Stimulation der Knochenheilung durch eine zeitlich verzögerte Freisetzung von Bone-morphogenetic-protein-2 (BMP-2) aus einer Implantatbeschichtung
Faßbender M, Strobel C, Minkwitz S, Schmidmaier G, Wildemann B
Fragestellung: Die Frakturheilung ist durch eine zeitlich koordinierte Zellaktivität gekennzeichnet und BMP-2 stellt einen der wichtigsten regulierenden Faktoren dar. Die BMP-2 Expression im Heilungsverlauf wird früh induziert, allerdings erfolgt eine weitere Erhöhung während der späteren Osteogenese. Es gibt Hinweise, dass eine spätere Applikation effektiver für die Stimulation der Heilung sein kann. In dieser Studie wurde der Effekt der verzögerten BMP-2 Gabe aus einer Implantat-Beschichtung im Modell mit beeinträchtigter Knochenheilung [1] untersucht.
Methodik: Titan-Kirschner-Drähte wurden mit Poly(D,L-Laktid) (PDLLA) sowie BMP-2 (2.5% w/w in PDLLA) beschichtet. Die in-vitro Elution zeigte eine langsam ansteigende Freisetzung des inkorporierten BMP-2 bis Tag 35. Bei Ratten wurde die Tibia osteotomiert und mit PDLLA- (Kontrolle) oder mit PDLLA/BMP-2-beschichteten Drähten stabilisiert. Die Heilung wurde computertomographisch, histologisch und biomechanisch verfolgt (Tag 10, 28, 42 und 84 post-operativ; n=4-9 Tiere je Gruppe/Methode/Zeitpunkt). Statistik: Mann-Whitney Test.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Computertomographie zeigte eine gesteigerte Bildung von mineralisiertem Kallus sowie ein beschleunigtes Remodelling in der BMP-2 Gruppe mit einem signifikanten erhöhten Verhältnis Knochen-/Gesamtkallus-Volumen (p=0,02) am Tag 42. Histologisch war am Tag 10 die Kallusfläche beider Gruppen identisch; allerdings zeigte sich eine Gefäßreduktion (p=0,004) in der BMP-2 Gruppe. Die histologische Auswertung an den Tagen 28 – 84 ergab keine Unterschiede in der Kallusgröße jedoch eine in der BMP-2 Gruppe signifikant erhöhte Mineralisierung am Tag 42 und 84 (p=0,04). Die biomechanische Steifigkeit der osteotomierten Tibia war im Vergleich zu intakten Seite in der BMP-2 Gruppe zu allen Zeitpunkten gegenüber der Kontrolle erhöht mit signifikanten Unterschieden am Tag 42 (p=0,05).
Zusammenfassend zeigte sich ein verbesserter Heilungsverlaufes bei verzögerter BMP-2 Applikation gegenüber der Kontrolle. In einer früheren Studie war eine Beschichtung gewählt worden, die ca. 50% des Wachstumsfaktors innerhalb der ersten 48 h freisetzt [2]. Die Gefäßdichte war dort gegenüber der Kontrolle ebenfalls reduziert, allerdings im Vergleich zur aktuellen Studie noch deutlich erhöht. Bei initialer BMP-2 Freisetzung zeigten sich signifikante Unterschiede in der Mineralisation am Tag 42 sowie in der Steifigkeit bereits am Tag 28 und 42 im Vergleich zur Kontrolle. Auch wenn die verzögerte Freisetzung bezüglich des letztendlichen Heilungserfolges keine Überlegenheit ergibt, kann vermutet werden, dass die zeitliche Änderung des Auftretens signifikanter Unterschiede die verzögerte Freigabe widerspiegelt. Insofern kann diese Studie als Basis zur Adaptierung von Freisetzungsmustern entsprechend der physiologischen Sensitivität von Zellen und Geweben dienen.
Literatur
1. Kratzel C, Bergmann C, Duda G, Greiner S, Schmidmaier G, Wildemann B. Characterization of a rat osteotomy model with impaired healing. BMC Musculoskelet Disord. 2008;9:135. DOI: 10.1186/1471-2474-9-135 External link
2. Wildemann B, Lange K, Strobel C, Fassbender M, Willie B, Schmidmaier G. Local BMP-2 application can rescue the delayed osteotomy healing in a rat model. Injury. 2011 Aug;42(8):746-52. DOI: 10.1016/j.injury.2010.11.012
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocGR12-368
doi: 10.3205/14dkou476, urn:nbn:de:0183-14dkou4761
Published: October 13, 2014
© 2014 Faßbender et al.
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