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Freisetzung von Proteinen aus Kalziumphosphat Keramiken durch Osteoklasten: Eine biomimetische Beschichtungstechnik
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Autoren
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F.M. Klenke
- Inselspital, Klinik für Orthopädische Chirurgie, Bern, Switzerland
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E. Wernike
- Universität Bern, Departement Klinische Forschung, Bern, Switzerland
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K.-A. Siebenrock
- Inselspital, Klinik für Orthopädische Chirurgie, Bern, Switzerland
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W. Hofstetter
- Universität Bern, Departement Klinische Forschung, Bern, Switzerland
| Veröffentlicht: | 9. Oktober 2007 |
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Gliederung
Text
Fragestellung: Knochenersatzmaterialien in Verbindung mit osteogenen Wachstumsfaktoren wie z.B. BMP-2 sind ein viel versprechender Ansatz zur Therapie von Knochendefekten. Die für gewöhnlich durchgeführte Adsorption von Wachstumsfaktoren an die Oberfläche der Materialien führt jedoch zu einer umgehenden Freisetzung der Proteine und schränkt deren Bioverfügbarkeit massiv ein. Wir haben eine Ko-Präzipitationstechnik etabliert, welche die spontane Freisetzung von Proteinen aus Kalziumphosphat Keramiken signifikant reduziert. Ziel dieser Studie war zu untersuchen, ob die Freisetzung von nicht spontan freigesetztem Protein durch zellvermittelte Materialresorption anhaltend induziert werden kann.
Methodik: Tritium markiertes bovines Serumalbumin ([3H]-BSA) wurde
(i) in wässriger Lösung an biphasische Kaliziumphosphat Keramiken (80% HA, 20% β-TCP) adsorbiert und
(ii) in einer übersättigten Kalziumphosphat Lösung auf den Keramiken ko-präzipitiert. Über einen Zeitraum von 19 Tagen wurde die spontane Abgabe von [3H]-BSA in α-MEM Kulturmedium und die zellvermittelte Proteinfreisetzung durch murine Knochenmarkzellen quantifiziert (BMC, +CSF-1 [colony stimulating factor 1], +RANKL [receptor activator of nuclear factor-kappa-B ligand]: Differenzierung zu Osteoklasten; BMC, +CSF-1, −RANKL: Differenzierung zu Monozyten/Makrophagen). Die Differenzierung der BMCs zu Osteoklasten wurde mit TRAP Färbung kontrolliert. Als Parameter für die Degradation / Resorption der Keramiken wurde die Freisetzung von Calcium mittels atomarer Emissionsspektometrie bestimmt. Die Oberflächenstruktur der Keramiken wurde elektronenmikroskopisch analysiert.
Ergebnisse: Adsorbiertes [3H]-BSA wurde sowohl passiv als auch zellvermittelt zu grossen Teilen innerhalb von 4 Tagen freigesetzt (α-MEM: 63.0±6.0%, BMC −RANKL: 52.5±8.1%, BMC +RANKL: 57,5±7.1%). Die durch die Ko-Präzipitation mit Kalziumphosphat auf 13.8±1.1% reduzierte passive Freisetzung von [3H]-BSA wurde durch BMCs, die zu Monozyten/Makrophagen differenziert wurden nicht gesteigert (14.8±1.5%). Die Differenzierung der BMCs zu Osteoklasten führte zu einem signifikanten Anstieg der Freisetzung von [3H]-BSA auf 39.1±5.0% (p<0.001 vs. α-MEM/-RANKL). Histologisch fanden sich TRAP-positive, mehrkernige Osteoklasten. Die Induktion der Proteinabgabe ging mit einer erhöhten Freisetzung von Calcium als Zeichen einer verstärkten Resorption der Keramiken einher. Elektronenmikoskopisch bestätigte sich, dass Osteoklasten, nicht aber Monozyten/Makrophagen, die Keramikoberfläche resorbierten.
Schlussfolgerungen: Neben einer signifikanten Reduktion der passiven Proteinabgabe konnte durch die Protein-Kalziumphosphat Ko-Präzipitation eine kontinuierliche Proteinfreisetzung erreicht werden. Die durch osteoklastäre Materialresorption vermittelte Freisetzung von Proteinen erlaubt eine anhaltende, kontrollierte Abgabe aus dem Trägermaterial und bedeutet eine Annäherung an die physiologischen Bedingungen der Knochenheilung.
