Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Implantation von Tricalciumphosphat (TCP) und humanen Knochenmarkstammzellen (hBMSC) mit exogenem und endogenem rekombinanten Bone morphogenetic Protein-2 (BMP-2) in ein Femur-Defektmodell der Ratte zur Beschleunigung der interkonnektiven Knochenheilung

Hildebrandt, Kristin

In the present study the influence of several composites of tricalciumphosphate (TCP), human bone marrow derived stem cells (hBMSCs) and recombinant human Bone Morphogenetic Protein-2 (rhBMP-2) or adenoviral BMP-2 (Ad-BMP-2) on bone healing was examined. A 5 mm critical size defect (csd) in the loaded femora of athymic nude rats (rnu-rnu) served as a fracture model hereto. In addition, two euthymic Lewis groups (lew-lew) were examined in order to consider an eventual influence of thymic aplasia on bone healing. The intramedullary fixation of the bone fragments was performed by inserting an omega-shaped Kirschner wire. During a 12 week observation period bone healing was documented radiologically in postoperative week 1, 3, 6, 9 and 12. A polychrome fluorescent label of 4 colouring matters permitted an estimation of osteoanabolic and osteocatabolic activity respectively during given periods of time. Additionally, a both morphological and histological examination of the femora was performed post mortem. Serum levels of osteocalcin and alkaline phosphatase were determined as an indicator of osteoblast activity. The study revealed that both the rnu group with exogenous rhBMP-2 and the group with endogenous Ad-BMP-2 showed a better fracture healing than the rnu groups with TCP grafts alone and those with TCP grafts in combination with hBMSC respectively. Although the two BMP groups did not differ significantly, the radiological and histological results revealed a better bone healing in the group with endogenous Ad-BMP-2. The critical size defect in 3 of 9 animals of this group was bridged over osseously six weeks after procedure, whereas none of the defects in any other group healed . Moreover, the radiological examination revealed that the rnu and lew groups with TCP developed a remarkable osteolysis in the form of marrow cavity widening, contrary to the control groups without TCP, which has been evaluated as an indicator that in this animal model TCP has an increasing influence on osteolytic processes. Future studies on bone healing improvement should take into consideration an increase of the doses both of the applied rhBMP-2 and of the adenovirally trans-duced hBMSCs. When applying a mechanically instable TCP ceramic a stable osteo-synthesis should be used for fixation of the fragments, e.g. in the form of a plate osteosynthesis. The comparison of the euthymic lew groups with the athymic rnu groups revealed a significant influence of thymic aplasia on fracture healing, as the lew groups (with and without TCP) showed a better bone regeneration than the rnu groups (with and without TCP). In addition, in the lew groups osteolytic reactions were significantly less compared with the rnu groups so that regarding bone healing a higher osteoclast activity in rnu rats is presumed. Further studies are needed to elucidate the influence of thymic aplasia on fracture healing and to enable differentiation of the effects of different bone substitutional materials in fracture models of nude rats.

In der vorliegenden Studie wurde untersucht, welchen Einfluss verschiedene Komposite aus Tricalciumphosphat (TCP), humanen Knochenmarkstammzellen (hBMSCs) und rekombinantem humanen BMP-2 (rhBMP-2) oder adenoviralem BMP-2 (Ad-BMP-2) auf die Knochenheilung ausüben. Als Frakturmodell diente dazu ein 5 mm großer Critical size defect (csd) in gewichtsbelasteten Femora bei athymischen Nacktratten (rnu-rnu). Zusätzlich wurden zwei euthymische Lewisgruppen (lew-lew) untersucht, um einen eventuellen Einfluss der Thymusaplasie auf die Knochenheilung zu berücksichtigen. Die intramedulläre Fixation der Knochenfragmente erfolgte über einen omegaförmigen Kirschner Bohrdraht. Über eine 12-wöchige Beobachtungszeit wurde die Knochenheilung röntgenologisch in Woche 1, 3, 6, 9 und 12 p.op. dokumentiert. Eine polychrome Fluoreszenz-markierung mit vier Farbstoffen ermöglichte die Beurteilung der Knochenaufbau- bzw. umbauvorgänge in bestimmten Zeitabschnitten. Ergänzend erfolgte post mortem eine sowohl morphologische als auch histologische Untersuchung der Femora. Als Marker der Osteoblastenaktivität wurden das Osteocalcin und die Alkalische Phosphatase im Serum gemessen. Die Studie ergab, dass sowohl die rnu-Gruppe mit exogenem rhBMP-2 als auch die Gruppe mit endogenem Ad-BMP-2 eine deutlich bessere Frakturheilung zeigte als die rnu-Gruppen mit TCP-Implantaten allein bzw. mit hBMSC-kombinierten TCP-Implantaten. Die beiden BMP-Gruppen unterschieden sich zwar nicht signifikant voneinander, jedoch ergaben die röntgenologischen sowie histologischen Ergebnisse eine bessere Knochenheilung der Gruppe mit endogenem Ad-BMP-2. Sechs Wochen post operationem war der csd bei drei von 9 Tieren dieser Gruppe knöchern überbrückt, jedoch kein Defekt aller anderen Gruppen. Die röntgenologische Untersuchung ergab außerdem, dass die rnu- und lew-Gruppen mit TCP im Gegensatz zu den Kontrollgruppen ohne TCP eine starke Osteolyse in Form einer Markraumerweiterung entwickelten, was als Hinweis dafür gewertet wurde, dass TCP in diesem Tiermodell einen verstärkenden Einfluss auf knochenresorbierende Prozesse ausübt. Zukünftige Studien zur Verbesserung der Knochenheilung sollten eine Dosiserhöhung sowohl des applizierten rhBMP-2 als auch der adenoviral transduzierten hBMSCs berücksichtigen. Beim Einsatz einer mechanisch instabilen TCP-Keramik sollte eine stabile Osteosynthese, z.B. in Form einer Plattenosteosynthese, zur Fixation der Fragmente verwendet werden. Im Vergleich der euthymischen lew- mit den athymischen rnu-Gruppen ergab sich ein deutlicher Einfluss der Thymusaplasie auf die Frakturheilung, da die lew-Gruppen (mit und ohne TCP) eine bessere Knochenregeneration zeigten als die rnu-Gruppen (mit und ohne TCP). Auch die osteolytischen Reaktionen fielen bei den lew-Gruppen im Gegensatz zu den rnu-Gruppen deutlich geringer aus, so dass im Rahmen der Knochenheilung eine höhere Osteoklastenaktivität seitens der rnu-Ratten vermutet wird. In weiteren Studien sollte der Einfluss der Thymusaplasie auf die Frakturheilung genauer untersucht werden, um in zukünftigen Frakturmodellen bei Nacktratten die Effekte verschiedener Ersatzmaterialien auf die Knochenheilung besser differenzieren zu können.

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Hildebrandt, Kristin: Implantation von Tricalciumphosphat (TCP) und humanen Knochenmarkstammzellen (hBMSC) mit exogenem und endogenem rekombinanten Bone morphogenetic Protein-2 (BMP-2) in ein Femur-Defektmodell der Ratte zur Beschleunigung der interkonnektiven Knochenheilung. Hannover 2004. Tierärztliche Hochschule.

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