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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012)

23.10. - 26.10.2012, Berlin

Funktionalisierte Biomaterialien zur gerichteten Zellmigration: ein neues Konzept für die Knochendefektheilung

Meeting Abstract

  • presenting/speaker Sven Knaack - Zentrum für TFO, Medizinische Fakultät der TU Dresden, Universitätsklinikum Carl Gustav Carus, Dresden, Germany
  • Anja Lode - Zentrum für TFO, Medizinische Fakultät der TU Dresden, Universitätsklinikum Carl Gustav Carus, Dresden, Germany
  • Kerstin Fritzsche - Universitätsklinikum Carl Gustav Carus, Klinik und Poliklinik für Kinder- und Jugendmedizin, Dresden, Germany
  • Angela Roesen-Wolff - Universitätsklinikum Carl Gustav Carus, Klinik und Poliklinik für Kinder- und Jugendmedizin, Dresden, Germany
  • Michael Gelinsky - Zentrum für TFO, Medizinische Fakultät der TU Dresden, Universitätsklinikum Carl Gustav Carus, Dresden, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012). Berlin, 23.-26.10.2012. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2012. DocPO14-768

DOI: 10.3205/12dkou566, URN: urn:nbn:de:0183-12dkou5662

Published: October 2, 2012

© 2012 Knaack et al.
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Fragestellung: Bei großen Zell-Matrix-Konstrukten besteht bis heute das Problem der fehlenden Vaskularisierung beim Tissue Engineering. Dabei kommt es zu einer drastischen Zellabnahme im besiedelten Material nach der Implantation, da neue Gefäße eine längere Zeit zum Einwachsen benötigen. In einem Teilprojekt des SFB/TR 79 soll daher eine Methode entwickelt werden, bei der im Sinne des in situ Tissue Engineering auf eine Zellbesiedlung ex vivo verzichtet werden kann. Ein poröses Biomaterial aus mineralisiertem Kollagen soll so modifiziert werden, dass es den vaskulären Endothelzellwachstumsfaktor (VEGF) kontrolliert aus einem zentralen Depot freisetzt. Endothelzellen, aber auch mesenchymale Stammzellen (MSC) sollen dadurch nach der Implantation über chemotaktische Effekte aktiv in das Scaffold migrieren, um so eine schnellere Defektheilung – speziell im systemisch kranken Knochen – zu erreichen.

Methodik: Zur Methodik gehören die Herstellung der porösen Biomaterialien, sowie deren Funktionalisierung mit Heparin. Die Oberfläche der Materialien wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie analysiert.

Für die Bestimmung des freigesetzten Wachstumfaktors VEGF wurde der Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) herangezogen. Bei Zellexperimenten wurden anhand der Messungen von Enzymaktivitäten und des DNA-Gehalts die Proliferation und osteogene Differenzierung bestimmt.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Poröse mineralisierten Kollagenscaffolds (2D und 3D) konnten erfolgreich mit Heparin funktionalisiert werden. Heparin ist ein anionisches sulfatiertes Glucosaminoglycan, welches reversibel zahlreiche Proteine, u. a. Wachstumsfaktoren wie VEGF bindet und ihre Aktivität reguliert. Durch eine gleichmäßig verteilte Funktionalisierung von 2D- und auch 3D-Scaffolds mit unterschiedlichen Heparinkonzentrationen konnte die Freisetzungskinetik von VEGF gezielt eingestellt werden. In einem Proliferationsassay mit Endothelzellen (HDMEC) wurde die biologische Aktivität des freigesetzten VEGF aus diesen funktionalisierten Scaffolds nachgewiesen. Des Weiteren wurde die Konzentration des freigesetzten VEGF- mittels ELISA bestimmt, um den optimalen Wirkungsbereich des freigesetzten Wachstumsfaktors für die Endothelzellen zu ermitteln. Die Migration von Endothelzellen in Richtung des aus einem zentralen Depot im porösen Biomaterial freigesetzten VEGF konnte in ersten Experimenten beobachtet werden.

In einem Zellexperiment mit humanen MSC auf Heparin-modifizierten Scaffolds wurde außerdem der Einfluss von Heparin auf diesen Zelltyp untersucht. Es zeigte sich, dass Heparin die Adhäsion und Proliferation der Osteoblasten-Vorläuferzellen unterstützt.

Die Funktionalisierung von porösen mineralisierten Kollagenscaffolds mit Heparin zeigt deutliche Vorteile hinsichtlich einer kontrollierten Freisetzung des Wachstumsfaktors VEGF, mit dem Migration und Proliferation von Endothelzellen und auch humanen MSC gefördert werden soll.