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Fragestellung: Metalle und ihre Ionen haben im Bereich des Bone Tissue Engineering (BTE) zur gezielten Beeinflussung der biologischen Eigenschaften von Biomaterialien an Bedeutung gewonnen. So unterstützt das Ion Molybdän (Mo) die osteogene Differenzierung von mesenchymalen Stromazellen aus dem humanen Knochenmark (hBMSCs). Daneben sollen Biomaterialien, die für den Einsatz im BTE vorgesehen sind, auch die Angiogenese fördern. Hierfür wird häufig das pro-angiogene Ion Bor (B) zugesetzt. Jedoch ist die Wirkung von B auf die osteogene Differenzierung von Knochenvorläuferzellen nicht gesichert. Dies schränkt die Verwendung von B für die Anwendung in Biomaterialien im BTE ein. In dieser Studie sollte daher untersucht werden, ob eine B-bedingte Verlangsamung bzw. Hemmung der osteogenen Differenzierung von hBMSCs durch die Kombination von B mit Mo kompensiert werden kann.

Methodik: Pro-angiogenes B (Borsäure) und pro-osteogenes Mo (Molybdäntrioxid) wurden in verschiedenen Verhältnissen kombiniert und die Auswirkungen auf die Viabilität, Zellzahl, osteogene Differenzierung und extrazelluläre Matrixbildung und -reifung von hBMSCs nach 7 und 21 Tagen Inkubationszeit analysiert.

Die Zellviabilität wurde mit Fluoreszenz-Diacetat-Konversion (FDA) und die Zellzahl durch Kernfärbung mit 4',6-Diamidino-2-Phenylindol (DAPI) quantifiziert.

Die osteogene Differenzierung wurde auf mRNA-Ebene mit quantitativer PCR (qPCR) der osteogenen Markergene ALP, Kollagen-Typ 1a1, Osteoprotegerin (OPG) und Osteopontin (OPN) bestimmt. Zusätzlich wurden OPG und OPN auf Proteinebene mit ELISA quantifiziert. Die ALP-Aktivität wurde über einen Aktivätsassay gemessen. Matrixbildung und -reifung durch Quantifizierung der extrazellulären Matrix-Kalzifizierung mit Alizarinrot-Färbung und Kollagenablagerung mit Siriusrot-Färbung analysiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Mo-Ionen erwiesen sich im Vergleich zu B-Ionen als stärker osteoinduktiv. Während einige osteogene Differenzierungsmarker in Gegenwart von B herunterreguliert wurden, sorgte die Anwesenheit von Mo für einen Ausgleich. Die kombinierte Anwendung von B und Mo führte teilweise zu synergistischen Effekten und übertraf somit die erwarteten kombinierten Effekte der einzelnen Ionen.

Beispielsweise hatte Mo an D21 einen positiven Einfluss, die Anwesenheit von B verringerte hingegen die ALP-Aktivität signifikant im Vergleich zur Kontrolle. War in der kombinierten Stimulation der B-Anteil höher als 0,5 bzw. der Mo-Anteil geringer als 1,5 mM, so war die ALP-Aktivität signifikant geringer als in den B-freien Stimulationen.

Da die begrenzten osteogenen Eigenschaften von B durch Mo kompensiert werden können, könnte die Kombination von B und Mo für BTE-Anwendungen von Vorteil sein. Zusätzlich könnten die bekannten pro-angiogenen Eigenschaften von B bei kombinierter Anwendung mit Mo aufgrund weiterer synergistischer Effekte eine Verbesserung der Vaskularisierung und Knochenregeneration bewirken. In künftigen Studien sollten die angiogenen Effekte dieser Kombination genauer untersucht werden.