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In vivo- und ex vivo-Untersuchungen zur Wirkung artifizieller Matrizes auf Implantatoberflächen im Röhrenknochen

Prof. Dr. med. Stefan Rammelt, Prof. Dr. rer. medic. habil. Jens Pietzsch, Dr. rer. nat. Sabine Schulze, Dr. rer. nat. Christine Neuber, Juliane Stilp, Suzanne Manthey (MTLA), Annett Wenke (MTLA)

Die rasche und stabile Einheilung metallischer Implantate im langen Röhrenknochen zur Verringerung der Lockerungs- und Infektraten ist ein essenzieller Faktor für den Behandlungserfolg in der Unfall- und rekonstruktiven Chirurgie. Dazu ist ein vertieftes Verständnis der Heilungsprozesse essentiell. Hierzu wurde die Frühphase der Wund- und Knochenheilung mittels Mikrodialyse analysiert und die von den Kooperationspartnern synthetisierten und in vitro charakterisierten aEZM im Klein- und Großtiermodell untersucht. Aufbauend auf diesen Ergebnissen sollen jetzt der Verlauf der Knochenheilung und metabolische Schlüsseleffekte der Mikroumgebung mit Hilfe nicht-invasiver, multimodaler bildgebender Verfahren in vivo dargestellt werden. Hierbei werden die am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) etablierten und neu entwickelten Radio- und Fluoreszenztracer sowie eine Kombination von Kleintier-Positronen-Emissions-Tomographie/Computer-Tomographie (PET/CT) und Optischer Bildgebung (OI) eingesetzt. Diese erlauben die funktionelle und teilweise quantitative Charakterisierung des gesamten Heilungsprozesses in Abhängigkeit von den eingesetzten Materialien. Nachfolgend wird mittels multimodaler Bildgebung die gezielte therapeutische Beeinflussung ausgewählter inflammatorischer und angiogener Prozesse, beispielsweise durch Hemmung der Cyclooxygenase-2 (COX-2), Freisetzung von Stickoxid (NO) oder Aktivierung des Sphingosin-1-Phosphat-Rezeptors-1 (S1P1) untersucht.

Die bisher bei gesunden und diabetischen Ratten gewonnenen Erkenntnisse legen nahe, dass mit aEZM beschichtete Scaffolds eine positive Wirkung auf die Knochenheilung haben. In-vitro-Untersuchungen, bei denen der Einfluss hoch sulfatierter Glykosaminoglykane auf die Differenzierung und Mineralisierung von geschädigten Osteoblasten und Osteoklasten/peripheral blood mononuclear cells (PBMC) von Patienten mit Diabetes mellitus und Osteoporose ermittelt wird, sollen die klinische Relevanz der bisherigen Versuche in einem translationalen Ansatz belegen.
Abb. 1: Konzentrationsprofile der im Mikrodialysat nachgewiesenen Proteine über 24 h. (A) Konzentrationsprofil für IL-6, stellvertretend für IL-6, CXCL1, CXCL2 und CXCL3. (B) Konzentrationsprofil für CXCL7, stellvertretend für CXCL4 und CXCL7. (C) Konzentrationsprofil für SDF-1, stellvertretend für IL-10, TGF-?1 und SDF-1. Schwarz – Knochendefekt, rot – Weichteilwunde

Abb. 2: µCT-Aufnahmen der Femurdefekte 12 Wochen postoperativ. Der Defekt blieb nach der OP leer oder wurde mit aEZM-beschichteten PCL-Scaffolds aufgefüllt.

 
 Abb. 3: Kleintier-PET/CT-Aufnahmen 4 Wochen postoperativ (Leerdefekt) nach Applikation von [18F]Fluorid (1 h p.i.) als PET-Tracer

Projektrelevante Publikationen

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