Untersuchung des Zelluntergangs humaner mesenchymaler Stammzellen in Kontakt mit neuartigen calcium- und strontiumhaltigen Knochenersatzstoffen

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2024

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Osteoporose und osteoporotische Frakturen gehören schon jetzt zu häufigen Krankheitsbildern und werden in der Zukunft durch eine fortschreitende Alterung der Gesellschaft immer zahlreicher werden. Daher müssen die Alternativen der Behandlung einer Osteoporose erweitert werden. Hierfür bieten sich beispielsweise neuartige strontiumhaltige Knochenersatzstoffe wie Phosphat-prästrukturierte Gelatine mit Calcium- und Strontiumphosphaten (PPGC+S) an, welche durch ihre Strukturierung und biochemischen Eigenschaften zu einer vermehrten Integration in den Knochen beitragen können. Andererseits zeigten auch lokal eingesetzte Pharmaka, wie beispielsweise BDNF, positive Effekte auf die Knochenstruktur. Das Ziel dieser Studie war, den Einfluss auf die Apoptose und Nekrose von humanen mesenchymalen Stammzellen (MSC) osteoporotischer und knochengesunder Spenderinnen durch PPGC+S in Zellkulturen zu untersuchen. Zusätzlich wurde geprüft, ob durch die Zugabe von BDNF eine Veränderung der Apoptose und Nekrose an den Knochenersatzstoffen stattfand.
Dafür wurden im siebentägigen Zellkulturversuch mit MSC von je fünf knochengesunden und osteoporotischen Spenderinnen insgesamt drei Knochenersatzstoffe PPGC+S 5:5, PPGC+S 3:7 und PPGS 0:10 mit unterschiedlichen Verhältnissen von Calcium- und Strontiumphosphaten (PPGC+S x:y) getestet. Durch die zusätzliche Zugabe von BDNF (40 ng/ml) zum Zellkulturmedium wurde geprüft, ob es zu einer Veränderung der Nekrose und Apoptose kommt. Die Messung der Apoptose- und Nekroseraten erfolgte mittels des Cell Death Detection ELISA Kit von Roche (Mannheim, Deutschland). Dabei wurde an drei Zeitpunkten die Nekrose bestimmt (Tag 1, 4, 7) und an einem Zeitpunkt die Apoptose (Tag 7). Zusätzlich erfolgte an allen Versuchstagen eine lichtmikroskopische Untersuchung der Zellen. Die erhobenen Daten wurden nach Abschluss der Experimente statistisch analysiert, dabei erfolgte nach einem Kolmogorov-Smirnov-Test auf Normalverteilung im Falle einer Normalverteilung ein T-Test mit Bonferroni-Holm-Korrektur. War keine Normalverteilung gegeben wurde stattdessen mittels Mann-Whitney-U-Test, Friedmanns zweifaktorieller Varianzanalyse oder Wilcoxon-Vorzeichen-Rang-Test analysiert (SPSS, v. 24, IBM).
Bei der Verwendung von PPGC+S 5:5 zeigte sich eine signifikant geringere Nekroserate der knochengesunden MSC im Vergleich zu den Materialien PPGC+S 3:7 und PPGS 0:10 (p < 0,05). Das Material PPGC+S 3:7 löste in der knochengesunden MSC-Gruppe eine geringere Apoptoserate im Vergleich zu PPGS 0:10 (p < 0,05) aus. Durch die zusätzliche Applikation von BDNF zu knochengesunden MSC auf PPGC+S 5:5 konnte die Nekroserate an allen Versuchstagen signifikant gesenkt werden (p < 0,05). Wurden osteoporotische MSC eingesetzt so konnte durch Zugabe von BDNF eine signifikante Reduktion der Apoptose im Kontakt mit den Knochenersatzmaterialien PPGC+S 5:5 und PPGC+S 3:7 (p < 0,05) erreicht werden. Zusätzlich nahm die Nekroserate beim Einsatz osteoporotischer MSC im Kontakt mit dem Knochenersatzmaterial PPGC+S 3:7 an den ersten zwei Versuchstagen durch die Zugabe von BDNF signifikant ab (p < 0,05). Zwischen knochengesunden und osteoporotischen MSC wurden keine relevanten Unterschiede gemessen.
Die Ergebnisse dieser Studie bezüglich Apoptose und Nekrose zeigen, dass von den drei untersuchten Knochenersatzmaterialien, das Material PPGC+S 5:5 mit dem geringsten Strontiumanteil die geringste Nekroserate aufwies. Der Wachstumsfaktor BDNF wirkte auf die MSC beider Versuchsgruppen zusätzlich zytoprotektiv und konnte sowohl Nekrose als auch Apoptose signifikant senken. Die hier erhaltenen Ergebnisse erweitern das Bild der Wirkung und Wirksamkeit von PPGC+S und BDNF und sind insgesamt als weiterführende Sicherheitsdaten einzuordnen. Durch weitere Untersuchungen in vitro und in vivo müssen jedoch weitere Daten gewonnen werden, um ein vollständigeres Bild der Zytokompatibilität und Biokompatibilität von PPGC+S und BDNF zu gewinnen.

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