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Fragestellung: Große Knochendefekte beinhalten ein erhöhtes Risiko für Knocheninfektionen bedingt durch langandauernde osteosynthetische Stabilisierung und wiederholte Operationen. Eine zeitnahe Ausheilung dieser Knochendefekte stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar. Mesenchymale Stromazellen (MSC) können die Ausheilung großer Knochendefekte begünstigen. Neben ihrem osteogenen Potential haben MSC jedoch auch immunsuppressive Eigenschaften, die das Risiko für die Entstehung einer Osteomyelitis erhöhen bzw. ihren Verlauf negativ beeinflussen könnten. Ziel dieser Studie war es daher, den Einfluss implantierter MSC auf die Entstehung und den Verlauf einer Osteomyelitis in einem Staphylokokkus aureus (SA) kontaminierten Implantat-stabilisierten Femurdefekt in Ratten zu untersuchen.

Methodik: Zunächst wurde ein neues Hydrogel-basiertes Osteomyelitismodell etabliert und die geringste SA Dosis ausgewählt (200 CFU), die in allen Tieren eine Osteomyelitis induzierte. Dann wurde in der Hauptstudie die Hälfte der SA infizierten Tiere mit 1,6 Millionen MSC behandelt (je 5 Ratten pro Gruppe und Standzeit, 3 und 4 Wochen). Eine nicht-infizierte Kontrollgruppe diente zum Vergleich. Die Ausprägung der Osteomyelitis wurde durch Körpertemperatur/-gewicht, Blutbild, Röntgen-Scoring, 3D µCT-Analyse und (Immun-)Histologie beurteilt. Zusätzlich wurde in vitro die Reaktion von MSC auf SA untersucht. Für die Statistik wurde der Mann-Whitney-U-Test mit post-hoc Bonferroni-Korrektur durchgeführt.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Alle infizierten Tiere entwickelten eine lokale Knocheninfektion mit Periostreaktion, Osteolysen, Instabilität und Deformation, welche in der MSC Gruppe stärker ausgeprägt war und zu einem signifikant erhöhten Osteomyelitis-Score führte. Blutbild und SA Re-Isolation bestätigten eine lokale Infektion. Gemäß µCT-Analyse verlor der Knochen in den MSC-behandelten Tieren bereits nach 3 Wochen signifikant an Knochenkompaktheit (BS/BV) und veränderte seine Struktur (Conn.Dn), während in der nicht MSC-behandelten Gruppe diese Veränderungen erst nach 4 Wochen auftraten. Die Histologie bestätigte die Veränderungen der Knochenarchitektur, eine erhöhte Anzahl an M1 Makrophagen und Osteoklasten, sowie die Ausbildung von Abszessen und SA-Akkumulationen bei Osteomyelitis mit der größten Ausprägung in MSC-behandelten Tieren nach 4 Wochen. Die in vitro Versuche zeigten eine Hochregulation der Genexpression Entzündungs- und Infektions-assoziierter Mediatoren in der Kokultur von MSC mit SA.

Diese Studie zeigte erstmalig ein erhöhtes Risiko für Osteomyelitis, wenn MSC zur Stimulation der Knochenheilung in einen mit geringen Keimzahlen belasteten Implantat-stabilisierten Knochendefekt implantiert werden. Dies deutet eine immunsuppressive Wirkung von MSC in dieser Umgebung an. Ob eine antibiotische Begleittherapie den Infektions-fördernden Effekt implantierter MSC vollständig unterdrücken und deren stimulierende Wirkung auf die Knochenregeneration wieder herstellen kann, muss in zukünftigen Studien aufgeklärt werden.