4  Zusammenfassung und Ausblick

Vorangegangene Versuche konnten einen deutlich stimulierenden Effekt der lokal aus einer Implantatbeschichtung freigesetzten Wachstumsfaktoren IGF-I und TGF-ß1 auf die Knochenheilung im Klein- und Großtiermodell zeigen [84,88,90,94]. Es stellte sich die Frage nach den zugrundliegenden zellulären Prozessen.

Um diese Frage zu beantworten, wurden sowohl in vivo-Versuche an einem etablierten Frakturmodell durchgeführt, als auch in vitro-Versuche an humanen osteoblasten- und osteoklastenartigen Zellen.

Die histologische Beurteilung der mit Wachstumsfaktoren beeinflussten Heilung zeigte eine deutlich schnellere Reifung des Kallus, gekennzeichnet durch eine frühere Ausbildung von Knorpelarealen. Diese geht mit einer früheren Reifung sekundären Knochenmarks im Geflechtknochen des Kallus einher. Die histologischen Befunde spiegeln sich auch im veränderten Proliferationsmuster der verschiedenen Zelltypen wider. Durch die Applikation der Faktoren IGF-I und TGF-ß1 waren im Kallus früher proliferierende Chondrozyten und Osteoblasten zu erkennen, wohingegen die Proliferationsaktivität von mesenchymalen Zellen reduziert war. Nimmt man diese Ergebnisse und die Untersuchung der Heilung über einen Zeitraum von 84 Tagen [92] so wird deutlich, dass die Wachstumsfaktoren die Kallusreifung beschleunigten ohne die physiologischen Heilungsphasen zu verändern. Nach 84 Tagen zeigte der mit Wachstumsfaktoren behandelte Kallus die gleichen biomechanischen Eigenschaften und eine vollständige Heilung wie auch der Kallus der Kontrollgruppe. Vergleicht man die histologischen und biomechanischen Ergebnisse der unbehandelten und mit WF behandelten Frakturen, so wird deutlich, dass durch die WF-Gabe nach 42 Tagen eine Heilung erreicht wurde, die in der Kontrollgruppe erst nach 84 Tagen zu messen war.

Die Analyse der Wachstumsfaktorenquantität und Lokalisation im Kallus wies Unterschiede im zeitlichen Verlauf auf ohne jedoch einen Einfluss der lokal applizierten Wachstumsfaktoren deutlich zu machen. Die Wachstumsfaktorkonzentration von IGF-I stieg kontinuierlich ab Tag 10 in den Gruppen an, wobei TGF-ß1 vom Tag 5 an eine signifikante Erhöhung im Vergleich zum unfrakturierten Knochen aufwies, ohne Unterschied zwischen den Versuchsgruppen. Auch die Lokalisation der Wachstumsfaktoren IGF-I und TGF-ß1 zeigte keine Unterschiede durch die lokale Wachstumsfaktorenapplikation. Das [Seite 37↓]Expressionsmuster auf Ebene der mRNA und des Proteins stellte eine vergleichbare zelluläre Verteilung im heilenden Kallus dar.

Die in vivo-Versuche deuten auf einen Effekt der Wachstumsfaktoren in der frühen Phase der Heilung hin. Es kam zu einem veränderten Proliferationsmuster und einer beschleunigten Kallusreifung, ohne Änderung der endogenen Wachstumsfaktorenexpression. Diese Versuche lassen jedoch keinen Rückschluss über die Wirkung der Wachstumsfaktoren auf einzelne Zelltypen zu. Um dies näher zu untersuchen wurden in vitro-Zellkulturversuche an primären humanen osteoblasten- und osteoklastenartigen Zellen durchgeführt. In den Osteoblastenkulturen führte die Zugabe von IGF-I und TGF-ß1 von beschichteten Implantaten zu einer signifikanten Erhöhung der Kollagen1-Synthese. Das Titan oder die Polylaktidbeschichtung hatten keinen Einfluss auf die Osteoblasten. Kollagen-1 ist das strukturgebende extrazelluläre Protein des Knochengewebes und stellt 95% des Kollagenanteils. Eine vermehrte Syntheserate lässt auf eine Reifung der Osteoblasten durch die Wachstumsfaktorengabe schließen.

Die Ergebnisse der Osteoklastenkultur zeigten einen signifikant hemmenden Einfluss des Polymers auf die Fusions- und Resorptionsrate der Osteoklasten. Diese Hemmung wurde durch die Freisetzung von Wachstumsfaktoren aus der Polymerbeschichtung aufgehoben, wobei die Faktoren entwicklungsspezifisch wirkten.

Des Weitern wurde die Wirkung der Wachstumsfaktoren, extramedullär von einer Plattenosteosynthese appliziert, untersucht. Durch die Wachstumsfaktorengabe war die biomechanischen Stabilität des Knochens signifikant erhöht und eine fortgeschrittene Kallusreifung sichtbar im Vergleich zur Kontrollgruppe.

Schlussfolgernd konnte anhand dieser Studien gezeigt werden, dass zelluläre Prozesse während der Knochenheilung durch die lokale Applikation von IGF-I und TGF-ß1 beschleunigt werden, ohne jedoch die physiologische Abfolge sowie die Wachstumsfaktorenexpression und -konzentration zu verändern. Eine Erklärung für die verbesserte Heilung liegt in der positiven Beeinflussung der Zellproliferation einhergehend mit einer beschleunigten Kallusreifung. Die Wachstumsfaktoren begünstigen die Osteoblastenmaturation und heben den hemmenden Einfluss des PDLLA auf Osteoklasten in vitro auf. Die lokale Applikation mittels PDLLA-Beschichtung erlaubt eine sichere Wachstumsfaktorengabe, die zu keinen ektopen Ossifikationen im Muskel führt.

Weiterführende Studien an primären osteoblastenartigen Zellen untersuchen derzeit mittels Mikroarray den Einfluss der einzelnen Wachstumsfaktoren auf die Expression osteoblastenspezifischer Gene. Diese Untersuchungen sollen weitere Informationen zur Wirkweise der Wachstumsfaktoren liefern. Des weiteren werden regulatorische Proteine, die für die Interaktion von Osteoblasten und Osteoklasten verantwortlich sind, in der Zellkultur quantifiziert. Diese Untersuchungen stellen Vorarbeiten zu geplanten Co-Kulturen von Osteoblasten und Osteoklasten dar. Für das Verständnis der Wirkweise von Wachstumsfaktoren sind mehr Informationen über deren Einfluss auf knochenaufbauende und –abbauende Zellen und deren direkte Interaktion notwendig.

Die Biokompatibilität ist eine wichtige Anforderung an Biomaterialien. Die bisherigen Studien konnten keinerlei negativen Effekt der Implantatbeschichtung auf die untersuchten Zelltypen oder aber die Heilungsvorgänge zeigen. In weiterführenden Untersuchungen wird derzeit die Fremdkörperreaktion näher untersucht. Mittels histologischer Färbung werden die knochenresorbierenden Osteoklasten dargestellt und immunhistologisch die Makrophagen. Erste Ergebnisse bestätigen die bisherigen Beobachtungen. Es kommt weder durch den Einsatz der Wachstumsfaktoren noch durch die Polymerbeschichtung zu einer verstärkten Gewebsreaktion.

Außerdem sollen weitere Wachstumsfaktoren und -kombinationen im etablierten Rattenfrakturmodell und in der Zellkultur untersucht werden, um eine bestmögliche Stimulation der Knochenheilung zu erreichen.

Die Übertragung der Wachstumsfaktorenapplikation in weitere orthopädische und unfallchirurgische Bereiche ist experimentell erfolgt. So wurden erfolgreich beschichtete Cages zur intervertebralen Spondylodese getestet [46,47,48].

Die Verwendung der Beschichtung als Carrier für Antibiotika zeigte experimentell einen deutlichen Nutzen zur Reduktion implantat-assoziierter Infektionen [64]. Ein genamicinbeschichteter Nagel ist in der klinischen Dokumentation und die ersten Patienten mit offenen Unterschenkelfrakturen wurden damit behandelt.

In Kooperation mit internationalen Arbeitsgruppen wird die lokale Applikation von Wachstumsfaktoren in einem diabetischen Rattenmodell und zur Implantateinheilung am Großtier untersucht.