¹Universitätsmedizin Göttingen, Klinik für Unfallchirurgie, Orthopädie und Plastische Chirurgie, Göttingen, Deutschland
²Universität Duisburg-Essen, Anorganische Chemie, Essen, Deutschland
³Universitätsmedizin Göttingen, Institut für Anatomie und Zellbiologie, Göttingen, Deutschland

Text

Zielsetzung und Fragestellung: Die Entwicklung eines biologisch abbaubaren und biokompatiblen Knochenadhäsivs hat das Potenzial, die Frakturbehandlung zu revolutionieren, indem die Notwendigkeit einer zweiten Operation zur Entfernung von Implantaten entfällt, was die Risiken für den Patienten sowie die Genesungszeit reduziert. Allerdings ist ein kommerziell verfügbares Knochenadhäsiv derzeit nicht verfügbar.

Funktionalisierte Calciumphosphat (CaP)-Nanopartikel stellen eine vielversprechende Plattform für die Entwicklung eines solchen Knochenadhäsivs dar. In dieser Studie haben wir die Wirksamkeit eines experimentellen CaP-Nanopartikel-basierten Hydrogels auf Knochenheilungsprozesse in vitro, in ovo und in vivo untersucht.

Material und Methoden: Das CaP-Hydrogel wurde durch Kombination von gefriergetrocknetem Calciumphosphat-Carboxymethylcellulose-Silikaten (CaP/CMC/SiO2) mit einer 2%igen wässrigen Alginat-Lösung in einem Massenverhältnis von 3,6:1 formuliert. CaP-Scheiben wurden aus CaP/CMC/SiO2 hergestellt. Der Effekt des CaP-Hydrogels auf die Differenzierung von Osteoklasten und Osteoblasten wurde durch Differenzierung von PBMCs in Osteoklasten und SCP1-Zellen in Osteoblasten auf CaP untersucht. TRAP- und DAPI-Färbung wurden verwendet, um die Osteoklasten-Differenzierung zu bestätigen, während Sirius-Red-Färbung die Kollagen-Deposition von Osteoblasten zeigte.

Um den Effekt des CaP-Hydrogels auf die Knochenheilung zu bewerten, wurden Femora von 11 Tage alten Hühnchenembryonen osteotomiert und mit CaP-Proben behandelt. Nach 10 Tagen Kultur wurden die Knochen mit einem hochauflösenden CT bei einer isotropen Auflösung von 6,8 µm gescannt und mit osteotomierten Femora verglichen.

In unserem neu entwickelten Tiermodell wurden die Femora von 3-monatigen Ratten unilateral osteotomiert und mit intramedullären Nägeln stabilisiert. Der Frakturspalt wurde mit CaP-Hydrogel fixiert oder unbehandelt gelassen. Wöchentliche in vivo-CT-Messungen überwachten die Knochenheilung. Nach 12 Wochen wurden die Femora entnommen und die biomechanischen und histologischen Eigenschaften bestimmt.

Ergebnisse: Die Sirius-Red-Färbung zeigte eine vergleichbare Kollagen-Deposition auf der CaP-Oberfläche (55 ± 16%) und der Kontroll-Oberfläche (38 ± 8%, unpaired t-Test: p > 0,05). Mithilfe einer TRAP-Färbung konnten mehrkernige, TRAP-positive Zellen auf der CaP-Oberfläche nachgewiesen werden. Die Analyse von Mikro-CT-Scans von embryonalen Femora zeigte eine erhöhte Knochenmasse und eine gestiegene Corticalis-Dicke in behandelten Femora im Vergleich zur unbehandelten Kontrollgruppe. In vivo-CTs von Ratten-Femora zeigten eine wöchentliche Zunahme der Knochenmasse an der Fraktur-Oberfläche ohne Unterschied zwischen den Gruppen (unpaired t-Test: p > 0,05). Biomechanische Tests der Ratten-Femora zeigten eine vergleichbare Knochenfestigkeit (unpaired t-Test: p > 0,05).

Diskussion und Schlussfolgerung: Die in-vitro Ergebnisse zeigen, dass Knochenzellen in Anwesenheit des neu entwickelten CaP/CMC/SiO2-Hydrogels funktionell aktiv sind. In-ovo Analysen deuten darauf hin, dass das CaP/CMC/SiO2-Hydrogel einen positiven Einfluss auf einzelne Aspekte der Knochenheilung ausüben kann. Dieser Effekt reicht allerdings in unserem in-vivo Ratten-Modell noch nicht aus, um den Heilungsprozess messbar zu beschleunigen, so daß eine Weiterentwicklung nötig ist.