Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Isabelle Roth

 

In-Vitro-Untersuchungen zu den Effekten von degradierendem Magnesium am Implantat-Gewebe-Interface

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-103446

title (engl.)

In-vitro studies on the effects of degrading magnesium on the implant‑tissue-interface

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2013

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/rothi_ss13.pdf

abstract (deutsch)

Abbaubare Magnesiumlegierungen sind neue Materialien, die in der Entwicklung von resorbierbaren Implantaten eingesetzt werden. In der vorliegenden Arbeit wurden grundsätzliche Effekte von Magnesium und dessen Abbauprodukte auf porcine Nasenepithelzellen (PNEZ) analysiert. Zusätzlich wurde untersucht, wie Makrophagen auf Partikel reagieren, die sich von Magnesiumimplantaten ablösen könnten.

Die PNEZ wurden für 48 h mit einem Mg-Plättchen, Mg-Ionen und mit MgO-Partikel inkubiert, zusätzlich wurde Wasserstoff in das Medium eingeleitet, und der pH-Wert wurde erhöht. Bis zu einer Mg-Ionenkonzentration von 25 mmol/l zeigten die PNEZ eine gute metabolische Aktivität, wenig nekrotische Zellen und eine geringe Produktion von IL-8. Bei Mg-Ionenkonzentrationen ab 50 mmol/l fiel die metabolische Aktivität konzentrationsabhängig ab, mehr IL-8 wurde gebildet und mehr PNEZ wurden nekrotisch; ein Effekt der durch die pH-Wert-Erhöhung zusätzlich verstärkt wurde. Nur in einem engen Ionenkonzentrationsfenster konnte eine gesteigerte IL-8 Synthese beobachtet werden. Bei höheren Ionenkonzentrationen (ab 75 mmol/l) fielen die metabolische Aktivität und die IL-8 Produktion weiter ab. Gründe für diesen Abfall könnten osmotische Schäden an den PNEZ sein (KULTZ 2004). Nach Inkubation der PNEZ mit MgO‑Partikeln und Wasserstoff konnten keine Änderungen der Vitalitätsparameter oder der Zytokinsynthese festgestellt werden. Zusätzlich wurde in Western-Blot-Untersuchungen herausgefunden, dass die Synthese des proinflammatorische Zytokins IL-8  von dem p38 MAPK-Signalweg abhängig ist. Dennoch bleibt unklar, ob diese schädlichen Effekte von Magnesiumionen oder einem alkalischen pH-Wert bei einer In-vivo-Applikation überhaupt pathophysiologische Relevanz haben, da sehr wahrscheinlich solch hohe Ionenkonzentrationen bei einer Degradation in vivo nicht erreicht werden.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden murine und humane Makrophagen mit unterschiedlichen Mg- und MgOH-Partikel-Konzentrationen inkubiert. Die murinen Makrophagen zeigten nach der Partikelinkubation keine Änderungen hinsichtlich der metabolischen Aktivität und der TNF-α-Synthese. Erst nach der  zusätzlichen Infektion mit dem apathogenen M. smegmatis konnten Änderungen festgestellt werden. Bei Partikelkonzentrationen von 500 µg/ml war die metabolische Aktivität signifikant reduziert. Die TNF-α-Synthese der murinen Makrophagen war ebenfalls nach den meisten Partikelbehandlungen (Mg‑Partikel 500 µg/ml und MgOH-Partikel 50, 100, 500 µg/ml)  mehr oder weniger stark vermindert. Im Gegensatz dazu zeigte die Mixed Leukocyte Reaction, dass die behandelten Makrophagen allogene T‑Lymphozyten weder zur verstärkten noch zur verminderten Proliferation anregten.

Bei den humanen Makrophagen konnten nach Inkubation mit Mg- und MgOH‑Partikeln keine Veränderungen in der metabolischen Aktivität und bei der TNF‑α-Synthese gemessen werden. Auch nach der zusätzlichen Infektion mit M. smegmatis wurden keine signifikanten Unterschiede beobachtet.

Schließlich konnten auch bei der Prüfung der Immunkompetenz der Makrophagen nach der Inkubation mit Partikeln keine Einschränkungen festgestellt werden. Sowohl die murinen als auch die humanen Makrophagen waren trotz Partikelinkubation noch fähig, Bakterien zu phagozytieren und abzutöten. Insgesamt zeigten die Makrophagen in den Versuchen dieser Arbeit somit eine gute Verträglichkeit von Mg- und MgOH‑Partikeln.

Als Gesamtfazit lässt sich sagen, dass die hier verwendete Methode grundsätzlich eine gute Möglichkeit ist, auch weitere Legierungen und Implantatmaterialien in vitro zu testen, und dadurch Tierversuche zu vermeiden.

 

abstract (englisch)

Degradable magnesium implants as well as magnesium alloys are new materials which are used in the development of resorbable implants. In this thesis the fundamental mechanisms of magnesium and magnesium degradation products on porcine nasal epithelial cells (PNEC) were analyzed. Additionally the reactions of macrophages to Mg and MgOH particles were evaluated.

The PNEC were incubated for 48 hours with magnesium platelets, Mg ions and MgO particles, H2 passed into the cell medium or an alkaline pH. At magnesium concentration up to 25 mmol/l the PNEC showed good metabolic activity, little necrotic cells and little IL-8 production. At magnesium concentrations up to 50 mmol/l the metabolic activity decreased dose dependently, the PNEC synthesized more IL-8 and more necrotic cells were found; this effect was intensified by a concurrent cell medium alkalization. However, increased IL-8 synthesis was only detected in a narrow range of ion concentrations. In the presence of higher ion concentrations (up to 75 mmol/l) the metabolic activity and the IL-8 production decreased. The reason for this reaction might have been osmotic cell damage (KULTZ 2004). After incubation with MgO particles and hydrogen supplementation there were no changes in PNEC viability and inflammatory parameters. Additionally, western blot analysis detected a dependence of IL-8 synthesis on the p 38-MAPK signalling pathway. However, it remains unclear if the damaging effects of ions or medium alkalization play a pathophysiological role in vivo, as it is unlikely that a degrading magnesium implant will induce such high ion concentrations in vivo.

The second part deals with murine and human macrophages which were treated with different concentrations of Mg and MgOH particles. The murine macrophages showed no difference in metabolic activity and TNF α production after particle incubation. However, after ancillary infection with apathogenic M. smegmatis, the macrophages showed changes in viability and inflammatory parameters. At particle concentrations up to 500 µg/ml the metabolic activity was significantly reduced. The TNF α production of the murine macrophages was decreased after 24 h incubation with particle concentrations of 500 µg/ml (Mg) or 50, 100, 500 µg/ml (MgOH). In contrast, the mixed leukocyte reaction showed that treated murine macrophages stimulated a normal proliferation of allogenic T-lymphocytes.

The human macrophages showed no significant difference in viability and TNF α production after particle treatment. Likewise after the infection with M. smegmatis no significant difference was detected.

Finally, the test for immuncompetence of murine and humane macrophages after particle incubation showed no restrictions. Despite particle contact the macrophages were still able to phagocytose and kill the M. smegmatis. Collectively, the macrophages showed a good compatibility of Mg and MgOH particles.

This method is a reasonable alternative to test other implant materials or alloys in vitro and to avoid animal experiments.

 

keywords

Magnesium, Implantate, Zellen, implants cells

kb

3.557