Induktion von Knochengewebe auf unterschiedlichen Matrizes: Eine In-vitro- und In-vivo-Pilotstudie in der SCID Maus

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Abstract
Studienziel: Drei resorbierbare Biomaterialien wurden hinsichtlich der Proliferation humaner stromaler Knochenmarkszellen (BMSC) und ihrer osteogenen Differenzierung in vitro untersucht. In einem zweiten Versuchsabschnitt wurde in einer in-vivo Pilotstudie der neue Knochenersatzstoff Kalzium-defizientes Hydroxylapatit (CDHA) mittels subkutaner Implantation in der kombiniert immundefizienten (SCID) Maus evaluiert. Methoden: Zwei Keramiken, CDHA und β-Trikalziumphosphat (β-TCP) sowie demineralisierte Knochenmatrix (DBM) wurden mit BMSC besiedelt und für 3 Wochen in osteogenem Medium in vitro kultiviert. Für die in-vivo Pilotstudie mit 8 SCID Mäusen wurden besiedelte CDHA-Proben in einem Ansatz für 14 Tage im osteogenem Medium kultiviert (Gruppe A) und dann subkutan für 3 bzw. 8 Wochen implantiert. In einem zweiten Ansatz wurden die besiedelten CDHA-Proben ohne Vorkultivierung (Gruppe B) und Leerkontrollen in jeweils dieselbe Maus implantiert. Ergebnisse: Auf allen Biomaterialien stieg das Gesamtprotein und die spezifische alkalische Phosphatase (ALP) über 3 Wochen in vitro signifikant an. In der DBM war eine homogene Verteilung der BMSC vorhanden, die über 3 Wochen zunahm. Im CDHA fanden sich vor allem in den äußeren Schichten Zellen, die Zellzahlen im β-TCP waren sehr niedrig. In dem in-vivo Versuch zeigte sich in allen CDHA-Matrices eine gute Penetration und in 2 von 4 Proben in Gruppe B und 1 von 4 Proben in Gruppe A nach 8 Wochen Zellformationen mit der Morphologie von hypertrophen Faserknorpelzellen. Die spezifischen ALP Werte waren gegenüber den Leerkontrollen in den Gruppen B (p = 0,012, Z = - 2,5) signifikant erhöht, signifikante Unterschiede zwischen Gruppen A und B fanden sich nicht. Der Gruppenvergleich der Gruppe A zur Leerkontrolle erreichte nicht das Signifikanzniveau (p = 0,069, Z = - 1,8). Zusammenfassung: Alle getesteten Biomaterialien erscheinen geeignet für eine Proliferation und Differenzierung von BMSC zu sein. Humane BMSC auf CDHA zeigten nach ektoper subkutaner Implantation Zeichen einer osteogenen Differenzierung. Aim: Three resorbable biomaterials were evaluated regarding proliferation and osteogenic differentiation of human bone marrow stromal cells (BMSC) in vitro. In a second step, the new biomaterial, calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA), was tested in a pilot in vivo study by subcutaneous implantation in the severe combined immunodeficiency (SCID) mouse. Methods: CDHA, β-tricalcium phosphate (β-TCP), and demineralized bone matrix (DBM) were seeded with human BMSC and cultured in osteogenic supplements for 3 weeks. In the pilot in vivo study, CDHA was seeded with BMSC and kept in osteogenic media for 2 weeks (group A) before subcutaneous implantation in 8 SCID mice for 3 and 8 weeks. In addition, CDHA seeded with BMSC without prior osteogenic induction (group B) and empty ceramics were implanted in each mouse. Results: Total protein content and the values for specific alkaline phosphatase (ALP) increased significantly in vitro on all matrices, but no significant difference between the groups was noted. In the pilot in vivo study all ceramics were well penetrated by cells. After 8 weeks 2 of 4 samples in group B and 1 of 4 samples in group A revealed cells resembling hypertrophic chondrocytes. Specific ALP was higher in the group B (p = 0.012, Z = - 2.5) compared to empty ceramics. There were no significant differences between groups A and B. Differences between group A and the empty control did not become significant (p = 0.069, Z = - 1.8). Conclusion: All three matrices promoted BMSC proliferation and differentiation to osteogenic cells in vitro. Human BMSC on CDHA showed signs of osteogenic differentiation after subcutaneous implantation into SCID mice.

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