Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

In-vitro-studies of the tissue compatibility of magnesium-based implants

Schumacher, Stephan

This PhD project was dedicated to establishing of an in vitro test system for the biocompatibility assessment of degradable magnesium alloys intended to be used in the nasal cavity of patients with CRS. For this purpose, three in vitro models were adapted in order to simulate a tissue-implant interface using pure magnesium test implants. In doing so, not only the biocompatibility of pure magnesium could be evaluated but also some light was shed on how the tissue responds to the presence of degrading magnesium. In the model of differentiated primary PNEC pure magnesium exhibited acceptable biocompatibility although a certain amount of necrotic cell damage and an increase in the proinflammatory cytokine IL-8 was observed. A potential influence of the degrading material on cell apoptosis and protein synthesis could not be identified but an effect on the activity of cytosolic and mitochondrial marker enzymes (PK or SDH, respectively) was detected. In vitro cultivated porcine nasal mucosa explants were utilized as the second model to allow for the interaction of different cell types thus creating a more complex experimental setting. Again the results suggested favorable tissue compatibility of pure magnesium. None of the proinflammatory substances was found to be significantly elevated and the outcomes regarding apoptosis and protein synthesis could also be confirmed. SDH activity was altered after incubation with degrading magnesium but in a contrary fashion compared with the PNEC. Interestingly, in both models none of the observed changes could be explained by the action of magnesium ions released from the test implants, but the question which degradation product is indeed responsible remains unanswered. Being a complete organ the isolated perfused bovine udder is closest to the in vivo situation of an intact organism. Its use enabled the insertion of test implants into the dynamic environment of the subcutaneous tissue and the investigation of reactions at the tissue-implant interface via microdialysis without causing animal suffering. In comparison with other in vitro experiments the release of magnesium ions from the degrading implants was substantially lower so the extracellular concentration decreased from 5.5 mmol/l to 3.5 mmol/l within two hours. Besides, an increased production of inflammation markers was not observed in this model either. In summary, the in vitro test system for magnesium alloys was successfully established. The results indicate an overall acceptable biocompatibility of pure magnesium and noteworthy insights into its actions at the tissue implant-interface could be gained. However, the exact mechanisms behind these reactions still remain unclear and require further research in order to be elucidated. In rendering an early biologic evaluation of new implant materials possible, the test system presented here will hopefully contribute to the reduction of animal experiments.

Dieses PhD-Projekt war dazu bestimmt, ein In-vitro-Testsystem für die Beurteilung der Biokompatibilität degradierbarer Magnesiumlegierungen zu etablieren, die in der Nasenhöhle von CRS-Patienten eingesetzt werden sollen. Zu diesem Zweck wurden drei In Vitro-Modelle dafür adaptiert, um am Beispiel von Reinmagnesium das Implantat-Gewebe-Interface zu simulieren. Auf diesem Wege konnte nicht nur die Biokompatibilität von Reinmagnesium bewertet werden, sondern es wurde auch etwas Aufschluss darüber gegeben, wie das Gewebe auf degradierendes Magnesium reagiert. Im Modell differenzierter primärer PNEC zeigte Reinmagnesium eine akzeptable Verträglichkeit, obwohl eine gewisse Menge nekrotischer Zellschädigung und ein Anstieg des proinflammatorischen Zytokins IL-8 beobachtet wurden. Ein möglicher Einfluss des degradierenden Materials auf die Zellapoptose und –proteinsynthese konnte nicht ermittelt werden, aber es wurde ein Effekt auf die Aktivität der zytosolischen und mitochondrialen Markerenzyme (PK bzw. SDH) festgestellt. In vitro kultivierte porcine Nasenschleimhautexplantate wurden als zweites Modell eingesetzt, um die Interaktion verschiedener Zellarten zuzulassen und so eine komplexere Versuchsumgebung zu schaffen. Wiederum wiesen die Resultate auf eine günstige Gewebverträglichkeit hin. Keine der proinflammatorischen Substanzen war signifikant erhöht und auch die Ergebnisse hinsichtlich Apoptose und Proteinsynthese konnten bestätigt werden. Nach der Inkubation mit degradierendem Magnesium hatte sich die SDH-Aktivität verändert, aber im Vergleich zu den PNEC in entgegengesetzter Weise. Interessanterweise konnten in keinem der beiden Modelle die beobachteten Veränderungen über die Einwirkung der aus den Testimplantaten freigesetzten Magnesiumionen erklärt werden, aber die Frage nach dem tatsächlich verantwortlichen Degradationsprodukt bleibt offen. Als komplettes Organ ist das isoliert perfundierte Rindereuter der In-vivo-Situation eines intakten Organismus noch am Nächsten. Seine Verwendung machte es möglich, Testimplantate in das dynamische Milieu des Unterhautgewebes einzubringen und mittels Mikrodialyse die Reaktionen am Implantat-Gewebe-Interface zu untersuchen, ohne dabei einen Leidensdruck im Tier zu erzeugen. Verglichen  mit anderen In-vitro-Experimenten war die Magnesiumionenfreisetzung aus den degradierenden Implantaten deutlich geringer und die extrazelluläre Konzentration fiel innerhalb von zwei Stunden von 5,5 mmol/l auf 3,5 mmol/l. Daneben konnte auch in diesem Modell keine vermehrte Bildung der Entzündungsmarker verzeichnet werden. Zusammenfassend wurde das In-vitro-Testsystem für Magnesiumlegierungen erfolgreich etabliert. Die Ergebnisse deuten auf eine insgesamt akzeptable Biokompatibilität von Reinmagnesium hin und es konnten beachtenswerte Einblicke in dessen Wirkungen am Implantat-Gewebe-Interface gewonnen werden. Allerdings bleiben die genauen dahinter stehenden Mechanismen ungeklärt und es bedarf weiterer Forschung, um diese aufzudecken. Indem es die frühzeitige biologische Bewertung neuer Implantatmaterialien ermöglicht, wird das hier vorgestellte Testsystem hoffentlich einen Beitrag zur Einsparung von Tierversuchen leisten.

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Schumacher, Stephan: In-vitro-studies of the tissue compatibility of magnesium-based implants. Hannover 2011. Tierärztliche Hochschule.

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