Biokompatibilität eines neuartigen Knochenklebstoffes im Grosstiermodell

Abstract

Das Ziel der vorliegenden tierexperimentellen Arbeit war einen neuentwickelten Knochenkleber in einem standardisierten spongiösen Bohrlochdefekt- und in einem kortikalen Osteotomiemodell am Schaf auf dessen Biokompatibilität zu prüfen. Zur Analyse der Frakturheilung, der knöchernen Integration und der Biokompatiblität des Klebers wurden die radiologischen Untersuchungen durch histologische und transmissionselektronenmikroskopische ergänzt. Der Knochenkleber basiert auf einer Alkylen-bis(oligolactoyl)methacrylat-Verbindung. Aus dem Monomer Ethylenglycol-oligolactid-dimethacrylat (ELAMA) entsteht der Kleber durch Polymerisation zu hochverzweigten hydrolysierbaren Netzwerken. Bei insgesamt 48 Schafen wurden ein Bohrlochdefekt am Olecranon und ein Osteotomiesegment an der Ulna gesetzt. Anschließend wurden Knochenzylinder und Knochensegment mit oder ohne Kleber refixiert. Beim Bohrlochdefektmodell wurden die Tiere in 4 Gruppen unterteilt (Kontrolle, Kleber, Leerdefekt, Defekt mit Kleber); beim Osteotomiemodell wurden die Tiere in 2 Gruppen eingeteilt (Kontrolle, Kleber). Die Tiere wurden über einen Zeitraum von 21, 42 und 84 Tagen nachbeobachtet. Im spongiösen Defektmodell ist der Knochenkleber als biotolerant zu bezeichnen. Er stellt eine Barriere für die Knochenneubildung dar und wird bindegewebig eingescheidet. Es entsteht eine Distanzosteogenese. Die Osteointegration ist nur in den kleberfreien Bereichen des Osteotomiespaltes erkennbar. An den mit Knochenkleber ausgefüllten Arealen des Osteotomiespaltes kommt es zu keiner Zellmigration (Osteoblasten) in den Osteotomiespalt. Im spongiösen Modell erscheinen die Osteotomieränder (Interfaceregion) in den mit Kleber ausgefüllten Spaltarealen glatt. An den kleberfreien Stellen sind die Osteotomieränder durch Knocheneinsprossung unregelmäßig aufgeworfen. Es lassen sich weder Degradation noch Abbauvorgänge am Knochenkleber beobachten. Die mehrkernigen Riesenzellen produzieren eine der Glykokalix von Endothelzellen ähnliche Substanz als Schutzschicht gegenüber dem Knochenkleber und kapseln damit den Knochenkleber von dem umliegenden Knochengewebe ab. Es wird keine Verminderung der Kleberdichte im Osteotomiespalt beobachtet. Im kortikalen Osteotomiemodell ist der Knochenkleber eher als bioinert zu bezeichnen. Bei einem direkten Kontakt zwischen dem Knochen und dem Knochenkleber kommt es zu keiner Reaktion. Es entsteht eine Kontaktosteogenese. Daneben wird auch die Distanzosteogenese, wie im spongiösen Modell, beobachtet. Daher kann man dem Kleber im kortikalen Bereich eine Mischung aus biotoleranten und bioinerten Eigenschaften zuschreiben. Es scheint eine intakte Osteointegration an den Osteotomiearealen, die mit Kleberkonglomeraten ausgefüllt sind, zu bestehen. Im Osteotomiespalt kommt es zu einer Zellmigration von Osteoblasten, die vitalen Knochen produzieren, der direkt in Kontakt zu den Kleberkonglomeraten steht. Im kortikalen Modell sind die Interfaceregionen durch eine gleichmäßige Knocheneinsprossung nicht plan. Der Knochenkleber wird durch mehrkernige Riesenzellen abgebaut. In beiden Osteotomiemodellen lassen sich Resorptionszonen am Knochen erkennen. Dabei können keine Unterschiede zwischen der Kleber- und der Kontrollgruppe festgestellt werden. Eine vollständige Wiederherstellung der Knochenstruktur ist in beiden Osteotomiemodellen nach 84 Tagen nicht erreicht und die Osteogenese noch nicht abgeschlossen. In beiden Osteotomiemodellen zeigen sich weder akute noch chronische Entzündungsreaktionen oder Zelltoxizitäten. Die vorhandenen Makrophagen und mehrkernigen Riesenzellen deuten auf eine benigne Fremdkörperreaktion hin, welche im kortikalen Osteotomiemodell von einem Kleberabbau gefolgt wird. Durch die vorliegende experimentelle Untersuchung konnte kein konkretes Einsatzgebiet herausgearbeitet werden. Die guten Ergebnisse im kortikalen Bereich lassen eine Anwendung bei kleinen kortikalen Fragmenten in Betracht kommen. Die negativen Ergebnisse im spongiösen Bereich raten von einer Anwendung des Knochenklebers ab. Bei dem derzeitigen Stand der Erkenntnisse ist eine humane Anwendung abzulehnen. So bleiben die unter 1.4 beschriebenen Einsatzgebiete weiterhin erstrebenswert, jedoch zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht realisierbar. The aim of this experimental study was to investigate a new form of bone adhesive in a standardized spongy cylinder hole and in a cortical osteotomy model in sheep. The fracture healing after glue application, the resorption and the bone integration of the glue was analysed by histological and radiological examinations. The new bone glue is based on alkylen-bis(oligolactoyl)methacrylats. From the monomer ethyleneglycol-oligolactid-dimethacrylat (ELAMA) arise the glue by polymerizing into high branched, hydrolysable networks. 48 sheep were operated by drilling a hole in the olecranon and by placing an artificial fracture in the ulna. The bone cylinder/ fragment were refixed with or without bone glue. At the cylinder hole model the animals were separated into 4 groups (control, glue, vacuum defect, hole filled with glue); at the osteotomy model the animals were divided into two groups (control, glue). The animals were observed over a period of 21, 42 and 84 days. The analysis of the spongy cylinder hole model showed that the osteogenesis of the fracture gap in the control group left behind the group with bone glue at every investigation moment. The control group proved that the fracture gap can be bridged by new bone formation after 21 days, if the gap fracture is not broader than 1 mm. At the spongy model any resorptions or decompositions of the bone glue were not found. Multinucleated giant cells secrete a layer at the interface to the bone glue, which seem to be like the glykokalyx. Consequently the bone glue was enclosed with connective tissue. In the cortical osteotomy model the bone glue was in direct contact with new bone trabeculas. Multinucleated giant cells were found, which were in contact to the bone glue. These giant cells showed intracellular vesicles, which were like the bone glue with regards to morphology and structure. Altogether the application of the bone glue showed better results in the cortical model than in the spongy model. In the spongy model not occurs any resorption, while in the cortical model resorptions and degradations of the bone glue early take place. The reason of this different reaction to the application of the bone glue could not be solved and therefore remain open for further investigations and speculations.