Knochenneubildung durch Osteogenic Protein-1 und autogenes Knochenmark im Problemdefektmodell der Schafstibia

Zusammenfassung

Studienziel: Osteogenic Protein-1 (OP-1) ist ein potenter osteoinduktiver Wachstumsfaktor. Bei ausgedehnten segmentalen Knochendefekten der lasttragenden unteren Extremität sind die experimentellen Ergebnisse bisher uneinheitlich. Daher untersuchten wir die osteogenetische Potenz von OP-1 in einem kritischen Problemdefektmodell der Schafstibia, wobei geklärt werden sollte, ob ein derartiger Defekt durch OP-1 knöchern überbrückt werden kann. Ferner untersuchten wir, ob das Knochenneubildungspotenzial von OP-1 durch Zugabe von autogenem Knochenmark gesteigert werden kann. Methode: Bei 19 ausgewachsenen Merinoschafen wurde ein 5 cm langer Defekt der Tibiadiaphyse unter beabsichtigter Rotationsinstabilität mit einem Marknagel versorgt und mit folgenden Implantaten aufgefüllt: 5 mg OP-1 + inaktivierte demineralisierte Knochenmatrix (Gruppe 1; n = 6); 5 mg OP-1 + inaktivierte demineralisierte Knochenmatrix + 5 ml autogenes Knochenmark (Gruppe 2; n = 5); autogene Spongiosa (Gruppe 3; n = 4) oder inaktivierte demineralisierte Knochenmatrix + 5 ml autogenes Knochenmark (Gruppe 4; n = 4). Ergebnisse: In insgesamt 3 von 10 Fällen konnte durch OP-1 eine vollständige Überbrückung des Defektes erreicht werden. Röntgenverlaufskontrollen zeigten nach 2 Wochen zwar eine beschleunigte Osteogenese bei Zugabe von autogenem Knochenmark zu OP-1, nach 12 Wochen ergaben sich in der 3D-CT-Volumetrie aber keine relevanten Unterschiede der Knochenvolumina innerhalb des Defektbereiches in den OP-1-Gruppen. Das quantitative Knochenneubildungspotenzial autogener Spongiosa konnte durch keine der OP-1-Gruppen erreicht werden. Schlussfolgerung: Im überkritischen Defektmodell der lasttragenden unteren Extremität kann die osteoinduktive Potenz von OP-1 durch Zugabe von autogenem Knochenmark initial zwar beschleunigt, im Gesamtverlauf nach 12 Wochen aber nicht gesteigert werden. Eine Überbrückung derartig ausgedehnter Problemdefekte durch OP-1 erscheint prinzipiell möglich, lässt sich aber nicht regelmäßig erzielen. Deshalb sollte OP-1 in der untersuchen Applikationsform im ausgedehnten segmentalen Problemdefekt mit Rotationsinstabilität keine Anwendung finden.

Abstract

Aim: Osteogenic Protein-1 (OP-1) is known to be a very potent osteoinductive growth factor. However, experimental studies using critical-size defect models in the weight-bearing lower extremity show non-uniform results. Therefore, we studied the osteoinductivity of OP-1 in a tibial worst-case defect model in sheep. Potential improvement of OP-1 induced new bone formation using a composite graft with autogenous bone marrow was to be investigated. Method: In 19 sheep a 5 cm segmental defect of the tibial diaphysis was treated by intramedullary nailing and filled with the following implants: 5 mg OP-1 + inactivated demineralized bone matrix (group 1; n = 6); 5 mg OP-1 + inactivated demineralized bone matrix + 5 ml autogenous bone marrow (group 2; n = 5); autogenous cancellous bone (group 3; n = 4), or inactivated demineralized bone matrix + 5 ml autogenous bone marrow (group 4; n = 4). Results: In total, 3 out of 10 defect sites treated with OP-1 were completely bridged radiographically by 12 weeks. Initially, x-rays showed accelerated new bone formation by use of the composite grafts containing OP-1 and autogenous bone marrow. However, 12 weeks post surgery 3D-CT-volumetry could not detect significant differences of new bone formation within the defect sites treated by OP-1 with or without bone marrow, while new bone formation by autogenous cancellous bone was better than by OP-1. Conclusion: In our worst case defect model, the osteoinductive potential of OP-1 is initially accelerated but 12 weeks post surgery not increased when combined with autogenous bone marrow transplantation. So far, critical segmental bone defects of the weight-bearing lower extremity can not be bridged regularly in our model by use of OP-1. Therefore, for the treatment of such critical defects with rotational instability the examined application device of OP-1 can not yet be recommended.

Schlüsselwörter

Osteogenic Protein-1 - Bone Morphogenetic Protein-7 - Tiermodell - kritischer Segmentdefekt - Knochen - Stammzellen

Key words

osteogenic protein-1 - bone morphogenetic protein-7 - animal model - critical-size defect - bone - stem cells

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