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Fragestellung: Die Auffüllung großer knöcherner Defekte ist in der Orthopädie und Unfallchirurgie weiterhin problematisch. Einen alternativen Lösungsansatz versprechen die modernen Methoden der regenerativen Medizin. Ziel dieser Untersuchung war es, in einem eigens entwickelten Bioreaktor den Einfluss von hydrostatischem und kompressivem Druck auf Knochenmarkszellen auf einer xenogenen Matrix in einem dreidimensionalen Bioreaktor zu untersuchen.

Methodik: Stromale Zellen aus dem Knochenmark (BMSC) wurden bei 4 Patienten im Rahmen von unfallchirurgischen Routineeingriffen entnommen. Die Zellen wurden aufgereinigt, gepoolt und in vitro kultiviert. Zellen der 3. Passage wurden mit einer Dichte von 106 Zellen auf bovine, lösungsmittelkonservierte Spongiosascheiben (Tutobone^®) mit Medium aufgetragen. Nach 24 Stunden wurden die Matrices in einen Perfusions- oder einen kombinierten Perfusions-/Mechanoreaktor überführt. Die Kontrollen wurden ohne Stimulation kultiviert. Die Perfusionsrate war mit 10 ml/min und die Stimulation mit 10% Längenänderung über 3x2 Stunden täglich konstant. Nach 24 Stunden, 1, 2 und 3 Wochen wurden Proben entnommen und auf Transkriptions- (Runx-2, RT-PCR, Angaben in % der Expression zu Beginn der 3-D Kultur) und Proteinebene (Proteingehalt, Osteocalzin, ELISA) untersucht.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die mittels RT-PCR nachgewiesene Expression von Runx-2 war sowohl in der Perfusions- als auch der Biomechanoreaktor-Gruppe gegenüber der Kontrollgruppe signifikant erhöht (jeweiliges p<0,001).

In der Biomechanoreaktor-Gruppe war die Produktion von Osteocalzin zu allen Zeitpunkten signifikant gegenüber der Kontrollgruppe gesteigert (1 Woche: 294,5±88,4, 2 Wochen: 294,4±73,3, 3 Wochen: 293,1±83,6 mg/g Protein; p<0,03), wobei in der Biomechanoreaktor-Gruppe nach 2 und 3 Wochen auch gegenüber der Perfusionsgruppe signifikant mehr Osteocalzin gebildet wurde (2. Woche: 188,1±84,9, 3. Woche: 161,8±61,8 mg/g Protein; p<0,03). Dieser Ansatz zeigt neue Möglichkeiten zum Management knöcherner Defekte auf. Die Integration eines kombinierten mechanischen und hydrostatischen Stimulationsprotokolls in einem 3D-Bioreaktor kann zu Vorteilen der strukturellen und biomechanischen Eigenschaften des erzeugten knöchernen Gewebes führen. Das ideale Protokoll ist bisher nicht etabliert. Weiterhin muss geklärt werden, ob durch Zusatz weiterer Substanzen und Modifikation des Protokolls eine weitergehende Stimulation von Wachstum und osteogener Differenzierung zu erreichen ist.