Refine
Document Type
- Article (2)
- Doctoral Thesis (1)
Has Fulltext
- yes (3) (remove)
Is part of the Bibliography
- no (3)
Keywords
- critical size defect (3) (remove)
Institute
- Medizin (3)
The Masquelet technique is used to treat large bone defects; it is a two-stage procedure based on an induced membrane. To improve the induced membrane process, demineralized bone matrix in granular (GDBM) and fibrous form (f-DBM) was tested with and without bone marrow mononuclear cells (BMC) as filling of the membrane against the gold standard filling with syngeneic cancellous bone (SCB). A total of 65 male Sprague–Dawley rats obtained a 5 mm femoral defect. These defects were treated with the induced membrane technique and filled with SCB, GDBM, or f-DBM, with or without BMC. After a healing period of eight weeks, the femurs were harvested and submitted for histological, radiological, and biomechanical analyses. The fracture load in the defect zone was lower compared to SCB in all groups. However, histological analysis showed comparable new bone formation, bone mineral density, and cartilage proportions and vascularization. The results suggest that f-DBM in combination with BMC and the induced membrane technique cannot reproduce the very good results of this material in large, non-membrane coated bone defects, nevertheless it supports the maturation of new bone tissue locally. It can be concluded that BMC should be applied in lower doses and inflammatory cells should be removed from the cell preparation before implantation.
Die Therapie des critical size defects stellt eine große Herausforderung der Medizin dar. Die Knochendefekte können beispielsweise in Folge von Tumorresektionen, Knochenheilungsstörungen oder nach Frakturen entstehen. Den aktuellen Goldstandard in der Therapie großer Knochendefekte stellt die Transplantation von autologem Knochenmaterial dar. Die Entnahme des Materials aus dem Beckenkamm ist allerdings mit Nachteilen wie der Entnahmemorbididät verbunden. Alternativ können Tissue-Engineering Techniken eingesetzt werden, bei denen Zellen mit regenerativem Potential mit Knochenersatzmaterialien und Wachstumsfaktoren kombiniert werden, um eine Defektheilung zu erzielen. Der Einsatz von bone marrow mononuclear cells (BMC) mit einem osteokonduktiven Gerüst wie b-TCP hat sich als geeignetes Therapiekonzept bewiesen. Einen weiteren Ansatz stellt die Verwendung von autologen Blutkonzentraten wie beispielsweise des platelet rich fibrin (PRF) dar. Das PRF kann innerhalb weniger Minuten aus patienteneigenem Blut mittels Zentrifugation hergestellt und direkt angewandt werden. Durch seine charakteristische dreidimensionale Fibrinmatrix dient das PRF als Reservoir für Wachstums- und Regenerationsfaktoren.
Die Kombination von BMC mit PRF könnte also durch die gesteigerte Konzentration an Zytokinen und Wachstumsfaktoren wie VEGF und TGF-b zu einer Unterstützung der regenerativen Wirkung der BMC führen. Ziel dieser Arbeit war es daher, den Effekt von PRF auf BMC in vitro zu analysieren.
In Anlehnung an das low speed centrifugation concept wurden zwei verschiedene PRF-Matrices hergestellt. Diese wurden entweder mit mittlerer relativer Zentrifugalbeschleunigung (RCF) (208g) oder mit geringer RCF (60g) zentrifugiert. Um eine geeignete Konzentration des PRF zur Kombination mit den BMC zu finden, wurde im Vorfeld eine Dosisfindungskurve erstellt. Zu diesem Zweck wurde der Einfluss ansteigender PRF-Konzentrationen auf die metabolische Aktivität der BMC nach 7 Tagen Inkubation analysiert. Wir konnten einen Trend zu erhöhten Werten bei einer Konzentration von 10% des PRF beobachten. Die metabolische Aktivität der BMC wurde durch höhere PRF-Konzentrationen nicht weiter gesteigert.
Aufgrund dieser Ergebnisse wurde für die nachfolgenden Experimente eine Konzentration von 10% der PRF-Aufbereitungen und der Serum-Kontrolle eingesetzt.
Zur Charakterisierung der beiden PRF-Aufbereitungen wurde der Gehalt an Wachstumsfaktoren im Vergleich zu humanem Serum untersucht. Es zeigten sich signifikant gesteigerte Konzentrationen von Insulin-like Growth Factor-1 (IGF-1), soluble Intercellular Adhesion Molecule-1 (sICAM-1) und Transforming Growth Factor-b (TGF-b) in dem PRF. Bezüglich des Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF)-Gehaltes ließ sich allerdings kein Unterschied zwischen humanem Serum und den PRF-Matrices darstellen.
Der Effekt des PRF low-RCF und PRF medium-RCF auf die Viabilität der BMC wurde anhand der metabolischen Aktivität nach 2, 7 und 14 Tagen Inkubation untersucht. Als Kontrollgruppe diente hierbei der Zusatz von humanem Serum. Die metabolische Aktivität der BMC zeigte sich an Tag 14 in allen Gruppen signifikant gesteigert.
Außerdem konnten wir zeigen, dass der Zusatz von PRF zu BMC zu einer statistisch signifikant erhöhten Genexpression der Matrix-Metalloproteasen (MMP) -2, -7 und - 9 im Vergleich zur Serum-Kontrollgruppe führt.
In unseren Versuchen konnte nachgewiesen werden, dass die apoptotische Aktivität der BMC durch Kombination mit PRF nicht negativ beeinflusst wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich PRF-Matrices als geeignete allogene oder autologe Quelle von Wachstums- und Regenerationsfaktoren nutzen lassen. Sie besitzen damit die Kapazität, Zellen wie die BMC zu stimulieren und zu aktivieren. Unsere Studie zeigt, dass der Zusatz von PRF für BMC-gestützte Therapien förderlich sein könnte. Dies muss jedoch in geeigneten Tiermodellen überprüft werden.
The Masquelet technique for the treatment of large bone defects is a two‐stage procedure based on an induced membrane. The size of a scaffold is reported to be a critical factor for bone healing response. We therefore aimed to investigate the influence of the granule size of a bone graft substitute on bone marrow derived mononuclear cells (BMC) supported bone healing in combination with the induced membrane. We compared three different sizes of Herafill® granules (Heraeus Medical GmbH, Wehrheim) with or without BMC in vivo in a rat femoral critical size defect. A 10 mm defect was made in 126 rats and a membrane induced by a PMMA‐spacer. After 3 weeks, the spacer was taken out and membrane filled with different granule sizes. After 8 weeks femurs were taken for radiological, biomechanical, histological, and immunohistochemical analysis. Further, whole blood of the rat was incubated with granules and expression of 29 peptide mediators was assessed. Smallest granules showed significantly improved bone healing compared to larger granules, which however did not lead to an increased biomechanical stability in the defect zone. Small granules lead to an increased accumulation of macrophages in situ which could be assigned to the inflammatory subtype M1 by majority. Increased release of chemotactic respectively proangiogenic active factors in vitro compared to syngenic bone and beta‐TCP was observed. Granule size of the bone graft substitute Herafill® has significant impact on bone healing of a critical size defect in combination with Masquelet's technique in terms of bone formation and inflammatory.