Verbesserte Knochenneubildung durch ein Bioglas-Polymer besiedelt mit osteogen vordifferenzierten stromalen Knochenmarkzellen und frühen endothelialen Vorläuferzellen im critical size Schädelkalottendefektmodell der Ratte
Henrich D, Eldesoqi K, Nau C, Marzi I, Seebach C
Fragestellung: Komposite aus Bioglas (BG) und polylaktischer Säure (PLA) sind vielversprechende Materialien für das Knochen-Tissue Engineering. Gleichfalls ist bekannt, dass stromale Knochenmarkzellen (MSC) und frühe endotheliale Vorläuferzellen (EPC) in Kombination mit Knochenersatzmaterialien die Knochenneubildung signifikant verbessern und das osteogen vordifferenzierte MSC zu einer verbesserten Knochenneubildung führen können. Jedoch ist nur wenig bekannt, ob MSC und EPC auf derartigen Kompositmaterialien adhärieren und in vivo die Knochenneubildung unterstützen. Daher untersuchten wir in der vorliegenden Studie die Adhäsion von MSC, osteogen differenzierten MSC (dMSC) und EPC auf Kompositen mit steigendem BG-Gehalt (Korngröße 106-125 µm) in vitro sowie den Effekt auf die Knochenneubildung im Schädelkalottendefektmodell der Ratte in vivo.
Methodik: Die Studie wurde durch die lokale Tierversuchskommission genehmigt. MSC wurden aus Rattenfemur, EPC aus Rattenmilzen isoliert und nach Standardprotokollen kultiviert. Osteogene Differenzierung erfolgte über 3 Wochen nach Standardprotokollen. MSC+EPC, bzw. dMSC+EPC wurden auf PLA, PLA+20%BG (BG20), sowie PLA+40%BG (BG40) ausgesät. Adhäsion (2 h nach Aussaat) sowie Vitalität (24h nach Aussaat) wurden semiquantitativ fluoreszenzmikroskopisch evaluiert. Gleiche Ansätze wurden in ein Schädelkalottendefektmodell an männlichen SD-Ratten (6 mm Durchmesser, n=8-10/Gruppe) implantiert. Nach 14 Wochen wurden die Schädel histologisch aufgearbeitet. Evaluation der Knochenneubildung erfolgte histomorphometrisch an HE-gefärbten Schnittpräparaten (% Knochengewebe). Statistik: ANOVA + posthoc-Analyse, Bonferroni-korrigiertes p<0.05 ist signifikant.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: In vitro: Es bestanden keine signifikanten Unterschiede bezüglich der Adhäsion und Vitalität von MSC, dMSC und EPC zwischen den Testmaterialien. In vivo: Weder Infektion noch verzögerte Wundheilung wurden beobachtet. Im Vergleich zum leeren Defekt (11%) war die Knochenneubildung bei Verwendung von PLA (24%) und BG20 (30%) im Trend, gegenüber BG40 signifikant erhöht (39%). Bei Verwendung osteogen vordifferenzierter MSC konnte eine weitere Steigerung der Knochenneubildung verzeichnet werden (PLA:34%, BG20:42%, BG40:49%). Insbesondere in der BG40-Gruppe konnte häufig eine durchgehende knöchernde Durchbauung des Defekts beobachtet werden.
Es konnte gezeigt werden, dass Komposite aus Bioglas für die aufgebrachten Zellen verträglich sind, dass die Knochenneubildung mit steigendem BG-Anteil zunimmt und dass eine osteogene Vordifferenzierung der MSC die Knochenneubildung über den Bioglaseffekt hinaus weiter befördern kann. Frühere Analysen zeigten, dass insbesonders aus dem Bioglasanteil freigesetzte Calcium-Ionen zellprotektive Effekte auf EPC ausüben (eigene Daten) sowie die osteogene Kapazität von MSC verbessern. Es ist daher zu vermuten, dass dieser Effekt zu der verbesserten Knochenneubildung bei Verwendung von BG40 beigetragen hat.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocGR13-679
doi: 10.3205/14dkou484, urn:nbn:de:0183-14dkou4845
Published: October 13, 2014
© 2014 Henrich et al.
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