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The need for test systems for nanoparticle biocompatibility, toxicity, and inflammatory or adaptive immunological responses is paramount. Nanoparticles should be free of microbiological and chemical contaminants, and devoid of toxicity. Nevertheless, in the absence of contamination, these particles may still induce undesired immunological effects in vivo, such as enhanced autoimmunity, hypersensitivity reactions, and fibrosis. Here we show that artificial particles of specific sizes affect immune cell recruitment as tested in a dermal air pouch model in mice. In addition, we demonstrate that the composition of nanoparticles may influence immune cell recruitment in vivo. Aside from biophysical characterizations in terms of hydrodynamic diameter, zeta potential, concentration, and atomic concentration of metals, we show that - after first-line in vitro assays - characterization of cellular and molecular effects by dermal air pouch analysis is straightforward and should be included in the quality control of nanoparticles. We demonstrate this for innate immunological effects such as neutrophil recruitment and the production of immune-modulating matrix metalloproteases such as MMP-9; we propose the use of air pouch leukocytosis analysis as a future standard assay.
Einleitung: Knochenersatzmaterialien gewinnen in der regenerativen Medizin immer weiter an Bedeutung. Polylactid-co-Glycolid (PLGA) wird als etabliertes synthetisches Biomaterial bereits vielseitig in der medizinischen Versorgung eingesetzt, häufig in Form von Mikropartikeln oder Platzhaltern beladen mit Antibiotika oder immunaktiven Zellen zur topischen Antibiotikatherapie und Freisetzung von regenerativen Zellen in einer Defektzone. Ziel dieser Studie war die Charakterisierung einer neuen Darbietungsform von PLGA auf ihre physikalischen Eigenschaften, ihre immunologische Signatur und Zytokompatibilität. Dieses Material soll den Einsatz von PLGA in Form einer porösen Membran zur Abdeckung von großen Knochendefekten ermöglichen.
Material und Methoden: Das PLGA-Gemisch wurde in Form von scheibenförmigen Prüfkörpern und Membranen aufbereitet. Es wurde eine biomechanische Analyse des Materials auf Bruchfestigkeit, Biegesteifigkeit und seine Diffusionskapazität durchgeführt. Die Scaffolds wurden mit Knochenmarkstammzellen (BMC und MSC) besiedelt. Mittels MTT-Tests wurde die Lebensdauer und die Viabilität der Zellen auf der Prüfkörperoberfläche ermittelt. Die Zellen wurden durch PCR-Analyse auf osteogene Differenzierung untersucht. Zur Erfassung der immunologischen Signatur erfolgte ein Vollblutstimulationstest mit anschließender umfassender Auswertung des Sekretoms mittels Proteom Profiler-Analyse.
Ergebnisse: Das Material wies eine geringe mechanische Stabilität auf. Die PLGA-Membran zeigte sich für Proteine bis 11,4 kDa durchlässig. Es konnte eine stetige Degeneration des Materials in wässrigem Milieu festgestellt werden. In der Sekretom-Analyse des Vollblutstimulationstests zeigte sich eine für die PLGAMembran charakteristische immunologische Signatur mit Aktivierung von proinflammatorischen Faktoren. Das Zellüberleben auf der Prüfkörperoberfläche nahm während des Erfassungszeitraums konstant ab, während die Zellviabiliät auf dem Wellboden stieg. Es konnte keine signifikante osteogene Differenzierung der Stammzellen festgestellt werden.
Diskussion: Die schnelle Degeneration des Materials in wässriger Umgebung beeinflusste sowohl die Stabilität der Membran als auch die Zelladhäsion auf den Scaffolds negativ. Das Material wirkte dabei weder toxisch auf die Zellen, noch induzierte es eine osteogene Differenzierung. Die Analyse der Immunsignatur ließ eine frühe und starke Entzündungsreaktion nach Implantation des Materials vermuten.
Schlussfolgerung und Ausblick: Während das vorgelegte PLGA-Gemisch nicht die mechanischen Eigenschaften eines gewichttragenden Knochenersatzstoffes aufweist, so lässt es sich dennoch erfolgreich mit Stammzellen beladen, die nach Implantation gezielt in der Defektzone freigesetzt werden können. Die Anregung einer starken Immunantwort kann gerade in der frühen Heilungsphase hilfreich sein. Weitere in vivo-Untersuchungen am Tiermodell sind notwendig zur Optimierung möglicher therapeutischer Anwendungen.
The purpose of this study consists of the identification of implantologic and prosthetic methods and techniques used in substance loss rehabilitation, associated with identifying the specific biomaterials in perfect accordance with each case particularities, without leaving aside the bone-tissue deficiency etiology. A representative number of clinical cases were selected, cases which are relevant for the chosen theme. The possibility of reconstructing the natural parameters of the edentulous alveolar ridge areas is various, starting with augmentation materials of the autogenous and heterograft type biomaterials(Bio-Oss, Grafton, Cerasorb si MBCP) including the mixing of these two types of biomaterials, and going to epitheses, which are the best choise for complex substance loss.