B5 – In vivo- und ex vivo-Untersuchungen zur Wirkung artifizieller Matrizes auf Implantatoberflächen im Röhrenknochen

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

Publikationen

  1. Schulze S, Rothe R, Neuber C, Hauser S, Ullrich M, Pietzsch J, Rammelt S. Men who stare at bone: multimodal monitoring of bone healing. Biological Chemistry, vol. 402, no. 11, 2021, pp. 1397-1413. https://doi.org/10.1515/hsz-2021-0170.
  2. Rothe R, Hauser S, Neuber C, Laube M, Schulze S, Rammelt S, Pietzsch J. Adjuvant Drug-Assisted Bone Healing: Advances and Challenges in Drug Delivery Approaches. Pharmaceutics 2020, 12, 428; doi:10.3390/pharmaceutics12050428.
  3. Pant K, Neuber C, Zarschler K, Wodtke J, Meister S, Haag R, Pietzsch J, Stephan H. Active Targeting of Dendritic Polyglycerols for Diagnostic Cancer Imaging. Small. 2019 Dec 26. https://doi.org/10.1002/smll.201905013.
  4. Neuber C, Schulze S, Förster Y, Hofheinz F, Wodke J, Möller S, Schnabelrauch M, Hintze V, Scharnweber D, Rammelt S, Pietzsch J. Biomaterials in repairing rat femoral defects: In vivo insights from small animal positron emission tomography/computed tomography (PET/CT) studies. Clin Hemorheol Microcirc. 2019; 73:177-194. doi: 10.3233/CH-199208.
  5. Ahlfeld T, Schuster FP, Förster Y, Quade M, Akkineni AR, Rentsch C, Rammelt S, Gelinsky M, Lode A. 3D Plotted Biphasic Bone Scaffolds for Growth Factor Delivery: Biological Characterization In Vitro and In Vivo. Adv Healthc Mater 2019 Mar 6:e1801512. doi: 10.1002/adhm.201801512
  6. Godoy-Santos AL, Lopes D, Giarola I, de Cesar-Netto C, Rammelt S. Changes in cartilage, synovial cells and synovial fluid after malleolar fractures: What its importance for post-traumatic ankle osteoarthitis? FussSprungg 17: 68-74, 2019
  7. Laube M, Kniess T, Neuber C, Haase-Kohn C, Pietzsch J. Fluorine-18 Labeling of S100 Proteins for Small Animal Positron Emission Tomography. Methods Mol Biol. 2019; 1929:461-485.
  8. Rothe R, Schulze S, Neuber C, Hauser S, Rammelt S, Pietzsch J. Adjuvant drug-assisted bone healing: Part I – Modulation of inflammation. Clin Hemorheol Microcirc. 2019 Jun 3. doi: 10.3233/CH-199102
  9. Rothe R, Schulze S, Neuber C, Hauser S, Rammelt S, Pietzsch J. Adjuvant drug-assisted bone healing: Part II – Modulation of angiogenesis. Clin Hemorheol Microcirc. 2019 Jun 3. doi: 10.3233/CH-199103
  10. Rothe R, Schulze S, Neuber C, Hauser S, Rammelt S, Pietzsch J. Adjuvant drug-assisted bone healing: Part III – Further strategies for local and systemic modulation. Clin Hemorheol Microcirc. 2019 Jun 3. doi: 10.3233/CH-199104
  11. Neuber C, Belter B, Meister S, Hofheinz F, Bergmann R, Pietzsch HJ, Pietzsch J. Overexpression of Receptor Tyrosine Kinase EphB4 Triggers Tumor Growth and Hypoxia in A375 Melanoma Xenografts: Insights from Multitracer Small Animal Imaging Experiments. Molecules. 2018 Feb 17;23(2). pii: E444. doi: 10.3390/molecules23020444
  12. Förster Y, Schmidt JR, Wissenbach DK, Pfeiffer SEM, Baumann S, Hofbauer LC, von Bergen M, Kalkhof S, Rammelt S. Microdialysis sampling from wound fluids enables quantitative assessment of cytokines, proteins, and metabolites reveals bone defect-specific molecular profiles. PLoS One. 2016;11:e0159580.
  13. Förster Y, Bernhard R, Hintze V, Möller S, Scharnweber D, Schnabelrauch M, Rammelt S. Collagen/Glycosaminoglycan coatings enhance new bone formation in a critical size bone defect – a pilot study in rats. Mater Sci Eng C. 2017;71:84-92.
  14. Picke AK, Salbach-Hirsch J, Hintze V, Rother S, Rauner M, Kascholke C, Möller S, Bernhardt R, Rammelt S, Pisabarro MT, Ruiz-Gómez G, Schnabelrauch M, Schulz-Siegmund M, Hacker MC, Scharnweber D, Hofbauer C, Hofbauer LC. Sulfated hyaluronan improves bone regeneration of diabetic rats by binding sclerostin and enhancing osteoblast function. Biomaterials. 2016;96:11-23.
  15. Tondera C, Hauser S, Krüger-Genge A, Jung F, Neffe AT, Lendlein A, Klopfleisch R, Steinbach J, Neuber C, Pietzsch J. Gelatin-based hydrogel degradation and tissue interaction in vivo: insights from multimodal preclinical imaging in immunocompetent nude mice. Theranostics. 2016;6:2114-28.
  16. Laube M, Gassner C, Sharma SK, Günther R, Pigorsch A, König J, Köckerling M, Wuest F, Pietzsch J, Kniess T. Diaryl-substituted (dihydro)pyrrolo[3,2,1-hi]indoles, a class of potent COX-2 inhibitors with tricyclic core structure. J Org Chem. 2015;80:5611-24.
  17. Kalkhof S, Förster Y, Schmidt J, Schulz MC, Weißflog A, Gao W, Hempel U, Eckelt U, Rammelt S, von Bergen M. Proteomics and metabolomics for in situ monitoring of wound healing. Biomed Res Int. 2014;2014:934848.
  18. Rentsch C, Rentsch B, Heinemann S, Bernhardt R, Bischoff B, Förster Y, Scharnweber D, Rammelt S. EZM inspired coating of embroidered 3D scaffolds enhances calvaria bone regeneration. Biomed Res Int. 2014;2014:217078.
  19. Ullm S, Krüger A, Tondera C, Gebauer TP, Neffe AT, Lendlein A, Jung F, Pietzsch J. Biocompatibility and inflammatory response in vitro and in vivo to gelatin-based biomaterials with tailorable elastic properties. Biomaterials. 2014;35:9755-66.
  20. Dudeck J, Rehberg S, Bernhardt R, Schneiders W, Zierau O, Manjubala I, Goebbels J, Vollmer G, Fratzl P, Scharnweber D, Rammelt S. Increased bone remodelling around titanium implants coated with chondroitin sulfate in ovariectomized rats. Acta Biomater. 2014;10:2855-65.
  21. Rentsch C, Schneiders W, Hess R, Rentsch B, Bernhardt R, Spekl K, Schneider K, Scharnweber D, Biewener A, Rammelt S. Healing properties of surface coated polycaprolactone-co-lactide scaffolds – a pilot study in sheep. J Biomater Appl. 2014; 28:654-66.
  22. Förster Y, Gao W, Demmrich A, Hempel U, Hofbauer LC, Rammelt S. Monitoring the first stage of bone healing with microdialysis. Acta Orthop. 2012; 84(1): 76–81.
  23. Förster Y, Rentsch C, Schneiders W, Bernhardt R, Simon JC, Huster D, Worch H, Rammelt S. Surface modification of implants in long bone. Biomatter. 2012;2(3):149-57.
  24. Penk A, Förster Y, Scheidt HA, Nimptsch A, Hacker M, Schulz-Siegmund M, Ahnert P, Schiller J, Rammelt S, Huster D. The pore size of PLGA bone implants determines the de novo formation of bone tissue in tibial head defects in rats. Magn Resonan Med. 2013;70(4):925-35.
  25. Rentsch B, Bernhardt R, Scharnweber D, Schneiders W, Rammelt S, Rentsch C. Embroidered and surface coated polycaprolactone-co-lactide scaffolds: A potential graft for bone tissue engineering. Biomatter. 2012;2:158-65.
  26. Schneiders W, Rehberg S, Rentsch C, Rein S, Zwipp H, Rammelt S. Effect of chondroitin sulphate on osteogenetic differentiation of human mesenchymal stem cells. Mater Sci Eng C. 2012;32:1926-30.
  27. Garbe AI, Roscher A, Schüler C, Lutter AH, Glösmann M, Bernhardt R, Chopin M, Hempel U, Hofbauer LC, Rammelt S, Egerbacher M, Erben RG, Jessberger R. Regulation of bone mass and osteoclast function depend on the F-actin modulator SWAP-70. J Bone Miner Res. 2012;27:2085-96.
  28. Weber F, Böhme J, Scheidt HA, Gründer W, Rammelt S, Hacker M, Schulz-Siegmund M, Huster D. 31P and 13C solid state NMR spectroscopy to study collagen synthesis and biomineralization in polymer-based bone implants. NMR Biomed. 2012;25:464-75.
  29. Hamann C, Göttsch C, Mettelsiefen J, Henkenjohann V, Rauner M, Hempel U, Bernhardt R, Fratzl-Zelman N, Roschger P, Rammelt S, Günther KP, Hofbauer LC. Delayed bone regeneration and low bone mass in a rat model of insulin-resistanz type 2 diabetes mellitus is due to impaired osteoblast function. Am J Physiol Endocrinol Metab;2011;301:e1220-8.
  30. Franz S, Rammelt S, Scharnweber D, Simon JC. Immune responses to implants – A review of the implications for the design of immunomodulatory biomaterials. Biomaterials. 2011;32:6692-709.
  31. Schneiders W, Reinstorf A, Biewener A, Serra A, Kinscher M, Heineck J, Grass R, Rehberg S, Zwipp H, Rammelt S. In vivo effects of modification of hydroxyapatite/collagen composites with and without chondroitin sulphate on bone remodelling in the sheep tibia. J Orthop Res. 2009;27:15-21.
  32. Rammelt S, Corbeil D, Manthey S, Zwipp H, Hanisch U. Immunohistochemical in situ characterization of orthopaedic implants on PMMA embedded cutting and grinding sections. J Biomed Mater Res A. 2007;83:313-322.
  33. Rammelt S, Heck C, Bernhardt R, Bierbaum S, Scharnweber D, Goebbels J, Ziegler J, Biewener A, Zwipp H. In vivo effects of coating loaded and unloaded Ti implants with collagen, chondroitin sulfate and hydroxyapatite in the sheep tibia. J Orthop Res. 2007;25:1052-1061.
  34. Biewener A, Meyer J, Rentsch C, Grass R, Günther KP, Zwipp H, Rammelt S. Stabilisierung von meta- und diaphysären Segmentdefekten nach Tumorresektion durch Marknagelung und Polymethylmetacrylat- (PMMA-)Formkörper. Orthopäde. 2007;36:152-164.
  35. Schneiders W, Reinstorf A, Ruhnow M, Rehberg S, Heineck J, Hinterseher I, Biewener A, Zwipp H, Rammelt S. Effect of chondroitin sulphate on material properties and bone remodelling around hydroxyapatite/collagen composites. J Biomat Mater Res A. 2007;85: 638-45.
  36. Schneiders W, Reinstorf A, Pompe W, Grass R, Biewener A, Holch M, Zwipp H, Rammelt S. Effect of modification of hydroxyapatite/collagen composites with sodium citrate, phosphoserine, phosphoserine/RGD-peptide and calcium carbonate on bone remodelling. Bone. 2007;40:1048-1059.
  37. Rammelt S, Illert T, Bierbaum S, Scharnweber D, Zwipp H, Schneiders W.Coating of titanium implants with collagen, RGD peptide and chondroitin sulfate. Biomaterials. 2006;27:5561-5571.
  38. Rammelt S, Neumann M, Hanisch U, Reinstorf A, Pompe W, Zwipp H, Biewener A. Osteocalcin enhances bone remodeling around hydroxyapatite-collagen composites. J Biomed Mater Res A. 2005;73:284-294.
  39. Rammelt S, Schulze E, Witt M, Petsch E, Biewener A, Pompe W, Zwipp H.Collagen type I increases bone remodelling around hydroxyapatite implants in the rat tibia. Cells Tissues Organs. 2004;178:146-157.
  40. Rammelt S, Schulze E, Bernhardt R, Hanisch U, Scharnweber D, Worch H, Zwipp H, Biewener A.Coating of titanium implants with type I collagen. J Orthop Res. 2004;22:1025-1034.

Kontakt

Prof. Dr. med. Stefan Rammelt

Sektionsleiter Sprunggelenk, Fuß und Kinderorthopädie
Universitätsklinikum „Carl Gustav Carus“ der Technischen Universität Dresden
Klinik und Poliklinik für Unfall- und Wiederherstellungschirurgie
Fetscher Straße 74, 01307 Dresden

Telefon: +49 (0)351 458-2208
E-Mail: stefan.rammelt@uniklinikum-dresden.de

 

Prof. Dr. Jens Pietzsch

Abteilungsleiter
Abteilung Radiopharmazeutische und Chemische Biologie
Institut für Radiopharmazeutische Krebsforschung
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf /
Fachbereich Chemie und Lebensmittelchemie
Technische Universität Dresden

Telefon: +49 (0)351 260 – 2622
E-Mail: j.pietzsch@hzdr.de
Web: www.hzdr.de/db