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Bei Knochendefekten kritischer Größe ist es notwendig, den Knochen bei der Heilung zu unterstützen. Der derzeitige Goldstandard bei der Behandlung von critical size defects ist die Entnahme von autologem Knochen aus dem Beckenkamm, dies ist jedoch mit Nachteilen wie Entnahmemorbidität und Limitierung der entnehmbaren Menge vergesellschaftet. Das Knochen tissue engineering, bei welchem regenerative Zellen mit einem Knochenersatzmaterial kombiniert werden, könnte eine vielversprechende Alternative sein. Stromale Knochenmarkzellen, die Osteoblasten differenzieren können, und endotheliale Vorläuferzellen, die die Vaskularisierung der Defektzone unterstützen, zeigten sich effektiv in tierexperimentellen Studien; jedoch müssen diese Zellen vor Verwendung über einen längeren Zeitraum in Kultur expandiert werden. Dies kann jedoch zu einer Akkumulation genetischer Schäden und möglicherweise zu einer Entartung der transplantierten Zellen führen. Bone marrow mononuclear cells (BMC) stellen eine interessante Alternative dar, sie können innerhalb weniger Stunden isoliert und dem Patienten zurückgegeben werden. Ziel dieser Arbeit war daher, die Adhäsion und funktionelle Aspekte von BMC auf drei verschiedenen Knochenersatzmaterialien zu analysieren.
Im ersten Versuchsteil wurde untersucht, ob es möglich ist, BMC auf einem β-Tricalciumphosphat (β-TCP)-Scaffold auszusäen, und ob eine Beschichtung des Scaffolds eine positive Auswirkung auf die BMC-Adhäsion und Aktivität hat. Hierbei wurde eine Beschichtung mit humanem Plasma (FFP) und Fibronektin gegen eine Kontrolle verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass BMC auf unbeschichtetem β-TCP adhärieren und dass eine Vorbeschichtung des Scaffolds mit Fibronektin oder mit FFP zu keiner weiteren Verbesserung der initialen Adhäsion führt. FACS-Analysen zeigten, dass der Prozentsatz der auf dem Material adhärierenden Fraktionen regenerativer Zellen dem Prozentsatz der in der Kontrolle enthaltenen regenerativen Zellen entspricht. Überdies konnte eine endotheliale Differenzierung der ausgesäten BMC beobachtet werden. Die Anzahl adhärierender BMC war zum ersten Messpunkt an Tag zwei unabhängig von der Vorbeschichtung am höchsten. Interessanterweise war die Zahl der adhärierenden BMC auf unbeschichtetem Material signifikant gegenüber den beschichteten Materialien erhöht.
Basierend auf der Beobachtung, dass eine Vorbeschichtung der Trägersubstanz nicht zu einer Verbesserung der BMC-Adhäsion auf dem Gerüststoff führt, wurden im zweiten Versuchsteil unbeschichtete Gerüststoffe miteinander verglichen. Für diese Arbeit wurden drei aus verschiedenen Klassen der Knochenersatzmaterialien stammende Scaffolds gewählt. ChronOs® als Vertreter der β-TCPs, Cerabone®, eine verarbeitete bovine Knochenmatrix, und Demineralized Bone Matrix (DBM), ein sterilisiertes humanes Knochentransplantat. Die Untersuchungen ergaben signifikante Unterschiede in der Aussaateffizienz der Zellen auf den Materialien und der Zellaktivität im Verlauf über 21 Tage. DBM zeigte hier im Materialvergleich die besten Ergebnisse. In unserem Versuch zeigte sich die Menge der absorbierten Flüssigkeit im Verhältnis zur Materialmenge bei DBM signifikant erhöht gegenüber den beiden anderen Materialien. Zudem konnte mittels HE- und Kern-Färbung (DAPI) der Nachweis erbracht werden, dass sich Zellen tief im Inneren des Materials anlagern. MTT-Tests zeigten an Tag 14 eine signifikant erhöhte metabolische Aktivität auf DBM gegenüber Cerabone® und an Tag 21 gegenüber beiden Vergleichsmatrices. Wir konnten auf allen Materialien an Tag 2 eine signifikant erhöhte VEGF-Produktion feststellen. Mittels Real-Time-PCR ließ sich eine VEGF-Genexpression in BMC auf allen Materialien bis Tag 14 und auf DBM über die kompletten 21 Tage nachweisen. Die Genexpression von vWF konnte ebenfalls auf allen Materialien über den gesamten Zeitraum nachgewiesen werden.
Zusammengefasst konnte durch diese Studie belegt werden, dass die initiale Adhärenz von BMC auf unbeschichtete Knochenersatzmaterialien generell hoch ist, aber signifikante materialspezifische Unterschiede in der Aussaateffizienz und nachfolgend der metabolischen Aktivität und der VEGFSynthese der BMC existieren. Humanes Knochenersatzmaterial zeigte sich in unserer Studie als überlegen. Daher sollte die Art des Knochenersatzmaterials für den künftigen klinischen Einsatz von BMC Berücksichtigung finden.
Der menschliche Knochen besitzt, als Folge einer Verletzung oder eines chirurgischen Eingriffs, eine große Fähigkeit zur Reparatur und Regeneration. Die Knochenheilung beinhaltet ein komplexes Zusammenspiel von Zellen, Wachstumsfaktoren, Zytokinen sowie der extrazellulären Matrix (Hoerth et al. 2014). Nichtsdestotrotz führt ein Knochenbruch zu einer dramatischen Veränderung der mechanischen Belastbarkeit an der Verletzungsstelle. Der Abstand zwischen den beiden Frakturenden bildet einen entscheidenden Faktor in der Knochenheilung. Hier wird zwischen der primären, der osteonalen Knochenheilung und der sekundären, der kallusformierenden Knochenheilung unterschieden. Umso größer der Frakturspalt ist, desto größer wird die Instabilität, die Heilungsverzögerung und damit auch die Gefahr einer Pseudoarthrose (Hoerth et al., 2014; Marsell et Einhorn, 2011).
Große diaphysale Defekte werden meistens durch Traumata, Infektionen oder Tumore bedingt. Sie werden als critical size defects (CSD) bezeichnet, wenn eine chirurgische Intervention zur Heilung notwendig ist (Rosset et al., 2014). Langstreckige Knochendefekte stellen immer noch eine sehr große Herausforderung in der rekonstruktiven Chirurgie dar. Deswegen ist die Untersuchung und Weiterentwicklung von implantierbaren biomedizinischen Materialien bei der Behandlung von CSD eine wichtige Aufgabe.
Im Augenblick ist die häufigste Behandlungsmethode großer diaphysaler Defekte die Autologe Spongiosaplastik (ASP) und wird als Goldstandart der Therapie bezeichnet. Jedoch stehen die autologen Knochenmaterialien nur begrenzt zur Verfügung und verursachen viele Entnahmemorbiditäten. Darüber hinaus gibt es allogene, xenogene und synthetische Knochentransplantate. Dennoch ist noch keine der Therapiemöglichkeiten so ausgereift, dass die ASP dadurch ersetzt werden könnte. Die allogenen und xenogenen Materialien sind von der Menge unbegrenzt, besitzen aber eine niedrigere Biokompatibilität, höhere Infektionsgefahr und schlechtere Ergebnisse in der Langzeitwirkung (Wang et al., 2014).
Ein weiterer Nachteil gegenüber der ASP besteht darin, dass die synthetischen Knochenersatzmaterialien keine osteoinduktiven und osteogenen Eingenschaften besitzen. Eine Möglichkeit diese Qualitäten zu erhalten ist, sie mit Zellsuspensionen, wie z.B. bone marrow mononuclear cells (BMC), zu kombinieren und somit zu versuchen ein ausgereiftes Therapiekonzept zu entwickeln.
Zugleich beschreibt Masquelet et al. (2000) eine neue Technik, ein zweistufiges Verfahren zur Rekonstruktion von Knochendefekten. Es wird eine biologisch aktive Membran induziert, welche verschiedene Wachstumsfaktoren (wie z.B. VEGF, TGF beta1, BMP-2) sezerniert, die osteoinduktiv wirksam sind. Mit diesem operativen Verfahren wurden bereits gute klinische Ergebnisse bei Knochendefekten nach Tumorresektionen und Traumata erzielt.
Das Ziel dieser Studie ist es einen anorganischen Knochenersatzstoff von Heraeus Herafill unter Verwendung der induzierten Membrantechnik nach Masquelet am Rattenfemur zu testen. Die Forschung erfolgt dabei unter der Hypothese, dass die Korngröße des Knochenersatzmaterials Herafill in Kombination mit BMC-Besiedelung Einfluss auf die Heilung eines kritischen Knochendefekts hat.
Bei Knochendefekten kritischer Größe gestaltet sich die selbstständige Regeneration als nahezu unmöglich, weshalb es nötig ist die Therapie zu optimieren. Die Verwendung autologer Spongiosatransplantate stellt den aktuellen Goldstandard dar, was jedoch mit einer Reihe von Komplikationen, beispielsweise Schmerzen an der Entnahmestelle oder Wundheilungsstörungen verbunden ist. Das Knochen Tissue Engineering repräsentiert eine aussichtsreiche Alternative. Die Kombination eines osteokonduktiven Gerüststoffes mit regenerativen Zellen, wie zum Beispiel mononukleäre Zellen des Knochenmarks (BMC), stellt einen vielversprechenden Ansatz dar. Die BMCs haben im Vergleich zu anderen verwendbaren Zelltypen, z.B. mesenchymale Stammzellen (MSCs) oder endothelialen Vorläuferzellen (EPCs), den entscheidenden Vorteil einer kurzen Aufbereitungszeit, wodurch die definitive Frakturversorgung beschleunigt wird.
Mittels Inhibierung von MicroRNAs (miRNAs) mit Einfluss auf das osteogene und angiogene Potenzial der BMCs soll dieses System weiter verbessert werden. MiRNAs umfassen eine Gruppe kurzer, nicht-codierender RNAs die an der Steuerung grundlegender biologischer Prozesse beteiligt sind. Im Rahmen dieser Studie sind die MIR92A sowie MIR335 von besonderem Interesse. MIR92A blockiert die Angiogenese durch Verringerung der Expression des pro-angiogenen Proteins Integrin alpha 5 (ITGA5, CD51) sowie durch die Aktivierung des Notch-Signalweges um die Vascular endothelial growth factor (VEGF)-induzierte Blutgefäßbildung zu reduzieren. MIR335 hemmt über die Verringerung der Proteinkonzentration des Runt-related transcription factor 2 (RUNX2) die Proliferation und Differenzierung von humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSCs) zu osteogenen Zellen. Aufgrund der erläuterten Erkenntnisse sollte in dieser Arbeit überprüft werden, ob die Neutralisation von MIR92A (Vaskularisierung) und MIR335 (osteogene Differenzierung) in BMCs mittels spezifischer antiMIR zu einer weiteren Verbesserung der BMC gestützten Therapie großer Knochendefekte führt.
Im ersten Teil der Versuche wurde das Prinzip der Lipotransfektion, zur Einbringung der Antikörper gegen die miRNAs in BMCs, optimiert und die Transfektionseffizenz bestimmt. In Abhängigkeit von der Zellsorte wurden mit 30 % - 69 % ausreichend hohe Transfektionseffizenzen erzielt, um jeweils 24 h nach Transfektion einen signifikanten Rückgang der Target-miRNA-Konzentrationen zu erreichen.
Nachdem die Wirksamkeit der Transfektion nachgewiesen war, wurden im zweiten Teil der Experimente die spezifischen Effekte der antiMIR auf die Zielgene überprüft. Der Einsatz von antiMIR92A führte nach 72 h zu einer erhöhten Genexpression von ITGA5 sowie VEGFA, zwei für die Angiogenese entscheidende Proteine. Zusätzliche konnte mittels FACS-Analyse eine signifikant gesteigerte CD51-Oberflächenexpression dokumentiert werden. Bei der Verwendung von antiMIR335 konnte eine verstärkte Expression der für die osteogene Differenzierung entscheidenden Indikatoren RUNX2 und BMP2 nachgewiesen werden. Die additionale Gabe von VEGFA (MIR92A) oder BMP2 (MIR335) konnte nach 48 h einen Trend zu verstärkter ITGA5 und VEGFA, beziehungsweise RUNX2 und BMP2 Expression erkennen lassen.
Zusammenfassend hat diese Studie verdeutlicht, dass die Inhibierung der MIR92A und MIR335 eine vielversprechende Möglichkeit bietet, das BMC gestützte Knochen Tissue Engineering weiter zu optimieren.
Limb stump pain after amputation, due to sensitized neuromas, is a common condition that can cause a great deal of suffering in affected patients. Treatment is difficult, requiring a multidisciplinary approach that is often unsatisfactory. One treatment used to mitigate pain is electrical stimulation (EStim), administered using several different therapeutic approaches. The research described in this dissertation sought to characterize changes in peripheral nerve morphology, and neuroma formation, following limb amputation, with an eye toward developing better treatment strategies, that intervene before neuromas are fully formed. Another focus of this study was to evaluate the effect EStim has on changes in peripheral nerve morphology, and neuroma formation, following limb amputation.
Right forelimbs of 42 male Sprague Dawley rats were amputated. At 3, 7, 28, 60 and 90 days post amputation (DPA) 6 limb stumps, in each group, were harvested and changes in peripheral nerve morphology, and neuroma formation were measured. In addition, limb stumps of 6 EStim treated, 6 sham-treated (deactivated EStim devices), and 6 non-treated rats were harvested at 28 DPA.
Analysis revealed six distinct morphological characteristics of peripheral nerves during nerve regrowth and neuroma development; 1) normal nerve, 2) degenerating axons, 3) axonal sprouts, 4) unorganized bundles of axons in connective tissue, 5) unorganized axon growth into muscles, and 6) unorganized axon growth into fibrotic tissue (neuroma). At the early stages (3 & 7 DPA), normal nerves could be identified throughout the limb stump tissues and small areas of axonal sprouts were present near the distal tip of the stumps. Signs of degenerating axons were evident from 7 to 90 DPA. From day 28 on, variability of nerve characteristics, with signs of unorganized axon growth into muscle and fibrotic tissue, and neuroma formation, became visible in multiple areas of stump tissue. These pathological features became more evident at 60 and 90 DPA. EStim treated stumps revealed neuroma formation in 1 out of 6 animals, whereas in sham and controls, neuroma formation was seen in 4 out of 6 stumps respectively.
We were able to identify 6 separate histological stages of peripheral nerve regrowth and neuroma formation over 90 days following amputation. Axonal regrowth was observed as early as 3 DPA, and signs of unorganized axonal growth and neuroma formation were evident by 28 DPA. Our observations suggest that EStim-based treatment and/or other prevention strategies might be more effective if administered in the initial dynamic stages of neuroma development.