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

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.