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Fragestellung: Der Bedarf an Ätiologie-adaptierten Knochenersatzmaterialien nimmt aufgrund der steigenden Inzidenz von osteoporotischen Frakturen zu. Die Modifizierung von Calciumphosphat Knochenzement (CPC) mit Strontium steigert die Osteointegration [1]. Es wird ebenfalls diskutiert, dass brain-derived neurotrophic factor (BDNF) zur Verbesserung der Knochenbildung im osteoporotischen Knochen beiträgt. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Studie CPC mit Strontium und BDNF funktionalisiert und seine Wirkung auf primäre humane mesenchymale Stromazellen (MSC) in vitro untersucht.

Methodik: Der Strontium-modifizierte CPC wurde durch Substitution des CaCO3 durch SrCO3 (Alfa Aesar, Karlsruhe) hergestellt, wodurch ein Sr2+ substituierter Apatit-Zement mit einem Sr/Ca Verhältnis von 0.123 entstand [2]. Dem pastösen Sr-CPC wurde anschließend BDNF (30 ng pro Plättchen) zugesetzt und in Form von Plättchen mit einem Durchmesser von 1 cm und einer Dicke von 3 mm ausgehärtet. Nach gamma-Sterilisation wurden die Plättchen mit Zellkulturmedium gewaschen und jeweils 20000 MSC ausgesät. Die MSC-Kulturen wurden aus spongiösem Knochen gewonnen, der als Abfallprodukt bei der Einbringung von Endoprothesen bzw. von intramedullären Nägeln anfiel. Ihr Stammzellgehalt wurde mittels FACS Analyse bestimmt. Die Gewinnung und Verwendung der humanen Zellen wurde von der örtlichen Ethikkommission genehmigt (Aktenzeichen 74/09). Nach 1, 7, 14 und 28 Tagen in Kultur mit den modifizierten CPCs wurden die Zellen geerntet und mittels MTT Test und real-time reverse-Transkriptase Polymerasekettenreaktion (real-time RT-PCR) untersucht. Der Jonckheere-Terpstra, Kruskal-Wallis und Mann-Whitney Test (SPSS V23, Institute Inc., Chicago, USA) dienten zur statischen Analyse.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Sowohl die MSC knochengesunder (n = 4) als auch osteoporotischer Spender (n = 4) zeigten die höchste Vitalität nach 7-tägiger Inkubation auf den Knochenersatzmaterialien, wobei CPC modifiziert mit Strontium und BDNF am besten vertragen wurde, gefolgt von Sr-CPC und BDNF-CPC. Das schlechteste Ergebnis zeigte der pure CPC, der sich signifikant von den modifizierten CPCs unterschied (p < 0.05). Mittels real-time RT-PCR konnte erst an Tag 14 und 28 in der Zellkultur eine signifikant erhöhte Expression von BDNF gemessen werden, die ausschließlich in den knochengesunden MSC erfolgte.

Die Modifizierung des CPC mit Strontium und BDNF führte zu einem Anstieg der zellulären Vitalität, die bei den osteoporotischen MSC weder durch eine reduzierte mRNA Expression von BDNF noch eine gesteigerte Expression des hoch-spezifischen BDNF Rezeptor TrkB kompensiert wurde. In zukünftigen Arbeiten gilt es nun den Strontium und BDNF modifizierten CPC in einem in vivo Osteoporose-Modell zu überprüfen.

Gefördert durch SFB/TRR79 (Teilprojekt B7, M2, T1)