gms | German Medical Science

Fragestellung: Traumata, Tumore oder Infektionen können zu großen Knochendefekten führen. In der Orthopädischen Chirurgie werden für deren Auffüllung autologe und allogene Knochentransplantate verwendet. Diese sind jedoch durch begrenzte Verfügbarkeit, Entnahmerisiken und perioperative Komplikationen limitiert. In der Knochenersatztherapie werden deshalb neue Alternativen in Form von synthetischen, porösen 3D-Implantaten gesucht, die dem Knochendefekt angepasst werden können. Große Herausforderungen sind hierbei die mechanische Stabilität, die Zelldurchlässigkeit bzw. dreidimensionale Zellbesiedelung und damit die Integration des Implantats in das umgebende Knochengewebe. Ein weiteres Problem bei großflächigen Knochenersatzmaterialien stellt die Hypoxie dar, verursacht durch den unterbrochenen Blutfluss und somit einer permanenten Unterversorgung. Für das Design poröser 3D-Implantatmaterialien muss daher auch der Aspekt der zellulären Versorgung im Korpuskern berücksichtigt werden.

In der hier vorliegenden In-vitro Studie wurde das Migrationsverhalten von Osteoblasten auf einem porösen, metallischen Implantatmaterial aus Tantal (Trabecular Metal™, Fa. Zimmer, Freiburg) untersucht. Weiterhin wurde der Sauerstoffverbrauch der Zellen im Zentrum im Vergleich zur Peripherie analysiert, um die zelluläre Versorgung im Korpuskern zu charakterisieren.

Methodik: Für die Untersuchungen wurden zwei apikal mit Zellen besiedelte Tantal-Formkörper zu einem Modul zusammengesetzt und in einer 6-Well Kulturplatte für 8 Tage kultiviert. Dadurch entstand ein 3D-Formkörper mit 4 Analyseebenen (proximal, intermediär, distal). Der Sauerstoffgehalt im Korpuskern wurde mittels Sauerstoffsensoren (Type PSt1; Fa. Presens, Regensburg) bestimmt. Darüber hinaus wurde alle 2 Tage Medium aus dem Korpuskern sowie aus der Peripherie entnommen und in einem Prokollagen Typ 1 ELISA (Metra™ CICP EIA Kit, Quidel, Marburg) analysiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die Sauerstoffmessungen ergaben, dass der Sauerstoffgehalt bereits nach 24 Stunden deutlich abgesunken ist und durch die Zugabe von frischem Medium nicht wieder erhöht werden konnte. In Übereinstimmung mit anderen Arbeitsgruppen konnte gezeigt werden, dass die Synthese von Prokollagen Typ 1 mit der Dauer der Hypoxie ansteigt. Erste Versuche zeigten zudem eine zunehmende Ansäuerung des Zellkulturmediums über die Zeit.

Nach 8 Tagen Kultivierung wurde das 3D-Tantal-Modul diskonnektiert und die Stoffwechselaktivität der Osteoblasten mittels WST-1 Assay analysiert. Im Live-Dead^® Assay zeigte sich, dass in den beiden Scheiben stoffwechselaktive Zellen vorhanden waren. Besonders die distale Ebene war sehr dicht mit Zellen besiedelt. Auf den beiden intermediären Ebenen im Korpuskern waren weniger lebende Zellen und zahlreiche tote Zellen erkennbar.

Daraus lässt sich schließen, dass die mangelnde Nährstoff- und Sauerstoffversorgung im Korpuskern großflächiger, poröser Knochenersatzmaterialien zu einer verringerten Proliferation bzw. erhöhten Apoptoserate primärer Osteoblasten führt.