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Fragestellung: Mesoporöse bioaktive Glasnanopartikel (MBGNs; Zusammensetzung in wt%: 70 SiO2,30 CaO) können mit Ionen supplementiert werden, um ihre biologischen Eigenschaften zu modifizieren und somit Einfluss auf ihr therapeutisches Potenzial in der Knochendefektbehandlung zu nehmen. Vielversprechende therapeutisch aktive Ionen sind hierfür u.a. Kupfer (Cu) und Zink (Zn). In einem direkten Vergleich soll der Einfluss dieser beiden Ionen als Bestandteil von MBGNs auf die Vitalität und osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stromazellen (MSCs) evaluiert werden.

Methodik: MBGNs, sowie Zn- und Cu-supplementierte MBGNs (Zusammensetzung in wt%: 5Zn-MBGNs: 70 SiO2, 25 CaO, 5 ZnO; 5Cu-MBGNs: 70 SiO2, 25 CaO, 5 CuO) wurden in einer Konzentration von 1 mg/ml zu Zellkulturmedium gegeben. MSCs wurden über einen (D1), drei (D3), sieben (D7) und 14 Tage (D14) in MBGNs-supplementiertem und -freiem Medium kultiviert. Im Anschluss wurde fluoreszenzbasiert sowohl die Vitalität der MSC als auch die Aktivität der alkalischen Phosphatase (ALP), einem Markerenzym der osteogenen Differenzierung, quantifiziert. Zudem erfolgte exemplarisch ein qualitatives fluoreszenzmikroskopie-basiertes Live/Dead-Assay an D14.

Ergebnisse: Während nicht-supplementierte MBGNs keinen signifikanten Einfluss auf die Vitalität von BMSCs hatten, induzierten Zn-supplementierte Glasnanopartikel eine signifikante Abnahme der Vitalität über den gesamten Beobachtungszeitraum von 14 Tagen. Eine Supplementierung mit Cu führte in den ersten 3 Tagen zunächst zu einem Anstieg der Vitalität gefolgt von einer Abnahme auf ca. 50% der unbehandelten Kontrolle an D14. Die Abnahme der Zellvitalität nach 14 Tagen Kokultur mit Cu- oder Zn-substituierten MBGNs konnte mittels Fluoreszenzmikroskopie bestätigt werden.

Die ALP Aktivität der untersuchten MSCs war nach einem Tag Kokultur mit nicht-substituierten MBGNs über 3-fach erhöht und fiel im weiteren Verlauf kontinuierlich auf unter 50 % der unbehandelten Kontrolle ab. 5Zn-MBGNs induzierten ebenfalls eine Erhöhung der ALP Aktivität, die an D3 ein Maximum erreichte und danach ebenfalls wieder abfiel. Nach einer Kokultivierung der Zellen mit Cu-substituierten MBGNs stieg die ALP Aktivität dagegen zu keinem Zeitpunkt über die der unbehandelten Kontrolle und fiel ebenfalls bis D14 kontinuierlich ab.

Schlussfolgerung: 5Zn-MBGNs zeigten im Vergleich zu MBGNs und 5Cu-MBGNs ein stärkeres osteogenes Potenzial bei ausgeprägterer Zytotoxizität. Cu-Supplementation in MBGNs verursachte gegenteilige Effekte. Sowohl die Zytotoxizität als auch das osteogene Potenzial waren geringer als bei 5Zn-MBGNs. Weitere Versuche, ggf. unter Nutzung weiterer MBGN-Konzentrationen oder eine Untersuchung weiterer maßgeblich an der Knochendefektheilung beteiligter Parameter wie Angiogenese oder der Bildung von Extrazellulärmatrix können zu einem besseren Verständnis des biologischen Potenzials Zn- und Cu-haltiger MBGNs führen.