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Fragestellung: Pseudarthrotische Frakturheilungsstörungen konnten bisher erfolgreich mittels Spongiosaplastik, autologer Stammzelltransplantation oder niederenergetischer, gepulster Ultraschalltherapie behandelt werden. Obwohl die bisherigen klinischen Ergebnisse vielversprechend sind, ist der Wirkungsmechanismus einer Behandlung mit niederenergetischem, gepulstem Ultraschall bisher weitgehend unbekannt. Insbesondere sind die molekularen Auswirkungen von niederenergetischem, gepulsten Ultraschall auf humane mesenchymale Stammzellen (hMSCs) nur unzureichend erforscht. In dieser Studie wurde daher untersucht, ob die Ultraschallbehandlung von hMSCs deren Ossifikation positiv beeinflusst.

Methodik: Im Rahmen von operativen Eingriffen mit Spongiosaentnahme wurden humane mesenchymale Stammzellen aus dem Aspirat isoliert. Anschließend wurden die hMSCs in Monolayer-Kulturen und Fibrinclots kultiviert und mit Ultraschall behandelt. Das verwendete Gerät mit insgesamt 6 Schallköpfen (Exogen SAFHS^®, Fa. Smith & Nephew , Memphis, TN, USA) zur Generierung des niederenergetischen, gepulsten Ultraschalls (Frequenz 1,5MHz, gepulst mit 1kHz, Signallänge 200µs, Leistung 117mW; Intensität von 30mW / cm²) entspricht hinsichtlich der genannten Parameter dem klinisch eingesetzten Gerätetyp. Die Applikation des Signals erfolgte nach Gel-Ankoppelung des Schallkopfs an der bodenwärts gerichteten Seite der verwendeten 6-Well-Zellkulturplatten.

Es wurden 3-, 6-, und 20minütige Behandlungszeiten jeweils dreimal täglich durchgeführt. Mittels Sandwich-ELISA-Technik wurden die Interleukine 6, 8 und 11, sowie der Wachstumsfaktor VEGF im Zellkulturmedium untersucht. Die Kalzifizierungsrate der hMSCs wurde mittels Alizarin-Rot-Färbung und Phasenanalyse quantifiziert. Die Vitalität und das Proliferationsverhalten der in Fibrinclots eingebetteten hMSCs wurden mittels Calcein-Propidiumjodid-Färbung überprüft.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die VEGF-Konzentration konnte durch die Ultraschallapplikation signifikant gesteigert werden. Auch IL-6 und IL-11 wurden vermehrt exprimiert. IL-8 wurde durch eine 3minütige Ultraschallbehandlungen gesteigert und bei 20minütiger Applikation vermindert sezerniert. Die mit niederenergetischem, gepulsten Ultraschall behandelten Zellkulturen wiesen anhand der Alizarin-Rot-Färbung eine signifikant erhöhte Kalzifizierungsrate gegenüber den Kontrollen auf. Die Vitalität der im Fibrinclot eingebetteten hMSCs wurde durch die Ultraschalltherapie nicht herabgesetzt. Die Zellproliferation konnte durch die Anwendung von niederenergetischem, gepulstem Ultraschall gesteigert werden.Die durch Ultraschalltherapie erzielten biologischen Effekte sind von der Dauer des Ultraschallsignals abhängig. Die mechanobiologische Belastung von hMSCs durch niederenergetischen, gepulsten Ultraschall steigert die Kalzifizierung der Zellmatrix und die Zellproliferation. Es darf vermutet werden, dass die Frakturheilung durch eine Kombination von autologer Stammzelltransplantation und Ultraschalltherapie den Heilungserfolg potenziert.