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Fragestellung: Nucleus-pulposus-Ersatz bietet eine minimal invasive Alternative zur Behandlung der degenerativen Bandscheibenerkrankung gegenüber der traditionellen Spondylodese oder der Bandscheibenprothese. Ein neuer Polyurethan Scaffold (PUS) mit Schwellvermögen und ein Fibrinogen-Hyaluronsäure Hydrogel (FBG-HA), welches die Nucleus pulposus (NP) - Extrazellulärmatrix imitieren soll, wurden zur Wiederherstellung der mechanischen und biologischen Bandscheibeneigenschaften entwickelt. Das Ziel dieser Studie war es, den PUS und das FBG-HA Hydrogel mit/ohne Zugabe des Heterodimers aus Bone Morphogenetic Protein (TG-BMP) 2/7 in einem Organkultursystem unter dynamischer Belastung zu evaluieren.

Methodik: Der PUS wurde aus einem PU Hydrogel basierenden Kern mit Schwellvermögen entwickelt, der umgeben ist von zwei Nanofiber-Membranen. Das FBG-HA Hydrogel wurde aus 2/3 FBG-HA-Volumen und 1/3 Thrombinlösung (5.2 U/ml) hergestellt. Bovine Bandscheiben wurden durch Endplatten-Zugang nukleotomiert und der Defekt gefüllt mit (1) PUS, (2) PUS umgeben von 50-80 µl FBG-HA oder (3) PUS umgeben von 50-80 µl FBG-HA, welches 5000 ng/ml TG-BMP 2/7 enthielt. Der Endplatten-Defekt wurde durch das endogene Endplattenstück und Polymethylmethacrylat verschlossen. Nicht befüllte Bandscheiben dienten als Negativkontrolle. Die Bandscheiben wurden in einem Organkultursystem unter dynamischer Belastung für 14 Tage bei 0-0.1 MPa, 0.1 Hz für 3 Stunden pro Tag kultiviert. Um die mechanischen Reparatureigenschaften zu bewerten, wurden die Bandscheibenhöhe und die dynamische elastische Kompressionssteifigkeit zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen. Zur Analyse der biologischen Reparatureigenschaften wurde die Genexpression mit real-time PCR, der Glykosaminoglykan- (GAG) und Collagen- Gehalt, sowie die Proteoglykansynthese des Bandscheibengewebes gemessen. Safranin O/Fast Green Färbung wurde zur histologischen Analyse verwendet. Um die Ergebnisse auf statistische Signifikanz zu untersuchen, wurde One-way ANOVA genutzt.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Alle Implantatgruppen konnten die ursprüngliche Bandscheibenhöhe nach dynamischer Belastung aufrechterhalten, wohingegen sie in der negativen Kontrollgruppe um 7% sank (p<0.001). Gegenüber dem jeweiligen Ausgangswert sorgten der PUS und die Zugabe des FBG-HA Hydrogels für eine sofortige Wiederherstellung der dynamischen elastischen Kompressionssteifigkeit (PUS: 73±21%; p<0.05 vs. Negativkontrolle: 25±5%). Die Aggrecan- und Collagen-2 Genexpression wurde durch das TG-BMP2/7 und FBG-HA Hydrogel in NP Zellen hochreguliert, allerdings nicht signifikant. Der GAG- bzw. Collagen-Gehalt blieb in allen Implantatgruppen erhalten.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass der PUS in der Lage ist die mechanischen Bandscheibeneigenschaften wiederherzustellen. Die Zugabe des FBG-HA Hydrogels beeinträchtigt das Schwellvermögen des PUS in situ nicht. Das FBG-HA Hydrogel und TG-BMP2/7 zeigen Potential den biologischen NP Ersatz zu unterstützen.