Vorteil einer angerauten Oberflächenstruktur von Titanpräparaten auf das osteogene Verhalten humaner Zellen

Einleitung Laut statistischem Bundesamt wurden im Jahr 2021 mehr als 400.000 Hüft- und Kniegelenksendoprothesen in Deutschland implantiert. Wie gut sich eine Endoprothese in den Knochen integriert, wird durch die unmittelbare Implantatumgebung und der Oberflächenbeschaffenheit des Implantats selbst beeinflusst, was maßgeblich die Verweildauer des Implantats im Körper bestimmt. Dieses Projekt untersucht den Einfluss einer angerauten Oberflächenstruktur von Titanpräparaten auf das osteogene Verhalten humaner adipöser Stammzellen (hASC), humaner gesunder (hOB) und humaner osteoporotischer Osteoblasten (hopOB).

Methode Primäre Zellkulturen hASC wurden aus Unterhautfettgewebe, primäre Zellkulturen hOB und hopOB aus Hüftkopfpräparaten (Entnahme nach Fraktur / Arthrosebefund) isoliert, wobei hOB mit T > -2,5 bei einer Dual Energy X-ray Absorptiometry-Messung (DXA-Messung) und hopOB mit T < -2,5. Die Titanpräparate entsprechen Titanplättchen (Firma Peter Brehm GmbH; Durchmesser 11,7mm; Dicke: 2,0mm, gleich der Größe von 24-Wells) mit einer angerauten Oberflächenstruktur (Rauheitsgrad handelsüblicher Implantate). Zur Kontrolle dienten Zellen in Plastikzellkulturschalen. Mit Calcein-Anfärbung und Fluoreszenzmikroskopie wurden die adhärenten Zellen visualisiert. Der Grad der Kalzifizierung der extrazellulären Matrix (EZM) wurde mittels Alizarin-Rot-S-Färbung quantifiziert. Die enzymatische Aktivität der alkalischen Phosphatase (ALP) diente als osteogener Differenzierungsmarker.

Ergebnisse Alle Zelltypen zeigten sich unter Calcein-Anfärbung auf der rauen Präparateseite gleichwertig adhärent zur Kontrolle. Es zeigte sich an Tag 7 eine signifikant (p < 0.05) höhere Kalzifizierung der EZM der hOB im Zusammenspiel mit der rauen Oberflächenstruktur im Vergleich zu Kontrollzellen. Ebenso zeigten hASC einen signifikant höheren Kalzifizierungsgrad auf der rauen Titanoberfläche als die Kontrollgruppe. Dieses signifikante Ergebnis zeigten auch hopOB (im Mittel 11,5-fach höher auf der rauen Präparateseite). Die ALP-Aktivität von hOB und hASc stellte sich gleichwertig zu der ALP-Aktivität der jeweiligen Kontrollzellen dar. Bei der ALP-Aktivität der hopOB an Tag 7 ließ sich eine signifikant höhere Aktivität (im Mittel 2,7-fach höhere Aktivität) auf der rauen Titanoberfläche gegenüber der Kontrolle feststellen.

Diskussion Auf der angerauten Titanoberflächenstruktur verläuft die Kalzifizierung der EZM sowie die Zelldifferenzierung aller drei Zelltypen mindestens gleichwertig zu herkömmlichen Kunststoffoberflächen von Zellkulturschalen ab. Initial fördert die raue Oberflächenstruktur die Mineralisierung der EZM aller Zelltypen. Einen besonders hohen Einfluss nimmt die angeraute Titanoberfläche dabei auf hopOB, insbesondere auch hinsichtlich der initialen Zelldifferenzierung. Weitere Untersuchungen zur Aufarbeitung der molekularen Mechanismen werden sich anschließen.

Keywords osteogene Differenzierungskapazität, Implantatoberfläche, Titan

Korrespondenzadresse Katharina Tscheu, Universitätsklinikum Düsseldorf, Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, Forschungslabor, Merowingerplatz 1a, 40225 Düsseldorf, Deutschland, E-Mail: [e-mail]

Publikationsverlauf

Artikel online veröffentlicht:
16. Juni 2023