Untersuchung der osteoblastären Differenzierung am Interface von Knochenersatzmaterialien nach Zugabe von Pharmaka

Abstract

Im klinischen Alltag der Orthopädie und Unfallchirurgie wird eine Zunahme von osteoporotisch-bedingten Frakturen verzeichnet. Die Defektheilung im Knochengewebe kann durch stabilisierende Knochenersatzmaterialien sowie durch dfferenzierungs-fördernde Pharmaka stimuliert werden. Für eine erfolgreiche Knochenheilung ist die Differenzierung von Stammzellen zu aktiven Osteoblasten notwendig. Ziel des hier vor-liegenden Experiments war die Klärung der Frage, ob Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), Acetylcholin und Nikotin in Anwesenheit von geeigneten Knochenersatzmaterialien wie Calciumphosphat¬zement (CPC) und Kollagen-Tapes die Osteoblastendifferenzierung stimulieren können. Ausgewählt wurden solche Pharmaka, für die in der Literatur bereits eine Beteiligung im Knochenstoffwechsel und bei der Frakturheilung nachgewiesen wurde. Als In-vitro-Modell wurden humane multipotente Stromazellen, die sich zu aktiven Osteoblasten differenzieren können, aus dem Bohrmehl junger, gesunder und zum Vergleich einer gesunden älteren sowie einer osteoporotischen Spenderin gewonnen. Die Zellen wurden 28 Tage am Interface der Knochenersatzmaterialien kultiviert. Alle zwei Tage wurde das Medium mit den Pharmaka erneuert. Jede Woche wurden Zellen geerntet, fotodokumentiert und die Konzentration der alkalischen Phosphatase als Marker der Differenzierung sowie die Zellzahl bestimmt. Es konnte nachgewiesen werden, dass Zellen unter Einfluss von CPC schlechter proliferieren und sich in geringerem Maße zu aktiven Osteoblasten differenzieren als Zellen ohne Materialeinfluss. Kollagen-Tapes hingegen wirken positiv auf die Differenzierung, auf die Proliferation aber hemmend. Außerdem konnte erstmals nachgewiesen werden, dass BDNF zusammen mit Knochenersatzmaterial einen positiven Effekt auf das Differenzierungsverhalten hat und Nikotin teilweise positive Einflüsse zeigt. Zusätzlich wurden die Ergebnisse junger, gesunder Spender mit denen einer gesunden älteren sowie einer osteoporotischen Spenderin verglichen. Die Zellen der osteoporotischen Spenderin zeigten dabei eine deutliche geringere Proliferations- und Differenzierungskapazität als die der gesunden Spender.Vor diesem Hintergrund könnte vor allem BDNF für die Funktionalisierung von Knochenersatzmaterialien wie Kollagen-Tapes geeignet sein. Die Rolle von Nikotin sollte in weiteren Studien untersucht werden. Bis zum klinischen Einsatz ist aber weitere Forschung nötig, um beispielsweise Fragen bezüglich der Freisetzung der Pharmaka zu beantworten. Die hier gewonnen Erkenntnisse sollten in einem nächsten Schritt im Tierversuch bestätigt werden, um zukünftig zu einer wirksamen Therapie vor allem bei osteoporotischen Frakturen beizutragen. An increase of osteoporotic fractures is noticed in daily routine of orthopedics and trauma surgery. The defect healing in bone tissue can be stimulated by implantation of bone substitution materials and drugs, which shall improve osteogenic differentiation. Differentiation of stem cells into active osteoblasts is necessary for successful bone healing. The aim of the present study was to analyze whether brain-derived neurotrophic factor (BDNF), acetylcholine and nicotine could improve osteogenic differentiation in the presence of suitable bone graft materials. Calciumphosphatecement (CPC) and Collagen-tapes were chosen as appropriate materials. For the used drugs, involvement in bone metabolism and fracture healing has been already demonstrated in the literature.Human reaming debris was obtained during intramedullary nailing from younger healthy donors and human multipotent stromal cells were isolated, which can differentiate into active osteoblasts. Furthermore, cells from an older bone-healthy woman as well as an osteoporotic donor were used. The cells were cultivated for 28 days at the interface of bone substitution materials. Every second day media were changed and drugs renewed. Once a week cells were harvested, morphology documented by light microscopy, cell number determined, and concentration of alkaline phosphatase measured that was a prove of cell differentiation. A reduced cellular proliferation and differentiation was determined at the interface of CPC compared with cells that were allowed to grow on blank cell culture plastic. However, Collagen-tapes influenced differentiation positively, but not the proliferation. Moreover, it was shown for the first time that application of BDNF together with bone substitution materials leads to an increased differentiation. Nicotine had also partially positive effects on differentiation. The cells of the older bone-healthy and of the osteoporotic donor had a considerably lower proliferation and differentiation capacity than those of young and healthy donors.Taken together, Collagen-Tapes seem to have osteoinductive effects and BDNF could be suitable for the functionalization of bone substitution materials. The role of nicotine should be investigated in further studies. To answer questions regarding the drug-releasing from bone substitution materials further in vitro studies have to follow. In a next step, the gained knowledge of the present study should be confirmed in animal experiments to improve therapy strategies for osteoporotic fractures.