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Mineral Coated Microparticles mit BMP-2- und VEGF-Beschichtung verbessern die Frakturheilung in atrophen Pseudarthrosen
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Autoren
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Marcel Orth
- Universitätsklinikum des Saarlandes, Klinik für Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie, Homburg, Germany
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Annika Pieper
- Universitätsklinikum des Saarlandes, Klinik für Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie, Homburg, Germany
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Janine Stutz
- Universitätsklinikum des Saarlandes, Klinik für Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie, Homburg, Germany
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Patrick Orth
- Universitätsklinikum des Saarlandes, Klinik für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie, Homburg, Germany
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Lars Goebel
- Universitätsklinikum des Saarlandes, Klinik für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie, Homburg, Germany
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Michael Menger
- Universitätsklinikum des Saarlandes, Institut für Klinisch-Experimentelle Chirurgie, Homburg, Germany
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Tim Pohlemann
- Universitätsklinikum des Saarlandes, Klinik für Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie, Homburg, Germany
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Tobias Fritz
- Universitätsklinikum des Saarlandes, Klinik für Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie, Homburg, Germany
| Veröffentlicht: | 26. Oktober 2021 |
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Gliederung
Text
Fragestellung: Atrophe Pseudarthrosen stellen ein klinisches Problem dar. Ihre Heilung kann durch Wachstumsfaktoren unterstützt werden. Mineral Coated Microparticles (MCM) sind Elektrolyt-beschichtete Hydroxylapatit-Partikel, die Wirkstoffe elektrostatisch binden und prolongiert freisetzen. In vitro wurde ihre Freisetzungskinetik u.a. für Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) und Bone Morphogenetic Protein(BMP)-2 untersucht (Yu et al., 2014). Unklar ist, ob MCM als Träger von BMP-2 und VEGF auch in vivo bei Pseudarthrosen genutzt werden können.
Methodik: In CD-1 Mäusen (n=60; 35±3g; 9-14 Wochen alt) wurden standardisiert atrophe Pseudarthrosen induziert (Garcia et al., 2008). Tiere der ersten Gruppe (MCM+BMP+VEGF; n=20) erhielten BMP-2- und VEGF-beschichtete MCM (10µg VEGF/mg MCM; 20µg BMP-2/mg MCM; 2mg MCM/Tier). Die zweite Gruppe (MCM; n=20) erhielt unbeschichtete MCM (2mg MCM/Tier). Tiere der dritten Gruppe (NONE; n=20) erhielten keine MCM. Die Knochenbildung wurde 14 und 70 Tage (d) postoperativ untersucht. Mittels 3-Punkt-Biegung wurde die Biegesteifigkeit des operierten Knochens (N/mm) analysiert. Die Quantifizierung von niedrig (BVn) und hoch (BVh) mineralisiertem Knochenvolumen (mm3), Knochenvolumen/Gewebevolumen (BV/TV; %) und der Knochendichte (BMD; g/cm3) erfolgte durch Mikro-Computertomographie (µCT). Per Western Blot (WB) wurden 14d postoperativ die Proteinexpressionen (Pixel Intensität ×103) der Osteoklastenmarker Osteoprotegerin (OPG) und Receptor Activator of NF-kB Ligand (RANKL) sowie 70d postoperativ der osteogenen Marker BMP-2 und -4 ermittelt. Die statistische Auswertung erfolgte mittels ANOVA (Signifikanzniveau p<0,05).
Ergebnisse und Schlussfolgerung: MCM mit BMP-2- und VEGF-Beschichtung steigerte signifikant die Biegesteifigkeit nach 14d (MCM+BMP+VEGF: 3,7±0,4; MCM: 0,2±0,05; NONE: 0,3±0,3; p<0,001) und nach 70d (34,4±3,9; 0,4±0,01; 0,5±0,5; p<0,001).
In der µCT zeigte sich nach 14d für MCM+BMP+VEGF eine Zunahme des BVn (MCM+BMP+VEGF: 2,9±0,4; MCM: 0,9±0,2; NONE: 0,5±0,01; p<0,001) und BVh (0,4±0,07; 0,2±0,06; 0,2±0,03; p=0,01). Nach 70d konnte für MCM+BMP+VEGF zusätzlich ein höheres BV/TV (22,9±2,8; 9,7±2,2; 9,7±2,2; p=0,002) und eine höhere BMD (1,5±0,05; 1,3±0,02; 1,4±0,03; p=0,008) nachgewiesen werden.
WB Analysen zeigten nach 14d eine höhere Expression im Frakturspalt von MCM+BMP+VEGF für OPG (MCM+BMP+VEGF: 107,8±41,6; MCM: 13,0±3,0; NONE: 26,4±4,8; p<0,001) und vice versa für RANKL (34,3±4,3; 51,6±2,2; 58,4±7,6; p=0,024). Nach 70d war die Expression im Frakturspalt für BMP-4 erhöht (34,1±5,5; 13,8±3,3; 10,1±0,8; p=0,003), jedoch nicht für BMP-2.
Zusammenfassend zeigen diese Daten: Die Applikation von MCM mit prolongierter, lokaler Freisetzung von BMP-2 und VEGF in den Frakturspalt verbessert signifikant die Knochenbildung in einem etablierten murinen Pseudarthrosemodell, am ehesten durch einen Osteoklasten-hemmenden und einen Osteoblasten-fördernden Effekt. BMP-2- und VEGF-beschichtete MCM könnten somit von klinischem Nutzen in der Behandlung atropher Pseudarthrosen sein.
