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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie, 75. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie, 97. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie, 52. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie und Unfallchirurgie

25. - 28.10.2011, Berlin

Ausnutzung kooperativer Effekte zwischen dem Integrin- und BMP-2 Signaltransduktionsweg bei der Funktionalisierung von Nanofaser-Scaffolds

Meeting Abstract

  • J.R.J. Paletta - Universiätsklinikum Gießen und Marburg, Standort Marburg, Klinik für Orthopädie und Rheumatologie, Marburg, Germany
  • A. Veltum - Universiätsklinikum Gießen und Marburg, Standort Marburg, Klinik für Orthopädie und Rheumatologie, Marburg, Germany
  • L. Tünnermann - Universiätsklinikum Gießen und Marburg, Standort Marburg, Klinik für Orthopädie und Rheumatologie, Marburg, Germany
  • H. Kaiser - Universiätsklinikum Gießen und Marburg, Standort Marburg, Klinik für Orthopädie und Rheumatologie, Marburg, Germany
  • S. Fuchs-Winkelmann - Universiätsklinikum Gießen und Marburg, Standort Marburg, Klinik für Orthopädie und Rheumatologie, Marburg, Germany
  • M. Schofer - Universiätsklinikum Gießen und Marburg, Standort Marburg, Klinik für Orthopädie und Rheumatologie, Marburg, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie. 75. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie, 97. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie, 52. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie. Berlin, 25.-28.10.2011. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2011. DocGR20-577

DOI: 10.3205/11dkou523, URN: urn:nbn:de:0183-11dkou5238

Published: October 18, 2011

© 2011 Paletta et al.
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Fragestellung: Bei der osteogenen Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen (hMSC) spielen sowohl Signale der extrazellulären Matrix als auch von Wachstumsfaktoren eine wesentliche Rolle. Diese, durch Integrine bzw. BMP-Rezeptoren vermittelten Signale, scheinen sich durch Aktivierung der FAK (Fokal Adhesion Kinase) bzw. des Smad Signaltransduktionsweges gegenseitig zu verstärken. Ziel dieser Studie war es diesen kooperativen Effekt bei der Herstellung von Nanofasern auf das entstandene Scaffold zu übertragen und die Wirkung in vitro und in vivo nachzuweisen.

Methodik: Es wurden elektrogesponnene Nanofasermatten aus PLLA-Kollagen hergestellt, welche zum Teil mit BMP-2 dotiert waren. Diese Matrices wurden anschließend mit hMSC besiedelt und über 22 Tage kultiviert. In dieser Zeit wurden Wachstum und Proliferation der Zellen, die Genexpression (qPCR) osteogener Marker (ALP, COLI, OC) und die Signaltranduktionswege (FAK, Smad5) analysiert. Zur Charakterisierung der Nanofasern wurden Kontaktwinkel, Durchmesser sowie die Porosität der Scaffolds bestimmt. Zum Nachweis der Eignung solcher Scaffolds als Knochenersatzmaterial wurden sowohl BMP-2 haltige als auch BMP-2 freie PLLA-Kollagen Nanofaserscaffolds in Kalottendefekte (Ratten, critical size defect) implantiert. Der Heilungsverlauf wurde nach 4, 8, und 12 Wochen radiologisch, histomorphometrisch und immunhistologisch untersucht und mit der Heilung von unbehandelten Defekten verglichen.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Der Einbau von BMP-2 in PLLA-Kollagen Nanofasern führt zu einer erhöhten Adhäsionsfähigkeit von hMSC und zu einer verstärkten Expression von osteoblastären Markergenen (ALP, OC, COL-I). Im Unterschied zu reinen PLLA Nanofasern oder PLLA-Kollagen Nanofaserscaffolds, lässt sich beim Einsatz BMP-2 dotierter Fasern eine erhöhte Expression von FAK und Smad5 beobachten. Dies ist ein Hinweis auf eine verstärkte Aktivierung der Integrin und BMP-2 vermittelten Signalwege. Nach Implantation solcher Nanofaserscaffolds im Tiermodell kommt es allerdings - bedingt durch eine sehr kleine Porengröße (0,4-1µm) - nicht zu einer gleichmäßigen Besiedlung der Scaffolds. Vielmehr wandern die Zellen nur fokal in Falten der Scaffolds ein. Hier lag der Anteil Osteocalcin positiver Zellen allerdings 2-3-mal höher als in den Leerdefekten. Eine Dotierung der Scaffolds mit BMP-2 brachte hier allerdings keine Steigerung sowohl in Bezug auf die Defektheilung als auch den Anteil Osteocalcin positiver Zellen, führt aber zu einer erhöhten Anzahl an BMP-2 positiven Zellen.

Zusammenfassend zeigt sich, dass die Funktionalisierung von PLLA Nanofasern mittels einer Kombination von Kollagen und BMP-2 die osteogene Differenzierung von Stammzellen beschleunigt. Allerdings begrenzt die geringe Porengröße in vivo das Einwandern von Zellen in das Scaffold und führt somit zu einer verzögerten Defektheilung.