Morphologische Untersuchung zum zellvermittelten Abbau und zur knöchernen Integration von resorbierbarem Calcium-Phosphat (Biobon®) im Tibiabohrlochdefekt beim Schaf - Wieghorst, Nikolaj; Justus Liebig University Giessen (My University, 2006)
Die Auffüllung knöcherner Defekte am menschlichen Skelett stellt eine häufige Notwendigkeit in der Unfallchirurgie und Orthopädie dar. Unter den zur Verfügung stehenden Knochenersatzmaterialien gewinnen die synthetischen Calciumphosphat-Implantate immer größere Bedeutung. Die Mechanismen der Integration und Resorption von Knochenersatzplastiken können nur im Tierexperiment untersucht werden. Ziel der Arbeit war, die durch Implantation eines Calciumphosphat-Implantates im Knochen hervorgerufenen Umbauvorgänge in ihrem zeitlichen Ablauf radiologisch, histologisch und elektronenmikroskopisch darzustellen. Als Tierspezies wurde das Schaf gewählt, da die Knochen in Struktur, Größe und Stoffwechsel den menschlichen Verhältnissen sehr nahe kommen. Nagetiere sind für diese Untersuchung weniger geeignet, da sie eine extrem hohe Regenerationsfähigkeit der Knochendefekte aufweisen. Die Implantation des Calciumphosphat-Implantates erfolgte in einen standardisierten Tibiabohrlochdefekt im Bereich des Tibiakopfes von 11 mm Durchmesser und 25 mm Tiefe bei 9 weiblichen zwei Jahre alten Merino Schwarzkopfschafen. Zusätzlich dienten 3 Tiere mit je einem Leerdefekt als Kontrolle. Postoperativ wurden Nativröntgenaufnahmen in zwei Ebenen durchgeführt. Alle Tiere wurden in drei Zeiträumen durch subcutane Injektionen von drei verschiedenen Fluorochromen markiert. Am Ende der Nachbeobachtungszeit von 6, 24 und 48 Wochen wurden die Tiere getötet und die betreffende Extremität zur Fixation des Gewebes perfundiert. CT-Schnitte, Schliffpräparate, Semidünnschnitte, Fluoreszenzmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) fanden Eingang in die Untersuchung. Im histologischen Schliff schreitet die Knochenneubildung vom Lagerknochen ausgehend nach zentripetal hin fort und erreicht das Zentrum bereits nach 6 Wochen. Das Calciumphosphat-Implantat erscheint fragmentiert. Es wird von neugebildetem lamellären Knochen umwachsen. Im histologischen Schliff sind mehrkernige, in Resorptionslakunen gelegene Zellen nachweisbar. Sie wurden elektronenmikroskopisch anhand der ultrastrukturellen Merkmale des ruffled border und der sealing zone eindeutig als Osteoklasten identifiziert. Der Abbaumechanismus konnte wie folgt geklärt werden: Das anorganische Knochenersatzmaterial wird durch den im subosteoklastären Raum aufgebauten niedrigen pH-Wert abgelöst. Gleichzeitig finden im Osteoklasten Phagozytose und Resorption statt. Das Material wird in Vakuolen, die aus Plasmalemminvaginationen des ruffled border gebildet werden, durch die Zelle geschleust (Transzytose) und an der mikrovillitragenden Seite des Osteoklasten in den Interzellularraum abgegeben. Dort wird es von einkernigen Makrophagen phagozytiert. Dem Verstoffwechselprozess über die einkernigen Makrophagen sollte in einer weiteren experimentellen Arbeit nachgegangen werden.

The filling or replacement of bony defects in the human skeleton is a frequent necessity in Trauma- and Orthopaedic Surgery. With the currently available synthetic replacements of bone, calcium-phosphate cement is gaining more and more importance. The mechanism of integration and absorption of synthetic bone substitutes is commonly determined in animal models. The objective of this project was to demonstrate the sequence of structural changes after implantation of calcium-phosphate cement into bone by means of x-ray studies, histological examination, and electron microscopy. As an animal model a sheep (Merino-Blackhead) was chosen because structure, size, and metabolism of their bone are comparable to human bones. Rodents are less suitable for these investigations due to their extraordinary ability to regenerate bony defects. The Implantation of calcium-phosphate cement was carried out in a standardised fashion in a tibia drill hole of 11mm diameter and 25mm depth in nine female sheep two years of age. Postoperative conventional x-rays in two views were obtained. All animals were marked by subcutaneous injections of 3 different fluorochromes during 3 different periods of time. After 6, 24 and 48 weeks of observation animals were sacrificed and the extremity under investigation perfused for fixation. Computed Tomography (CT), cutting-grinding-technique for hard tissue, semi-thin cuts, fluorescence- and transmission electron microscopy (TEM) were utilized for examination. New development of bone could be demonstrated from the margin of the bony defect towards the centre of the implant on histological specimens and reached the centre within 6 weeks. The calcium-phosphate cement implant appeared fragmented and was seeded with lamellar bone. Absorption of the implanted bone substitue is accomplished by large multinucleated cells, which were found in lacunas within the composite as well as the osseous tissue on histological specimens. Due to their ruffled borders and clear zone they were identified as osteoclasts by means of electron microscopy. The mechanism of absorption could be identified as follows: lysis of bone substitute material occurs in the subosteoclastic space due to low pH and packed in vacuoles that are derived from plasmalemmal invaginations. These vacuoles are transported through the cell (transcytosis) and emptied into the intercellular space by osteoclastic microvilli, where they are phagocytosed by single nucleated macrophages. The identification of the metabolic processing of these vacuoles within the single-nucleated macrophages should be the subject of future investigations.
Keywords: ddc:610