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Scaffolds aus Strontium-modifiziertem mineralisiertem Kollagen zur Stimulation der Knochendefektheilung
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Veröffentlicht: | 6. November 2018 |
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Fragestellung: Aufgrund seiner den Knochenaufbau stimulierenden Wirkung findet Strontium (Sr) seit vielen Jahren Anwendung in der systemischen Osteoporosetherapie. Im Rahmen dieser Studie wurden biomimetische Scaffolds auf Basis von mineralisiertem Kollagen mit Sr modifiziert [1]. Durch lokale Sr2+-Freisetzung soll die Knochendefektheilung durch Stimulation osteoblastärer Zellen beschleunigt werden. Die Scaffolds wurden materialwissenschaftlich und zellbiologisch in vitro charakterisiert. Außerdem wurde der Einfluss der Sr-Modifikation auf die Knochendefektheilung in Kombination mit BMP-2 in vivo im überkritischen murinen femoralen Defektmodell untersucht.
Methodik: Die Sr-Modifikation erfolgte während der Scaffold-Synthese durch partielle Substitution von CaCl2 mit SrCl2 (0% [Sr0]; 50% [Sr50]; 100% [Sr100]) [1]. Nach Gefriertrocknung und chemischer Quervernetzung wurden die Scaffolds mittels TEM, REM und µCT untersucht und das Sr2+-Freisetzungsverhalten bestimmt. In Zellkulturversuchen wurde der Einfluss auf die Proliferation und osteogene Differenzierung von mesenchymalen Knochenmarkstromazellen (hBMSC; auf Scaffolds kultiviert in Alpha-MEM +/- osteogene Supplemente) biochemisch analysiert (DNA-Gehalt; LDH- und ALP-Aktivität). Für die in vivo Charakterisierung wurden 5 Gruppen mineralisierter Kollagen-Scaffolds (h: 2mm; Ø 2mm) in überkritische femorale Defekte von 65 nu/nu Nacktmäusen (Alter: 12 Wochen) implantiert: Sr0, Sr50, Sr100, Sr0+BMP-2, Sr100+BMP-2 (2,5µg rhBMP-2/Scaffold). Nach 6-wöchiger Observation erfolgte die Charakterisierung der Defektheilung mittels µCT, biomechanischer Testung und Histomorphometrie (Hematoxylin & Eosin Färbung).
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Sr-Substitution führte zur Bildung verschiedener Mineralphasen – von nanokristallinem HAP bei Sr-freien Scaffolds (Sr0) über amorphe Sr-reiche Mischphasen [Sr50] zu einer Mischphase aus Collins Salz und Strontium-HAP bei vollständig Sr-substituierten Scaffolds [Sr100]. Alle Varianten zeigten eine vergleichbare Morphologie. Sr50 und Sr100 setzten kontinuierlich therapeutisch relevante Sr2+- Mengen frei, wobei der Substitutionsgrad mit der freigesetzten Sr-Menge korrelierte (0,41mM (Sr50)/ 0,73mM (Sr100) an Tag 1 und 0,08mM/ 0,16mM respektive an Tag 28). Die biologische Charakterisierung zeigte für Sr100 eine signifikante Steigerung der Proliferation und Differenzierung von hBMSC. Die Ergebnisse der in vivo Untersuchungen zeigten für BMP-2-funktionalisierte Scaffolds vollständig überbrückte Knochendefekte und signifikant gesteigertes Knochenvolumen. Durch Sr-Modifikation konnte sowohl die mechanische Festigkeit der überbrückten Defekte, als auch der morphologische Score signifikant gesteigert werden – letzteres sowohl in den Gruppen mit als auch ohne BMP-2-Funktionalisierung. Ausgehend von diesen Ergebnissen zeigen Sr-modifizierte Scaffolds aus mineralisiertem Kollagen vielversprechende Eigenschaften, um die Knochendefektheilung lokal aktiv zu unterstützen.
Literatur
- 1.
- Quade M, Schumacher M, Bernhardt A, Lode A, Kampschulte M, Voß A, Simon P, Uckermann O, Kirsch M, Gelinsky M. Strontium-modification of porous scaffolds from mineralized collagen for potential use in bone defect therapy. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2018 Mar 1;84:159-167. DOI: 10.1016/j.msec.2017.11.038