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68. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie
90. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie
45. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Verband für Physiotherapie – Zentralverband der Physiotherapeuten/Krankengymnasten

19. bis 23.10.2004, Berlin

Molekularbiologische Assays zur Biofunktionalitätstestung von Biomaterialien im Knochenkontakt

Meeting Abstract (DGU 2004)

  • presenting/speaker D. Sommerfeldt - Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Klinik und Poliklinik für Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie, Hamburg
  • M. Hadjiargyrou - State University of New York at Stony Brook, Dept. of Biomedical Engineering, Stony Brook, NY, USA
  • C. Rubin - State University of New York at Stony Brook, Dept. of Biomedical Engineering, Stony Brook, NY, USA
  • J. Rueger - Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Klinik und Poliklinik für Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie, Hamburg

Deutsche Gesellschaft für Unfallchirurgie. Deutsche Gesellschaft für Orthopädie und orthopädische Chirurgie. Berufsverband der Fachärzte für Orthopädie. 68. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie, 90. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie und 45. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie. Berlin, 19.-23.10.2004. Düsseldorf, Köln: German Medical Science; 2004. Doc04dguN11-94

Die elektronische Version dieses Artikels ist vollständig und ist verfügbar unter: http://www.egms.de/de/meetings/dgu2004/04dgu0733.shtml

Veröffentlicht: 19. Oktober 2004

© 2004 Sommerfeldt et al.
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Gliederung

Text

Fragestellung

Für bestimmte Biomaterialien ist Zelladhäsion ein wünschenswerter Vorgang (Osteoblasten und Osteosynthesematerialien oder Hüftprothesen), für andere nicht erwünscht (Bakterien und Schrittmacherelektroden). Integrinvermittelte Adhäsion über extrazelluläre Matrixproteine wie Fibronektin und Vitronektin, aber auch Kollagen spielt bei diesen Prozessen eine große Rolle. Valide Parameter, die einen Aufschluß auf die zu erwartenden zellulären Reaktionen (Biofunktionalität) nach Implantation eines solchen Materials in vivo erlauben, sind bisher nur ungenügend charakterisiert und überprüft. In dieser Studie sollte evaluiert werden, inwieweit sich die molekularbiologischen Parameter der adhäsionsabhängigen und integrinvermittelten Signaltransduktion sowie der davon abhängigen proliferationssteuernden Genexpression des AP-1 Transkriptionsfaktorkomplexes als molekularbiologische Parameter der Biofunktionalität eignen.

Methoden

Vollserum (FBS) wurde auf zwei in der Ladungsdichte unterschiedlichen Polyethylenoberflächen sowie auf zwei gebräuchlichen Osteosynthesematerialien, nämlich Titan (Ti - Va- Al) und Stahl (Cr - Co - Mo), adsorbiert und Osteoblasten der MC3T3-E1 Zelllinie für eine Stunde auf diesen Oberflächen kultiviert (je Experiment n= 8). Anschließend erfolgte Protein- und mRNA - Extraktion aus den Osteoblasten, die quantitative Bestimmung der Tyrosinphosphorylierung von fokalen Adhäsions-proteinen (pp125FAK, pp68Paxillin) im Western blot und die Bestimmung der c-fos und c-jun Transkription im Northern blot.

Ergebnisse

Geladene PE-Oberflächen waren den ungeladenen Oberflächen in Bezug auf die eingesetzten Parameter der Biofunktionalität deutlich überlegen. Gleiches galt für die Titanoberflächen im Vergleich zu den Stahllegierungen. Die höchste Induktion der Signaltransduktion und Genexpression wurde auf geladenem PE und FBS beobachtet (2.5-fache Erhöhung, p < 0.05, one-way ANOVA). Deutliche Unterschiede ergaben sich auch für die Genexpression von c-fos. Hier konnten auf beiden PE-Oberflächen nach Proteinadsorption Steigerungen der Genexpression um das fünffache nachgewiesen werden. Auch für Titan und Stahl waren die verwendeten Parameter in der Lage, die bessere Biofunktionalität von Titan im Vergleich zu Stahl nachzuvollziehen (3-fach für Tyrosinphosphorylierung, 8-fach für die c-fos Expression, p < 0.01, one-way ANOVA).

Schlussfolgerungen

Diese Ergebnisse zeigen, daß intrazelluläre Vorgänge bei Adhäsionsvorgängen von Zellen auf Biomaterialoberflächen molekularbiologisch quantifizierbar und statistisch auswertbar sind. Sie eignen sich somit für ein "high-throughput screening" von Biomaterialoberflächen in Bezug auf deren zu erwartende Biofunktionalität in vivo. Trotz der Vorläufigkeit dieser Ergebnisse erscheint es außerdem vorstellbar, entscheidende, zelluläre Vorgänge wie Proliferation, Differenzierung und Apoptose über die physikochemischen Eigenschaften der Biomaterialoberfläche, die Proteinadsorption und damit der Zusammensetzung der extrazellulären Matrix gezielt zu modulieren.