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Fragestellung: Unter den bisher entwickelten Knochenersatzmaterialien zeichnen sich besonders die Calciumphosphat(CaP)-Keramiken durch gute Biokompatibilität und Stabilität aus. Jedoch weisen diese Keramiken wie auch alle anderen synthetischen Implantatmaterialien einen entscheidenden Nachteil auf: Sie können nur passiv die osteogene Eigenleistung des knöchernen Implantatlagers unterstützen, d.h. sie wirken nicht osteoinduktiv.

Osteoinduktive Faktoren besitzen die Fähigkeit die Knochenneubildung durch Transformation von primär nicht osteogenen, mesenchymalen Zellen in Knorpel und Knochenzellen, zu induzieren. Die derzeit populärsten Vertreter osteoinduktiver Faktoren sind die Bone morphogenetic proteins (BMP). Das Sonic-Hedgehoc-Protein (SHH) spielt eine entscheidende Rolle bei der fetalen Skelettentwicklung und wahrscheinlich auch bei der Frakturheilung. Dabei agiert es über eine Signalkaskade als positiver Regulator von BMP. Ziel unserer Untersuchungen war es, CaP-Keramiken durch Beschichtung mit BMP oder SHH osteoinduktive Eigenschaften in vitro zu verleihen.

Methodik: Die humanen mesenchymalen Stammzellen wurden aus Knochenmarksaspiraten, des im Rahmen von Hüft-TEP-Implantationen osteotomierten Femurschaftes, gewonnen. Nach ex vivo-Expansion der Stammzellen mit Platelet-rich-Plasma haltigem Medium ohne bovine Zusätze, wurden mit diesen die CaP-Keramik Calcibon® besiedelt. In verschiedenen Ansätzen wurden die Keramiken zuvor durch Vakuumbehandlung mit BMP2, SHH oder mit Albumin (Negativkontrolle) beschichtet. Über einen Zeitraum von bis zu 21Tagen wurden die beschichteten und besiedelten Keramiken kultiviert. Die histologische und biochemische Auswertung der Proben auf Marker der osteogenen Differenzierung erfolgte an den Versuchstagen 1, 7 und 21.

Ergebnisse: Die Proben aller drei Versuchsgruppen zeigten über den Versuchszeitraum einen kontinuierlichen Anstieg der Gesamtproteinmenge. Die Stammzellen, welche auf den mit BMP2 oder SHH beschichteten Keramiken kultiviert wurden, wiesen zu allen Analysezeitpunkten eine mindestens 2fach höhere Aktivität der Alkalischen Phosphatase (ALP), als die mit Albumin beschichteten Matrizes, auf. Osteocalcin als weiteres Markerprotein der osteogenen Differenzierung konnte nach 21 Tagen nur in der SHH- und BMP-Gruppe nachgewiesen werden. Unterschiede der ALP-Aktivität oder der Osteocalcinkonzentration zwischen SHH- und BMP-Beschichtung zeichneten sich zu keinem Zeitpunkt ab. Histologisch fand sich bei SHH- und BMP-beschichteten Matrizes eine gegenüber den Albumin-beschichteten Keramiken vermehrte Proteoglykanmatrix.

Schlussfolgerungen: Unsere Daten zeigen, dass die Beschichtung von CaP-Keramiken mit den Proteinen SHH und BMP in vitro zur osteogenen Differenzierung von darauf kultivierten mesenchymalen Stammzellen führt. Ob die beschichteten Keramiken potenter als unbeschichtete Matrizes die Knochenneubildung in ersatzschwachen Knochenlagern induzieren können, bleibt im Tierexperiment zu überprüfen.