebemasse in der weiteren Folge ist demnach vorhersehbar [9]. Trotz des teils erheblichen Verlustes an transplantiertem Fettgewebe und der damit
verbundenen Problematik ist die Fetttransplantation mittels Liposuktion ein weit verbreitetes
Verfahren. Die Möglichkeit autologes Gewebe zu transplantieren die Einfachheit des
technischen Verfahrens und die geringe Invasivität bietet dem plastischen Chirurgen
eine attraktive Methode. In diesem Zusammenhang lag der Fokus vieler Studien auf der
Minimierung des Gewebeverlustes nach Injektion. Die untersuchten Methoden reichen
vom „Waschen“ mit isotonischer Kochsalzlösung bis hin zum Zufügen von Insulin, Steroiden
und vereinzelt auch Wachstumsfaktoren. Entscheidende und über einen längeren Zeitraum
konstante statistisch signifikante Unterschiede im verbliebenen Volumen und Größe,
je nach Behandlung des Fettgewebes, waren bislang jedoch nicht nachweisbar. Auch die
erst vor kurzem veröffentlichten, vielversprechenden Ergebnisse, in welchen mittels
eines neuen Verfahrens größere Mengen an Eigenfett mithilfe von wasserstrahlassistierter
Liposuktion gewonnen werden, lässt die Frage nach einem langfristigen Massen- und
Volumenerhalt offen [5]. Diese bislang mäßigen Resultate bei der Transplantation von körpereigenem Fettgewebe
mit erheblicher Resorptionstendenz und starker Neigung zur Fibrosierung sind wahrscheinlich
auf eine ungenügende Angiogenese, eine spärliche Ischämietoleranz und auf die starke
Stoffwechselaktivität von Adipozyten zurückzuführen [8].
Adipogenese und Angiogenese
Aufbau und Funktion von Fettgewebe
Im menschlichen Organismus wird allgemein zwischen 2 Typen von Fettgewebe unterschieden:
das braune Fettgewebe, welches vornehmlich bei der Geburt vorhanden ist und eine wichtige
Rolle bei der Thermoregulation spielt, sowie das weiße Fettgewebe. Während das braune
Fettgewebe mit zunehmendem Alter abnimmt und an Bedeutung verliert, steigt die Menge
des im Körper vorhandenen weißen Fettgewebes [10]. Bis vor kurzem wurde die Funktion von weißem Fettgewebe hauptsächlich in einer
passiven Rolle bei der langfristigen Speicherung von überschüssiger Energie in Form
von Triglyceriden gesehen. Diese Triglyceride können bei Bedarf dem Organismus für
die Oxidation wieder zur Verfügung gestellt werden. Weitere Funktionen wurden im Verlauf
für die Wärmeregulation, dem mechanischen Schutz sowie bei inflammatorischen Prozessen
beschrieben. Entzündliche Vorgänge werden hierbei durch Präadipozyten, welche als
„Macrophage-like“ Zellen agieren, vermittelt [11]. Ein entscheidender Wandel in der Betrachtungsweise von weißem Fettgewebe erfolgte
in den neunziger Jahren nach der Entdeckung des „Cytokine-like“ Faktors Leptin als
wichtigem Bestandteil des Fettgewebes [12]. Mit der Entdeckung des Leptins konnte das weiße Fettgewebe erstmalig als ein endokrines
und sezernierendes Organ dargestellt werden, welches entscheidend in die Regulation
des Energiehaushaltes integriert ist. Weitere Einflüsse des Leptins wurden zum Beispiel
auf das Fortpflanzungssystem, das Immunsystem sowie bei der Angiogenese beschrieben
[13]. Neben dem Leptin als Adipozyten-Hormon wurden im Verlauf zahlreiche weitere aus
dem Fettgewebe sezernierte, stoffwechselaktive Produkte, die Adipokine, beschrieben.
Diese Adipokine beeinflussen u. a. den Fettstoffwechsel, die Blutgerinnung, die Blutdruckregulation
sowie den Glucosestoffwechsel und ausschlaggebend die Gefäßneubildung [11]
[14]. Beispiele für solche angiogenetischen Wachstumsfaktoren mit Einfluss auf die Adipogenese
sind Vascular-Endothelial-Growth-Factor (VEGF), Fibroblast-Growth-Factor (FGF), Transforming-Growth-Factor
(TGF) sowie Angiopoietine. Hierbei erfolgt eine parakrine Regulation der Angiogenese
von Fettgewebe durch verschiedene Zellen des Fettgewebes, wie Adipose stromal cells
(ASC), Präadipozyten und Adipozyten sowie Entzündungszellen [15]. Adipose Stroma cells (ASC) sind hierbei multipotente, mesenchymale Vorläuferzellen,
welche ohne weiteres angeregt werden können sich adipogen zu differenzieren. So konnte
erst vor kurzem gezeigt werden, dass ASC’s funktionelle und phänotypische Überschneidungen
mit den Perizyten in der Mikrogefäßstruktur des Fettgewebes haben [16].
Das subkutane weiße Fettgewebe besteht überwiegend aus einer einheitlichen Zellpopulation
von Adipozyten. Daneben konnte in mittels Liposuktion gewonnenem humanem Fettgewebe
eine heterogene Zellpopulation aus Makrophagen, Mastzellen, Fibroblasten und Fibroblasten-ähnlichen
mesenchymalen Vorläuferzellen aufgezeigt werden. Dieser Bestandteil des weißen Fettgewebes,
welcher keine reifen Fettzellen enthält, wird auch als stromale Gefäßfraktion bezeichnet
[17]. Die mechanische Festigkeit von Fettgewebe wird erzielt durch eine Fülle von 3-dimensional
konfigurierten, interzellulären Strukturen, welche aus Kollagen oder Laminin bestehen.
Über spezifische, an der Zellwand exprimierte Zelladhäsionsmoleküle (z. B. Integrine)
werden Zell-Zell Kontakte vermittelt und damit eine sehr hohe interzelluläre Stabilität
erreicht [18]. Eine zentrale Rolle spielen im Aufbau des Gewebes auch Kollagenfibrillen. Diese
sind nicht nur in Abhängigkeit vom Kollagentyp für die Konsistenz und die mechanischen
Eigenschaften verantwortlich, sondern stellen darüber hinaus auch wichtige Zell-Matrix
Verbindungen [19]. Das weiße Fettgewebe wird durch ein reiches kapillares Netzwerk versorgt, wobei
jede Fettzelle in Kontakt mit wenigstens einer Kapillare ist [20].
Adipogenese
Adipoblasten sind die frühesten, unipotenten Vorläuferzellen des Fettgewebes. Adipoblasten
sind kleine epitheloide Zellen mit einem kleinen perinukleären Zytoplasma [21]. Initial besitzen Adipoblasten keine Fettvakuolen bis sie zu Präadipozyten reifen
und sich schließlich zu reifen Fettzellen, den Adipozyten, entwickeln. Vor kurzem
konnten Tang et al. nachweisen, dass periendotheliale Perizyten in der Mikrovaskulatur
des Fettgewebes die Vorläuferzellen der Adipozyten ausmachen und entscheidend für
das Fettgewebewachstum sind. Diese Perizyten sind ähnlich wie glatt-gestreifte Muskelzellen,
welche die Endothelzellen in den Blutgefäßen bedecken. Sie exprimieren zum Beispiel
Präadipozyten-Marker wie das PPAR-ฆ [22]. Während reife Adipozyten ausdifferenziert und nicht mehr in der Lage sind weiter
zu proliferieren, können sich die mesenchymalen Stammzellen und Adipozyten-Vorläuferzellen,
die sogenannten Präadipozyten, weiter teilen und differenzieren – abhängig von der
Stimulation der Mikroumgebung. Die Adipogenese wird durch viele stimulierende und
hemmende Faktoren (exogen und endogen), wie Wachstumsfaktoren und Hormone, beeinflusst
[10]. Hierbei ist die Adipogenese eine Abfolge von genetischen Ereignissen. Proteomstudien
konnten zeigen, dass Veränderungen in der Expression von mehreren 100 Proteinen an
der strukturellen und funktionellen Morphogenese der Adipogenese beteiligt sind. Viele
dieser Veränderungen erfolgen dabei auf der transkriptionalen Stufe mit einer geänderten
Expression von über 2000 Genen [23]. Als Stimulatoren der Differenzierung sind die Mitglieder zweier Familien von Transkriptionsfaktoren,
die CCAAT/vermehrten Bindungsproteine (C/EBP) und die Peroxisom-Proliferations-aktivierten
Rezeptoren (PPAR), bekannt. Der Beginn der Adipogenese geht mit einer Expression von
C/EBP-β einher, welcher die Induktion des Transkriptionsfaktor PPAR-ฆ einleitet. Ebenfalls
notwendig für die Induktion der Adipogenese ist die Expression des Transkriptionsfaktors
C/EBP-α ([Abb. 1]). Ob die Adipozytendifferenzierung initiiert wird, hängt von der Balance der gegensätzlich
wirkenden Stimulations- und Hemmungsfaktoren ab, welche mit den Präadipozyten interagieren.
Adipozyten sezernieren unterschiedliche Faktoren, wie z. B. Leptin, welches als später
Marker der Adipozytendifferenzierung bekannt ist. Diese Wachstums- und Differenzierungssignale
werden durch eine Kaskade von intrazellulären Abläufen angeregt. Insulin-like growth
factor 1 (IGF-1) ist ein essentieller Regulator der Fettzellformation und ist daher
mit Insulin zusammen wichtig für die Adipozytendifferenzierung [24].
Abb. 1 Transkriptionelle Regulation der Adipozytendifferenzierung. Als Stimulatoren der
Differenzierung sind die Mitglieder zweier Familien von Transkriptionsfaktoren, die
CCAAT/vermehrten Bindungsproteine (C/EBP) und die Peroxisom-Proliferations-aktivierten
Rezeptoren (PPAR) bekannt. Der Beginn der Adipogenese geht mit einer Expression von
C/EBP-β einher, welcher die Induktion des Transkriptionsfaktor PPAR-ฆ einleitet. Weiter
ist für die Induktion der Adipogenese die Expression des Transkriptionsfaktors C/EBP-α
notwendig [24].
Angiogenese im Fettgewebe
Angiogenese ist in der Literatur häufig mit der Entstehung von Krankheiten, wie zum
Beispiel Karzinomen, Arthritis und Psoriasis, assoziiert. Die bedeutende Rolle einer
intakten und suffizienten Angiogenese bei der Entstehung und Entwicklung von Gewebe
und insbesondere auch von Fettgewebe eines „gesunden“ Organismus gerät dabei oft in
den Hintergrund [25].
Jede Fettzelle besitzt Kontakt zu mindestens einer Kapillare. Dies verdeutlicht die
relativ hohe Blutperfusionsrate von Fettgewebe im Vergleich zu vielen anderen Organen
[26]
[27]. Die enge und komplexe Querverbindung zwischen der Angiogenese und der Adipogenese
konnte in den letzten Jahren genauer aufgezeigt werden. Dabei ließ sich veranschaulichen,
dass die Angiogenese hauptsächlich aus Migration, Proliferation und Differenzierung
der Endothelzellen besteht, während die Differenzierung der Präadipozyten in reife
Adipozyten mit der nachfolgenden Hypertrophie durch Lipideinlagerung die Adipogenese
ausmachen [28].
Aus Untersuchungen in Embryos ist bekannt, dass sich bei der Bildung von primitiven
Fettorganen das Gefäßbett vor der Adipozytendifferenzierung entwickelt [27]. Das entstehende Gefäßnetzwerk während der embryonale Entwicklung wird durch Vaskulogenese
(de-novo Gefäßbildung aus Angioblasten oder Stammzellen) und Angiogenese (Migration,
Proliferation und Differenzierung von bereits vorhandenen Endothelzellen) gebildet
[29]. Lange Zeit wurde angenommen, dass die postnatale Gefäßneubildung ausschließlich
auf dem Prinzip der Angiogenese beruht: ein Prozess, welcher sehr gut bei der Wundheilung
mit z. B. Verletzung von Fettgewebe durch die Entwicklung von Kapillaren beobachtet
werden konnte. Allerdings war der Ursprung der Endothelzellen und der sich entwickelnden
Kapillaren lange Zeit unklar [30] Neue Erkenntnisse zeigen, dass Endothel-Vorläuferzellen im Embryo, wie auch in ischämischem,
malignem oder entzündetem Gewebe des Erwachsenen, das Gefäßwachstum bestimmen und
sogar therapeutisch für die Stimulation des Gefäßwachstums in ischämischem Gewebe
gebraucht werden können. Dieser Prozess wird u. a. deshalb auch als „therapeutische
Vaskulogenese“ bezeichnet [25]. Es differenzieren dabei Endothel-Vorläuferzellen zu arteriellen und venösen Endothelzellen,
welche wiederum einen einfachen, kapillären Plexus formen. Die werdenden Gefäße bestehen
am Anfang nur aus Endothelzellen. Für die weitere Gefäßreifung wird eine Reihe von
angio- und arteriogenetischen Faktoren benötigt, damit sich die Endothelzellen zusammenziehen
und durch murale Zellen, Perizyten und extrazelluläre Matrix bedeckt werden können.
Die Gefäße können dann ausprossen, werden durch glatte Muskelzellen stabilisiert und
können folgend von ihren Vorläuferzellen ausdifferenzieren [29].
Fettgewebswachstum erfordert einen kontinuierlichen Umbauprozess des kapillaren Gefäßnetzwerkes.
Die Zunahme und das Größenwachstum von Fettgewebe werden durch eine Gefäßneubildung,
sowie durch eine Dilatation und Remodellierung von bereits vorhandenen Kapillaren
bestimmt. Der Neovaskularisation wird dabei eine Rolle bei der Hyperplasie der Adipozyten
zugeschrieben. Für die Hypertrophie der Adipozyten wird die Dilatation und die Remodellierung
der existenten Kapillaren verantwortlich gemacht [21]. Darauf aufbauend konnte Brakenhielm zeigen, dass durch die Blockade der Neovaskularisation
mit dem Angiogenesehemmer TNP-470 die ernährungsbedingte Fettzunahme verhindert wird
[31].
Hämatopoetische Stammzellen wirken direkt und indirekt auf die Angiogenese durch die
Differenzierung in Leukozyten und Thrombozyten ein. Der Blutfluss ist ein entscheidender
Parameter für das Überleben und den Erhalt der Gefäße. So konnten Carmeliet et al.
vor einigen Jahren nachweisen, dass aufgrund insuffizienter angio- und arteriogenetischer
Faktoren oder Anwesenheit von angiogenetischen Hemmstoffen die Endothelzellen unausgekleidet,
durchlässig und fragil bleiben. In Folge dessen kommt es leicht zu einer Ruptur und
Blutung aus dem Gefäß, was wiederum den Blutfluss erheblich reduziert und letztlich
in einer Gefäßregression resultiert [25].
Weitere Argumente für die enge Beziehung zwischen Angiogenese und Adipogenese bzw.
zwischen Endothel- und Fettzellen konnten durch einen Nachweis der Kommunikation dieser
beiden Zelltypen durch parakrine Signalwege, extrazellulärer Matrix und direkte Zell-Zell-Interaktionen
gefunden werden [15]
[26]. Humane Präadipozyten und kapilläre Endothelzellen exprimieren αvβ3-Integrin und Plasminogen-Aktivator-Inhibitor-1, welche die Präadipozytenmigration
zur Entwicklung eines kapillären Netzwerkes steuern, um wiederum die Koordination
der Entwicklung beider Gewebe am selben Platz zu sichern [32]. Seit längerem ist bekannt, dass Vorläuferzellen des Fettgewebes die Wundheilung
unterstützen und ischämisches Gewebe, einschließlich des Myokardgewebes, revaskularisieren
können [33]. Diese Feststellung unterstützt, dass das Fettgewebe angiogenetische Moleküle produziert.
Die Regulation der Angiogenese im Fettgewebe geschieht durch multiple Faktoren. So
bewirken verschiedene Zellpopulationen im Fettgewebe, wie Präadipozyten, Adipozyten,
Fettstromazellen sowie Entzündungszellen, die Produktion von multiplen angiogenetischen
Faktoren (u. a. VEGF). Diese angiogenetischen Faktoren regulieren zusammen mit den
ebenfalls exprimierten Inhibitoren, wie z. B. Endostatin, Thrombospondin 1 (TSP-1),
die Angiogenese im Fettgewebe. Es ergibt sich aus diesem Zusammenspiel verschiedener
Faktoren ein angiogenetischer Synergismus [34]. Angiogenetische Wachstumsfaktoren mit Einfluss auf die Adipogenese besitzen die
Fähigkeit, Neovaskularisation in vivo zu induzieren. Sie können grob in 4 Klassen
aufgeteilt werden: 1. Vascular-endothelial-growth-factor (VEGF), 2. Fibroblast-growth-factor
(FGF), 3. platelet-derived-growth-factors (PDGF) und 4. Transforming-growth-factors
(TGF). VEGF, auch als VEGFA bezeichnet, gehört mit placental-growth-factor (PLGF),
VEGFB, VEGFC und VEGFD zu einer Genfamilie. VEGF ist ein endothelspezifisches Mitogen,
das von speziellen Zellen sezerniert wird (z. B. retinale Zellen, Myokardzellen und
Präadipozyten). Bei der Transkription eines einzigen Gens können 4 Isoformen VEGF
exprimiert werden, wobei VEGF165 am häufigsten vorkommt. Wichtig für die endotheliale Zellproliferation, Zellmigration
und das Überleben der Endothelzellen ist die Interaktion von VEGF mit den Rezeptoren
VEGFR-1 und VEGFR-2. Hausmann et al. beschreiben VEGF als den entscheidenden Faktor
bei der Angiogenese von Fettgewebe, da VEGF die Anordnung unreifer Gefäße initiiert.
In Untersuchungen mit Mäuseembryos konnte gezeigt werden, dass die Ausschaltung eines
einzigen VEGF Allels deren Letalität bedingte [35]. Auf das Gefäßsystem wirken weiter 4 Unterformen der fibroblast growth factors ein:
FGF-1 (acidic oder aFGF), FGF-2 (basic oder bFGF), FGF-4 und FGF-5. Alle zeigen mitogene
Effekte auf Endothelzellen: bFGF stimuliert z. B. die Endothelzellproliferation und
-migration und wird von den Endothelzellen produziert um Perizyten zu rekrutieren
[36]. PDGF ist ein potenter Stimulator für das Wachstum und die Motilität der Fibroblasten
sowie der glatten Muskelzellen; er wirkt weiter auch auf Endothelzellen und Neurone
ein. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Abwesenheit von PDGF-B zu Hämorrhagien
führt bedingt durch die verminderte, stabilisierende Umhüllung von Gefäßen mit Perizyten
[37]. TGF und seine Rezeptoren sind wichtige Regulatoren der Endothelzellproliferation
sowie notwendig bei der Etablierung und Beständigkeit der Gefäßintegrität. Der Effekt
von TGF auf die Angiogenese beruht am ehesten auf der Rekrutierung von Makrophagen
und Fibroblasten, die angiogenetische Faktoren sezernieren. TGF fungiert wahrscheinlich
weiterhin als Stabilisator neu geformter Gefäße durch Rekrutierung von glatten Muskelzellen
und Perizyten sowie durch Förderung ihrer Proliferation. TGF induziert eine PDGF-Expression
durch Endothelzellen sowie VEGF und bFGF-Expression in glatten Muskelzellen [25]. Es werden in wachsendem Fettgewebe jedoch auch hohe Mengen an Angiogeneseinhibitoren,
v. a. Thrombospondin 1 (TSP-1) und Endostatin, produziert. Dabei wird angenommen,
dass diese Inhibitoren erforderlich sind, nachdem sich das neu-entstandene Fettgewebe
stabilisiert hat, um ein weiteres Gefäßwachstum zu begrenzen. Entsprechend findet
sich auch eine Verminderung der TSP-1-Expression in Präadipozyten und eine erhöhte
TSP-1-Expression in differenzierten Adipozyten [15]. Eine entscheidende Rolle bei der vaskulären Umbildung vermittelt durch verminderte
Expression in wachsendem Fettgewebe spielen Angiopoietine. Soweit bekannt existieren
5 Angiopoetinproteine: Ang-1, -2, -3, -4 und -5. Angiopoietin-1 wird dabei von periendothelialen
Zellen exprimiert, während die anderen Angiopoietine z. B. von Zellen der umbilikalen
Venen oder fetalen Alveolarzellen exprimiert werden. Ang-1 initiiert und stabilisiert
mittels TIE-2-Rezeptoren das Gefäßwachstum. Eine geringere Menge von Ang-1 erlaubt
den wandständigen Zellen, darunter den Perizyten und den glatten Gefäßmuskelzellen,
sich von dem Blutgefäß zu lösen, um dadurch eine erhöhte Exposition und Sensitivität
von Endothelzellen für andere Angiogenesefaktoren wie VEGF zu schaffen [38]. Gewebehypoxie kann ebenfalls zu einer vermehrten Expression von VEGF und Leptin
führen. Matrixmetalloproteinasen (MMP) aus dem Fettgewebe bewirken eine erhöhte Bioverfügbarkeit
von angiogenetischen Faktoren durch die Freisetzung von Matrix-gebundenem VEGF [26]. Die Ergebnisse veranschaulichen, dass diese Faktoren, vermittelt durch die Regulation
der Angiogenese, auch einen wichtigen Einfluss auf die Adipogenese haben ([Abb. 2]).
Abb. 2 Direkte und Indirekte Regulation der Angiogenese durch Präadipozyten/Adipozyten,
Fettstromazellen und Entzündungszellen. Im Zentrum VEGF-A als der entscheidene Faktor
der Angiogenese induziert durch Zellen des Fettgewebes [15].
Tissue Engineering von Fettgewebe
Das fortschrittliche Verfahren des Tissue Engineering beruht darauf, lebende Zellen
eines Organismus als 3-dimensionales Gewebekonstrukt zu kultivieren. In den letzten
Jahren konnten im Bereich des Tissue Engineerings grundlegende Erkenntnisse hinzu
gewonnen werden und im Hinblick auf Gewebezüchtung mit der Möglichkeit der Weichteilrekonstruktionen
eröffnen sich dabei wichtige Lösungsansätze. Die Chance der de-novo Produktion von
ausreichend vaskularisiertem, reifem, autologem Fettgewebe als Alternative zu Implantaten
und komplizierten Gewebetransfers stellt einen solchen Ansatz dar [9]. Die vaskuläre Versorgung wird als der entscheidende Aspekt angesehen, welcher die
Größe, Aufrechterhaltung und Qualität eines durch Tissue Engineering generierten Konstruktes
limitiert. Die bisher erfolgreich hergestellten Tissue Engineering Produkte umfassen
vornehmlich dünne Gewebestrukturen wie künstlich gezüchtete Haut, Herzklappen und
großlumige Gefäße, welche bis zur Revaskularisierung durch die Empfängerstelle mittels
Diffusion überleben können. Aktuell existiert kein klinisch anwendbares „tissue engineered“
Konstrukt mit einer eigenständigen, intrinsischen Vaskularisierung und der Möglichkeit
eines direkten Gefäßanschlusses an ein extrinsisches Empfängergefäß. Bei der Herstellung
großer Gewebevolumina bereitet sowohl die Notwendigkeit einer makroskopischen Zirkulation,
als auch der Bedarf eines mikrovaskulären Netzwerkes weiterhin Schwierigkeiten. So
zeigen sich Fettzellen mit mehr als 200 µm Entfernung von einem Blutgefäß aufgrund
ihrer eingeschränkten Versorgung durch Diffusion nekrotisch oder metabolisch untätig
[8]. Transplantierbare Gewebekonstrukte mit Eignung für die rekonstruktive Chirurgie
besitzen ein zu großes Volumen um ausreichende Oxygenierung und Ernährung allein durch
Diffusion zu bewerkstelligen. Kürzlich durchgeführte Untersuchungen in Tiermodellen
beschreiben Versuche mit einer intrinsischen Blutversorgung ebenso wie mit entsprechender
Veränderung der Mikroumgebung. Allerdings wurden die Stadien einer klinischen Anwendbarkeit
bisher noch nicht erreicht [27]
[39]
[40].
Etliche bisherige Untersuchungen verdeutlichen die komplexe Verbindung zwischen der
Entstehung von Fettgewebe und der Angiogenese. Aus diesem Grund sollten beide Prozesse
bei der Gewebezüchtung von klinisch größenrelevantem Fettgewebe beachtet werden [27]
[39]
[40]. Die Generierung von vaskularisiertem Gewebe mit klinisch relevanter Größe erfordert
eine Quelle (intrinsische Blutgefäße) und eine vordefinierte Struktur (Matrix) mit
Durchlässigkeit für Nährstoffe. Diese Matrix stellt letztlich auch ein Sammelbecken
von Wachstumsfaktoren dar, welche für die Angioinduktion verantwortlich gemacht werden.
Vor kurzem wurde die Implantation von Gefäßschleifen in Wachstumskammern in situ untersucht.
Die Blutversorgung und Gefäßneubildung wird hier von Beginn an beibehalten und es
ergibt sich eine gute Möglichkeit für die Produktion größerer Gewebevolumina [39]
[41]. Die Entstehung eines neugewachsenen Gewebekonstruktes, welches auf der Verwendung
einer Gefäßschleife basiert, wurde von Mian beschrieben [42]. Es glückte der Versuch, spontan und im Tiermodell, Lappen aus unspezifischem Granulationsgewebe
heranzüchten, indem eine arteriovenöse Gefäßschleife (AV-Shunt) gemeinsam mit einer
Kollagenmatrix einem Kammermodell zugeführt wurde. Tanaka et al. untersuchten neben
dem AV-Shunt die Formierung eines arteriovenösen Gefäßbündels im Hinblick auf eine
Gefäßneubildung und erreichbare Gewebevolumen in einem Kammermodell. Sie beschrieben
eine maximale Gewebeproduktion im AV-Shunt-Modell. Jedoch implementierten die Ergebnisse
auch, dass das arterio-venöse Gefäßbündel als Gefäßstiel für klinische Zwecke besser
geeignet ist. Es zeigte sich weiter, dass eine proangiogenetische Kommunikation mit
der Umgebung durch Perforationen in der Kammerwand positiv auf das Gewebewachstum
wirkt [41]. Für die Entstehung von großvolumigen 3-dimensionalen vaskularisierten Gewebekonstrukten
sind Baugerüste (Scaffolds) von zusätzlicher Wichtigkeit. Diese Baugerüste sollen
das wachsende Gewebe stabilisieren und ihm eine 3-dimensionale Form vorgeben. Auch
sollen die Scaffolds eine stärkere Proliferation von Adipozyten und Endothelzellen
ermöglichen [43]. Die vermehrte Expression von Rezeptoren sowie unterschiedlicher Wachstumsfaktoren
(z. B. FGF-2, VEGF) im Kammermodell bedingen eine Zunahme des Gewebewachstums und
der Angiogenese [34]. Neben dem Einfluss verwendeter Biomaterialien auf die Neovaskularisation konnten
in vorangegangenen Untersuchungen die hypoxischen Bedingungen in der Kammer als entscheidende
und steuernde Faktoren identifiziert werden [44]. Trotz der Abwesenheit einer extrazellulären Matrix wird in den meisten Verfahren
des Tissue Engineerings entweder eine synthetische oder biologische Matrix zur Unterstützung
und Beschleunigung des Gewebwachstums herangezogen. In diesen Fällen tritt Fibrin
in die Kammer ein und stellt ein Gerüst für die folgende Gefäß- und Gewebeneubildung
bereit. Eine Alternative zum AV-Shunt ist der ligierte Gefäßstiel. Die spontane Bildung
von Anastomosen zwischen benachbarter Arterie und Vene innerhalb weniger Tage sowie
die Etablierung eines konstanten Blutflusses hierüber konnten bereits aufgezeigt werden.
Es konnte nachgewiesen werden, dass unter Anwendung eines ligierten Gefäßstiels sowohl
mehr organisiertes Gewebe als auch eine größere Dichte an gebildeten Kapillargefäße
des gezüchteten Konstruktes auftraten [41]. Aktuelle Untersuchungen zu Generierung von 3-dimensionalem, größenkonstantem Fettgewebe
mittels Tissue engineering zeigen, dass in geschlossenen Wachstumskammern unter der
Verwendung von AV-Shunts ein größeres Volumen vaskularisierten Gewebes entsteht als
bei ligiertem Gefäßstiel. Der höhere Durchflussdruck innerhalb des Venentransplantates
und der Vene selbst könnte eine stärkere Extravasation des Fibrins als bei den ligierten
Gefäßstielen bewirken [45]. Es wird daher postuliert, dass die erhöhte Fibrinmenge zu einer gesteigerten Vaskularisation
und damit zu einem stärkerem Gewebewachstum führt. Allerdings zeigte sich das Gewebe,
welches mit ligiertem Gefäßstiel generiert wurde, im Vergleich zu dem Gewebe, welches
durch einen arterio-venösen Shunt ernährt wurde, besser organisiert, weniger gereift
und durch eine höhere Dichte an neu gebildeten Kapillargefäßen gekennzeichnet [41]. In folgenden Untersuchungen mit perforierter Wachstumskammer zeigte sich bei ligiertem
Gefäßstiel mehr Gewebsbildung als bei der Verwendung von AV-Shunts. Bereits zuvor
hatte sich ein Volumenvorteil des Gewebes zugunsten der mit Perforationen durchsetzten
Kammern gezeigt, welcher auf das gesteigerte Einsprießen von Gefäßen zurückgeführt
wurde [46]. Ebenso scheint der durch die Perforationen ermöglichte Fibrineinfluss von Bedeutung
zu sein. Diese Beobachtung unterstreicht die Wichtigkeit der Fibrinablagerung als
Wegbereiter für die Gefäßaussprossung im Rahmen der Neovaskularisation [47]. In dem Modell der perforierten Wachstumskammer mit ligiertem Gefäßstiel findet
eine zunehmende Angiogenese auch außerhalb der Kammer statt. Mithilfe der Perforationen
kommt es schließlich zu einem vermehrten Einwachsen von angiogenetischen Zellen in
die Kammer und zur Stimulation der in der Kammer vorhanden Zellen. Die Perforationen
ermöglichen demnach offensichtlich ein sehr viel schnelleres Einwachsen und Auffüllen
des Kammervolumens mit angiofibrotischem Gewebe. Das Vorhandensein und schnelle Einwachsen
einer proangiogenetischen Matrix sowie eine Veränderung der Scherkräfte bedingten
einen positiven Einfluss dieses Kammermodells auf die Angiogense. Auch findet eine
viel schnellere Remodellierung in den perforierten Kammern mit ligiertem Gefäßstiel
statt, was die Gefäßdichte und Reifung beeinflusst. Allerdings scheint die Hypoxie
die entscheidende Rolle bei dem Gewebewachstum zu spielen. Auf das Kammermodell bezogen
bedingt a. e. die Isolation innerhalb der Kammer eine hypoxische Umgebung, in welcher
die proliferierenden Zellen, einschließlich Endothelzellen, Perizyten und myofibroblastische
Zellen, in großer Anzahl schon innerhalb der ersten Woche beobachtet werden können.
Dies legt eine Stimulation von zellulärer und angiogenetischer Proliferation induziert
durch Hypoxie nahe [47]. Die Ergebnisse in der Kombination eines ligierten Gefäßstiels mit einer perforierten
Wachstumskammer lassen ein großes Potenzial für die Neovaskularisation und das Gewebewachstum
erkennen. Vor kurzem veröffentlichte Untersuchungen unter Verwendung eines Gefäßstiel
mit adhärentem vaskularisierten Fettgewebe in Kombination mit einer perforierten Wachstumskammer
verdeutlichen, dass es möglich ist, auf diese Weise größere Mengen stabiles, transplantierbares
Fettgewebe zu generieren [48]. Das Gewebewachstum erfolgt entlang eines vorbestehenden Gefäßstiels, der selbst
expandiert, die proliferierenden Adipozyten ernährt sowie gleichzeitig eine Transplantation
des Konstruktes an entfernte Körperstellen erlaubt. Die Kammer fungiert als inkompressibler
Schutzraum und ermöglicht die Ausbildung eines vom umliegenden Gewebe weitgehend separierten
Milieus [47].
Langzeitstabilität und Volumenkonstanz von durch Tissue-engineering de-novo generiertem
Fettgewebe
Das durch das Tissue-engineering erzielte, vermehrte Fettgewebswachstum ist hauptsächlich
auf eine Steigerung der Angiogenese zurückzuführen ([Abb. 3]). Dies ist entscheidend für die Generierung von klinisch relevanten Mengen an Fettgewebe
sowie für dessen Langzeitstabilität. In entsprechenden Untersuchungen konnte die zeitliche
Stabilität der durch Tissue-engineering mittels ligierten Gefäßstiels und perforierten
Wachstumskammer gewonnenen Fettgewebskonstrukte auch nach Transplantation bewiesen
werden. Jüngst konnte ebenfalls aufgezeigt werden, dass die Stabilität und die Form
über einen größeren Zeitraum auch außerhalb der Kammer intakt ist. Ein andauerndes,
vermehrtes Fettgewebswachstum nach Entfernung der Wachstumskammer konnte nicht mehr
gesehen werden [49]. Vorangegangene Analysen von Walton et al. untersuchten Fettgewebskonstrukte in
einem Modell mit dem Wachstumsfaktor bFGF und Matrigel. Allerdings ist Matrigel ein
potentielles Malignitätskriterium und es konnten keine Aussagen im Hinblick auf die
Transplantation und Stabilität des Gewebeverbandes nach Entfernung aus den umhüllenden
Silikonschichten getroffen werden [40]. Die Forschungsarbeiten mit ligiertem Gefäßstiel und perforierter Wachstumskammer
verdeutlichen, dass große Volumina reifen Fettgewebes in vivo generiert werden können,
welche auf einem intrinsischen Gefäßstiel basieren [50]. Bisher sind keine weiteren Wachstumskammermodelle bekannt, in welchen klinisch
relevante Volumina an vaskularisiertem und transplantablem Fettgewebe gezüchtet werden
konnten. Limitationen und Einschränkungen ergeben sich allerdings aus der Größe der
Kammer und den verwendeten Biomaterialen.
Abb. 3 De-novo erzeugtes Fettgewebe der Ratte mithilfe einer perforierten Wachstumskammer
a–c und ohne Wachstumskammer d–f, mit immunhistochemischem Nachweis einer vermehrten Angiogenese innerhalb des Fettgewebes
unter Verwendung einer Wachstumskammer. a und d: Nachweis des für glatte Gefäßmuskelzellen charakteristischen α-Aktins, b und e: des für Endothelzellen charakteristischen Oberflächenmarkers PECAM-1 (CD31) sowie
c und f: des von Endothelzellen gebildeten von Willebrand Faktors (vWF) (mit freundlicher
Genehmigung Dolderer et al., unveröffentlichte Ergebnisse).
Die Angiogenese ist dementsprechend ein wichtiger Bestandteil des Tissue-engineering
von Fettgewebe und kann die Züchtung von Fettgewebe auch ohne Einsatz exogener angiogenetischer
und adipogenetischer Wachstumsfaktoren steigern. Zukünftig sollte die therapeutische
Einflussnahme bei der Angiogenese auf zell-basierten Ansätzen wie Isolierung, Differenzierung
und Expandierung ausgewählter und adäquater Vorläuferzellen oder Stammzellpopulation
zur Gefäßformation und -reifung beruhen sowie auf Verwendung der Zusammenhänge bekannter
molekularbiologischer Regelkreise für die Stimulation der Angiogenese und damit auch
der Adipogenese. Die Zugabe von angiogenetischen Stimulatoren und Hemmstoffen, welche
nötig sind um reife Gefäße zu formen, sollte auf ein Minimum beschränkt werden. Aufgrund
der Ähnlichkeit zu den Präparationen der bislang am Menschen durchgeführten Lappenplastiken
ist die klinische Eignung der „de-novo“ Fettgewebszüchtung unter Verwendung eines
ligierten Gefäßstiels und einer perforierten Wachstumskammer gut denkbar. Da keine
ex-vivo Zellen eingebracht werden, ist ein klinischer Einsatz durch das Medizinproduktegesetzt
klar geregelt und mit der Möglichkeit der de-novo Generierung größerer Volumina an
vaskularisiertem Fettgewebe sowie nach Erhalt entsprechender Langzeitergebnisse ist
ein klinischer Einsatz in etwa 3 Jahren vorstellbar. Entsprechend könnten in Zukunft
körpereigene Fettgewebslappen bei der Wiederherstellung von Weichteildefekten, wie
z. B. nach schweren Unfallverletzungen, ausgedehnten Infektionen und Tumoroperationen
oder bei Brustrekonstruktionen ohne künstliche Implantate eingesetzt werden. Weiter
stellt diese Methodik des Tissue-engineerings eine minimal-invasive Technik bei der
Produktion von vaskularisierten und größenkonstanten Fettgewebskonstrukten dar. Insgesamt
ist dies unserer Meinung nach eine Bereicherung für die Regenerative Medizin und die
Rekonstruktive Chirurgie: insbesondere für die Generierung eines autologen Weichteilersatzes.