Effekte eines mit Brain-Derived Neurotrophic Factor funktionalisierten pastenartigen Knochenzements auf die metaphysäre Heilung in einem neuen murinen osteoporotischen Frakturmodell

Einleitung:

Osteoporotische Frakturen sind weltweit ein bedeutendes Gesundheitsproblem. Ihre Behandlung ist problematisch, da die Implantatfixierung in osteoporotischen Knochen häufig nicht zufriedenstellend gelingt. Deshalb ist die Entwicklung neuer, für osteoporotische Knochen besser geeigneter Knochenersatzmaterialien, die stabilisieren und die Knochenregeneration fördern, dringend erforderlich. Kalziumphosphatzemente sind bevorzugte Materialien, die zudem geeignete Träger für Wachstumsfaktoren, wie Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF), sind. BDNF scheint an der Frakturheilung beteiligt zu sein, da er in Frakturgewebe nachgewiesen wurde, während des physiologischen Knochenumbaus jedoch nicht.

Methode:

Muskarinische Acetylcholinrezeptor M3 (M3 mAChR) Knockout (KO)-Mäuse, die einen osteoporotischen Knochenphänotyp aufweisen und ihre knochengesunden Wildtypen (WT) wurden in der distalen Metaphyse osteotomiert. Der Frakturspalt wurde mit einem pastenartigen, Hydroxylapatit-bildenden Knochenzement aufgefüllt, der mesoporöse bioaktive CaP-SiO2-Glaspartikel (Zement/MBG-Komposit) enthielt und mit oder ohne BDNF versehen war. Nach 35 Tagen wurden die Femora analysiert.

Ergebnisse:

Histologisch war die Knochenneubildung bei WT-Mäusen, die das BDNF-funktionalisierte Zement/MBG-Komposit erhielten, im Vergleich zu WT-Mäusen ohne BDNF, signifikant erhöht. In osteoporotischen M3 mAChR KO-Mäusen erhöhte das Zement/MBG-Komposit ohne BDNF die Knochenneubildung im Vergleich zu gleich behandelten WT-Mäusen. Die massenspektrometrische Bildgebung zeigte in M3 mAChR KO-Mäusen, dass das BDNF-funktionalisierte Zement/MBG-Komposit durch neu gebildetes Gewebe infiltriert war. Die Leukozytenanzahl war in M3 mAChR KO-Mäusen, die mit BDNF-funktionalisiertem Zement/MBG-Komposit behandelt wurden, im Vergleich zu den Kontrollen ohne BDNF, signifikant niedriger. Die Konzentrationen von C-reaktivem Protein war in M3 mAChR KO-Mäusen, die das Zement/MBG-Komposit ohne BDNF erhielten, im Vergleich zu gleichbehandelten WT-Mäusen, signifikant niedriger. Während die Alkalische Phosphatase (ALP)-Konzentrationen im Kallusgewebe von M3 mAChR KO-Mäusen signifikant erhöht war, war die ALP-Aktivität in WT Mäusen signifikant höher. Auf mRNA- und microRNA-Ebene wurden keine signifikanten Unterschiede in diversen Knochenparametern zwischen den Gruppen festgestellt.

Diskussion:

Das Knochenersatzmaterial bewirkte eine stabile Frakturheilung in Mäusen mit osteoporotischem Phänotyp und in Wildtypmäusen. In nicht-osteoporotischen Mäusen erhöhte die Funktionalisierung des Materials mit BDNF die Knochenneubildung signifikant. Daher schlussfolgern wir, dass höhere BDNF-Konzentrationen zur Steigerung der osteoporotischen Frakturheilung erforderlich sind. Negative Effekte des Materials auf den Knochen wurden nicht festgestellt. Gefördert durch die DFG (SFB/TRR 79, Projekte B7, M2, M5 und Z3)