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Der Einfluss von Osteocalcin auf die Materialeigenschaften und das in vivo-Verhalten eines Kalziumphosphat-Kollagen Komposit-Zementes.
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Authors
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Stefan Rammelt
- Klinik für Unfall- und Wiederherstellungschirurgie, Universitätsklinikum "Carl Gustav Carus" der TU, Fetscherstr. 74, 01307, Dresden, Phone: 0351 458 3777, Fax: 0351 458 4307
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M. Neumann
- Unfall- und Wiederherstellungschirurgie, Universitätsklinikum "Carl Gustav Carus" der TU Dresden
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A. Reinstorf
- Institut für Werkstoffwissenschaft, TU Dresden
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M. Gelinsky
- Institut für Werkstoffwissenschaft, TU Dresden
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A. Biewener
- Unfall- und Wiederherstellungschirurgie, Universitätsklinikum "Carl Gustav Carus" der TU Dresden
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H. Zwipp
- Unfall- und Wiederherstellungschirurgie, Universitätsklinikum "Carl Gustav Carus" der TU Dresden
| Published: | November 11, 2003 |
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Fragestellung
Untersuchung des Effektes von Osteocalcin, einem nichtkollagenen Matrixprotein, auf das in vitro- und in vivo-Verhalten eines Kalziumphosphat-Kollagen-Komposites. Osteocalcin wird eine wichtige Rolle bei der Knochenneubildung (Osteoblastenregulation, Hydroxylapatit-Bindung) zugeschrieben.
Methoden
Ein unter physiologischem pH und bei Raumtemperatur aushärtender CaP-Zement wurde mit 3 vol% Kollagen Typ I versetzt. Einer Implantatgruppe wurden zusätzlich 10µg Osteocalcin (OC) zugesetzt. Die ausgehärteten zylindrischen Probenkörper (2.5 x 6 mm) wurden in einen Stanzdefekt in der Tibiametaphyse von adulten Wistar-Ratten implantiert. Die Tibiae von jeweils 6 Tieren wurden nach 2, 7, 14, 28 und 56 d gewonnen. Nach Formalinfixierung und EDTA-Entkalkung erfolgte die histologische Auswertung mittels HE, Goldner sowie immunhistochemischen Methoden. Beide Probenkörper wurden zudem 2 h mit Osteoblasten-ähnlichen Zellen (SaOS-2) besiedelt. Diese wurden fluoreszenzmikroskopisch mittels Rhodamin-Phalloidin-Färbung dargestellt.
Ergebnisse
Die Hinzufügung von 10 µg OC führte beim Abbinden des CaP-Zementes zur Bildung eines nanokristallinen Hydroxylapatits (200nm), während die unmodifizierten Implantate eine typische Hydroxylapatit-Mikrostruktur (500-1000nm) aufwiesen. Rasterelektronenmikroskopisch imponierte eine feste OC-Adsorption. In vitro zeigte sich eine beschleunigte initiale Adhärenz der SaOS-Zellen auf den OC-modifizierten Oberflächen. Im Tierexperiment wurde am 2. Tag um beide Probenkörper eine zellreiche Interface gesehen. Direkt um die OC-Implantate waren bereits einzelne Osteoklasten (TRAP-positiv) und Osteoblasten (positiv für Osteonectin und Bone Sialoprotein) nachweisbar. Am 7. Tag wurden deutlich mehr Osteoblasten und Osteoklasten um die OC-Implantate gesehen. Junger Lamellenknochen bildete sich um beide Implantate. Am 14. Tag fand sich um die OC-Implantate ein neugebildeter Osteoidsaum, um die Kontrollen eine kräftigere zellreiche Interface. Ab dem 28. Tag reichte trabekulärer Knochen in beiden Gruppen an die Probenkörper heran. Um die Kontroll-Implantate fand sich eine schmale bindegewebige Interface, diese war um die OC-Implantate inkonstant, wo vorhanden jedoch reich an Osteoblasten und Osteoklasten. Die quantitative Analyse (Zellzahl pro Zählkammer) des intrazellulären Osteoklasten-Markers TRAP ergab eine signifikant höhere Zellzahl um die OC-Gruppe am 7. Tag, um die Kontroll-Gruppe hingegen am 14. Tag (p<0.05, t-Test).
Schlussfolgerungen
Die Hinzufügung von Osteocalcin führt in vitro zu einer vermehrten Zelladhäsion, in vivo zu einer deutlichen Beschleunigung und qualitativ verbesserten knöchernen Einheilung von CaP-Kollagen-Kompositen. Das frühere und vermehrte Auftreten von resorptiven und osteogenen Zellen spricht hierbei für ein intensiveres Knochenremodeling. Die Aufbringung Osteoblasten-assoziierter Matrixproteine eröffnet neue Möglichkeiten bei der Verbesserung der Eigenschaften von Knochenersatzstoffen
