Einfluss von Bortezomib in Xerogel-Biomaterialien auf die Knochenbildung und Knochenresorption im Tiermodell

Abstract

Die Versorgung von Knochensubstanzdefekten und komplexen Frakturen mit Knochenersatzmaterialien zur Defektauffüllung stellt in der Orthopädie und der Unfallchirurgie eine häufige Herausforderung dar. Innovative Biomaterialien spielen hier eine immer größere Rolle, da herkömmliche Materialien relevante Nachteile aufweisen. Das Kompositmaterial Silikat/Kollagen-Xerogel ist ein vielversprechendes neuartiges Material, dessen Biokompatibilität bisher noch nicht in vivo getestet wurde. Bei malignen Neoplasien wie dem Multiplen Myelom kommt es durch Osteolysen zu eben jenen beschriebenen komplexen Knochensubstanzdefekten. Im Zuge dieser Arbeit konnte durch die Verwendung von Xerogel-Granulat als Trägersubstanz für den Proteasomeninhibitor Bortezomib eine lokale Wirkung des Bortezomibs erzielt werden. Neben einer Defektauffüllung ermöglicht dies auch eine lokale Therapie des Multiplen Myeloms. Zur Durchführung dieser experimentellen Arbeit wurde ein Tiermodell mit Ratten ausgewählt, da eine in vivo Testung der verwendeten Implantate nötig ist, um mit dem menschlichen Organismus vergleichbare Bedingungen zu erreichen und so die Verträglichkeit sowie die Wirkung auf den Knochenstoffwechsel adäquat beurteilen zu können. Nagetiere eignen sich für die Untersuchung von Knochenumbauprozessen.Die Implantation des Xerogel-Granulats mit beigefügtem Bortezomib in definierter Konzentration erfolgte in einen standardisierten Bohrlochdefekt im Bereich der Metaphyse des lateralen Femurkondylus von 2,5 mm Durchmesser und 4 mm Tiefe bei 24 weiblichen 120 Tage alten Ratten. Acht weitere Ratten erhielten das Xerogel-Granulat Implantat ohne zusätzlich beigefügtes Bortezomib, während abermalig acht Ratten mit je einem Leerdefekt als Negativkontrolle fungierten (insgesamt n=40).Alle Tiere wurden 30 Tage nach Setzten des Knochendefekts in CO2-Narkose getötet und die operierten Femora wurden zur weiteren Untersuchung entnommen. Es erfolgte die histologische, immunhistochemische und histomorphometrische Darstellung der Knochenheilung.Die enzymhistologischen, immunhistologischen und histomorphometrischen Untersuchungen zeigten erstmals, dass die lokale Bortezomibapplikation in geringer Wirkstoffkonzentration die Knochenbildung förderte. Die Osteoblastenaktivität und Osteoblastendifferenzierung erwies sich bei diesen Tieren signifikant erhöht, während keine relevanten Unterschiede in Bezug auf die Osteoklastenanzahl ermittelt wurden.Eine lokale Bortezomibapplikation in hohen Dosen führte hingegen über eine niedrige Osteoblastenaktivität zu einer verringerten Knochenbildungsrate. Bei dieser Implantatgruppe präsentierte sich im ehemaligen Defektbereich ein Granulationsgewebe, das sich in den umliegenden Lagerknochen ausbreitete. Dies spricht für eine gewebsschädigende Wirkung des lokal applizierten Bortezomibs in hohen Dosen.Es konnte ebenfalls nachgewiesen werden, dass sich das Silikat/Kollagen-Xerogel ohne zusätzliche Bortezomibapplikation positiv auf den Knochenstoffwechsel auswirkte, indem es die Knochenbildung, die Osteoblastogenese und die Osteoblastenaktivität stimulierte.Es wird aufgrund der hier erzielten Ergebnisse empfohlen, die Wirkung des lokal applizierten Bortezomibs bei mit Multiplen Myelom erkrankten Organismen zu testen. Die optimale Wirkstoffkonzentration von Bortezomib sollte zudem in einer weiteren experimentellen Untersuchung ermittelt werden. The treatment of bone defects and complex fractures with biomaterials is a major challenge in orthopedic surgery. Innovative biomaterials play an increasing role, since conventional materials have shown relevant disadvantages. The composite material silica/collagen xerogel is a promising novel material, nevertheless its biocompatibility has not been tested in vivo, yet.Malignant neoplasms such as multiple myeloma with subsequent osteolyses and fractures result in complex bone substance defects. The aim of this study was to evaluate the use of silica/collagen xerogel as a carrier substance for the proteasome inhibitor bortezomib in order to achieve a local therapy of the multiple myeloma with bortezomib. Furthermore, this work tested the role of a locally applied proteasome inhibitor bortezomib in bone healing.The implantation of silica/collagen xerogel with different concentrations of bortezomib (subgroup 3: 100µg/g bortezomib; subgroup 4: 500µg/g bortezomib; subgroup 5: 2500µg/g bortezomib)was implanted in a standardized drilled hole defect (2.5 mm in diameter and 4 mm in depth )in the metaphysis of the lateral femoral condyle of 24 female healthy Sprague Dawley rats (4 months old). Eight rats were implanted with plain xerogel granulate implant without bortezomib which served as the control and eight rats without any material (empty defect) served as a negative control. 30 days after the surgery all animals were euthanized and the operated femora were harvested for further investigations. Histological, immunohistochemical and histomorphometric analysis were carried out to determine bone healing.The study revealed that locally applied bortezomib in low drug concentration stimulates bone healing. In these animals the osteoblast activity and osteoblast differentiation significantly increased, whereas no relevant differences were seen in the number of osteoclasts. This data is in accordance with the findings from the immunohistochemistry where an increase of prominent bone formation markers like BMP2 and OPG/RANKL ratio was also seen. On the other hand, locally applied bortezomib at high-doses resulted in reduced bone formation due to low osteoblast activity. In the case, an inflammation zone was seen in the defect area, spreading into the surrounding bone. This indicates a tissue-damaging effect of the locally applied bortezomib at high doses.The study also showed that the silica / collagen xerogel without bortezomib also had a positive effect on bone healing by enhancing bone formation, osteoblastogenesis and osteoblast activity in comparison with the empty defect only.In anticancer treatment local delivery of anticancer agents to the neoplasia via biomaterial carriers has never been reported before. The current study presents the concepts and the first in vivo results for proteasome inhibitor composite biomaterials for local delivery of bortezomib to proliferative multiple myeloma bone lesions including concentration measurements at different anatomical regions in a rat model. The results therefore, suggest a stimulatory effect of bortezomib on new bone formation when applied locally which might also contribute to the antimyeloma efficacy of this drug.