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Das bioaktive Borosilikatglas 0106-B1 stimuliert Proliferation und osteogene Differenzierung von Knochenvorläuferzellen in-vitro
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Authors
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Benedikt Widholz
- Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universitätsklinikum Heidelberg, Heidelberg, Germany
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Qaisar Nawaz
- Lehrstuhl für Biomaterialien, Department Werkstoffwissenschaften, Universität Erlangen - Nürnberg, Erlangen, Germany
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Stefanos Tsitlakidis
- Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universitätsklinikum Heidelberg, Heidelberg, Germany
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Arash Moghaddam-Alvandi
- Klinikum Aschaffenburg-Alzenau, Zentrum für Orthopädie, Unfallchirurgie und Sportmedizin, Aschaffenburg, Germany
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Aldo Boccaccini
- Lehrstuhl für Biomaterialien, Department Werkstoffwissenschaften, Universität Erlangen - Nürnberg, Erlangen, Germany
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Fabian Westhauser
- Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universitätsklinikum Heidelberg, Heidelberg, Germany
| Published: | October 22, 2019 |
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Fragestellung: Synthetische Knochenersatzmaterialien wie bioaktive Gläser (BGs) können neue therapeutische Ansätze in der Behandlung von Knochendefekten ermöglichen. Das 45S5-BG (in wt%: 45,0 SiO2, 24,5 CaO, 24,5 Na2O und 6,0 P2O5) stellt den Goldstandard unter den BGs dar. Es wurden jedoch Alternativen, wie das Borosilikatglas 0106-B1 (in wt%: 37,5 SiO2, 22,6 CaO, 5,9 Na2O, 4,0 P2O5, 12,0 K2O, 5,5 MgO, 12,5 B2O3) entwickelt, die möglicherweise verbesserte biologische Eigenschaften zeigen. So wurde bereits der Nachweis vielversprechender angiogener Eigenschaften für das 0106-B1-BG erbracht. In dieser Arbeit wurde vergleichend zu 45S5-BG der Einfluss des 0106-B1-BG auf die Proliferation sowie die osteogene Differenzierung von humanen mesenchymalen Stromazellen (MSC) untersucht.
Methodik: Gesinterte BG-Pellets wurden zu Partikeln zerkleinert und in einer Konzentration von 0,1 mg/ml für 24h in Zellkulturmedium (DMEM) inkubiert, um eine Freisetzung der ionischen Zersetzungsprodukte in das DMEM zu erreichen. MSC wurden in BG-supplementiertem und -freiem (Kontrollgruppe) DMEM über einen (D1), sieben (D7) und 14 Tage (D14) inkubiert. Zu den Zeitpunkten wurde die Zellproliferation durch Quantifizierung des dsDNA-Gehalts und qualitativ mittels Fluoreszenzmikroskopie-basiertem Live/Dead-Assay bewertet. Die osteogene Differenzierung wurde durch Bestimmung der Aktivität der alkalischen Phosphatase (ALP) unter Normierung auf den Gesamtproteingehalt analysiert. Die statistische Auswertung erfolgte für gepaarte, nicht-parametrische Stichproben bei einem Signifikanzniveau von p<0,05.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Im Vergleich zur Kontrollgruppe zeigte sich der dsDNA-Gehalt in den BG-Gruppen zu allen Zeitpunkten signifikant höher, mit einem Maximum in der 0106-B1-Gruppe an D7. An D14 war der dsDNA-Gehalt für 0106-B1-BG signifikant höher als für 45S5-BG. Im Live/Dead-Assay stieg die MSC-Dichte von D1 zu D7 in beiden BG-Gruppen und es dominierten grüngefärbte lebende Zellen gegenüber rotgefärbten avitalen Zellen. Die ALP-Aktivität war zu allen Zeitpunkten in der 0106-B1-Gruppe, sowohl im Vergleich zur 45S5-Gruppe, als auch im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant höher. Verglichen zur Kontrollgruppe erhöhte das 45S5-BG die ALP-Aktivität signifikant an D7 und D14. Die maximale ALP-Aktivität wurde für das 0106-B1-BG an D14 nachgewiesen.
Beide BGs beeinflussen die Zellproliferation positiv, mit Vorteilen für das 0106-B1-BG, insbesondere mit steigender Inkubationszeit. Ferner zeigt 0106-B1-BG im genutzten Modell signifikant überlegene osteogene Eigenschaften im Vergleich zum 45S5-BG. Dies macht 0106-B1-BG zu einem vielversprechenden Kandidaten für weitere Untersuchungen.
