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Fragestellung: Die steigende Inzidenz von osteoporotisch bedingten Frakturen führt zu einem zunehmenden Bedarf an Ätiologie-adaptierten Knochenersatzmaterialien. In unseren bisherigen Arbeiten konnten wir zeigen, dass Osteoblasten das Neurotrophin brain derived neurotrophic factor (BDNF) und seinen hoch-spezifischen Rezeptor tyrosine receptor kinase B (TrkB) exprimieren. In der humanen Frakturheilung wurden BDNF und TrkB im Hämatom, Granulationsgewebe und der Osteoid-bildenden Phase nachgewiesen. Vor diesem Hintergrund war es das Ziel der vorliegenden Studie die Rolle von BDNF im Knochenstoffwechsel zu hinterfragen. Im Detail wurden folgende Fragen untersucht: a) Fördert die Applikation von BDNF die Vitalität von Osteoblasten-Progenitoren? b) Stimulieren Knochenersatzmaterialien die Expression von BDNF und TrkB in vitro sowie in vivo? c) Kann durch die Modifikation von Calciumphosphat-Zement (CPC) mit BDNF eine Aktivierung der Osteoblasten in vitro erzielt werden?

Methodik: Die Expression von BDNF und TrkB im standardisierten osteoporotischen Frakturmodell mit BDNF-freien Implantaten wurde mittels real-time RT-PCR untersucht. Für die in-vitro Untersuchungen wurden Osteoprogenitoren gezüchtet, die von knochengesunden und osteoporotischen Spendern stammten. BDNF wurde in einer Konzentration von 40 ng/mL dem Medium zugesetzt. Zusätzliche wurden die Osteoblastenprogenitoren mit CPC und BDNF modifiziertem CPC kultiviert (200 ng BDNF/g CPC). Zur statistischen Auswertung dieser experimentellen Studie wurden der Kruskal-Wallis und Mann-Whitney Test (SPSS Software, V22, Institute Inc, Chicago, USA) verwendet.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: BDNF steigerte die zelluläre Vitalität der Osteoprogenitoren, während die Osteoklastogenese nicht beeinflusst wurde. Die Zugabe von reinem CPC bewirkte einen Anstieg der BDNF Expression, der parallel zum anti-apoptotischen Marker Bcl-XL verlief. Im osteoporotischen Rattenmodell wurde eine signifikante Reduktion der BDNF mRNA nachgewiesen. Wurde den Ratten nach Induktion der Osteoporose Knochenersatzmaterialien implantiert, so zeigte sich vor allem für die Expression des Rezeptors TrkB eine Regulation. Durch Modifikation des CPCs mit BDNF wurde die Adhäsion der osteoporotischen Osteoprogenitoren gesteigert. Bei Zellen osteoporotischer Spender waren diese Effekte verstärkt.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass Osteoprogenitoren die Expression von BDNF als Feedback-Mechanismus auf die Gabe von CPC erhöhen, um damit die eigene Überlebensfähigkeit zu steigern. Ein zusätzlicher Anstieg der osteoblastären Vitalität konnte durch die Modifikation des CPCs mit BDNF erzielt werden. In zukünftigen Arbeiten soll die Übertragbarkeit des positiven Effekts von BDNF funktionalisiertem Knochenersatzmaterial auf die Situation in vivo untersucht werden.

Gefördert durch die DFG (SFB/TRR 79).