Analyse des Einflusses des Biomaterialparameters „Mikrosteifigkeit“ neuartiger Gelatinescaffolds auf die Knochenregeneration in einem Rattendefektmodel

Abstract

Die Heilung von Knochendefekten kritischer Größe stellt immer noch eine Herausforderung dar, da sie ohne weitergehende Eingriffe in einer verzögerten oder ausbleibenden Heilung (Pseudarthrose) enden (Mathon et al., 1998). Die Behandlung mit autologer Spongiosa als Goldstandard funktioniert gut, besitzt jedoch auch viele Nachteile (Jäger et al., 2005a; Rompe et al., 2004). Daher werden immer mehr Knochenersatzmaterialien, sogenannte Scaffolds, entwickelt, die die Knochenheilung leiten und somit unterstützen sollen. Dabei sind besonders die mechanischen Eigenschaften, wie die Mikrosteifigkeit, dieser Scaffolds für die Osteoregeneration wichtig und müssen optimal an die Bedürfnisse des heilenden Knochens angepasst werden (Chatterjee et al., 2010; Engler et al., 2006; Huebsch et al. 2010). In dieser Studie wurde ersmals in vivo der Einfluss der Mikrosteifigkeit des Scaffoldmaterials, also den Widerstand den eine Zelle fühlt, wenn sie an die extrazelluläre Matrix bindet, untersucht. Dafür wurden im Helmholtz Zentrum Geesthacht zwei Gelatinescaffolds entwickelt, die sich in ihren mechanischen Eigenschaften nur in der Mikrosteifigkeit unterschieden. Der Gelatinescaffold 1 besaß eine Mikrosteifigkeit von etwa 100 kPa, der Gelatinescaffold 2 eine Mikrosteifigkeit von etwa 1200 kPa. Bei 24 Ratten, die randomisiert in drei Gruppen aufgeteilt wurden, wurde ein fünf Millimeter Defekt am Os Femoris erzeugt. Dieser wurde mit einem unilateralen Fixateur extern stabilisiert und in der ersten Gruppe mit dem weicheren Scaffold (Gelatinescaffoldgruppe 1), in der zweiten Gruppe mit dem härteren Scaffold (Gelatinescaffoldgruppe 2) und in der dritten Gruppe mit einem xenogenen Spongiosatransplantat (Spongiosakontrollgruppe) als Positivkontrolle gefüllt. Röntgenkontrollen und MicroCT-Untersuchungen erfolgten alle zwei Wochen. Nach einer Standzeit von sechs Wochen wurden die Tiere euthanasiert, die Oberschenkelknochen entnommen und histologisch, immunhistochemisch und histomorphometrisch untersucht. Radiologisch und histologisch zeigte keines der Tiere der Gelatinescaffoldgruppen nach sechs Wochen eine knöcherne Überbrückung, jedoch gab es bei einem Tier aus der Gelatinescaffoldgruppe 2 eine knorpelige Überbrückung und ein weiteres Tier dieser Gruppe stand kurz vor einer knöchernen Konsolidierung. Die restlichen Tiere aus den beiden Gelatinescaffoldgruppen zeigten allerdings teilweise Zeichen einer verzögerten Heilung in Form von verminderter Vaskularisierung, abgerundeter Kallusenden oder Muskelprolaps in den Osteotomiespalt. Auch in der Spongiosakontrollgruppe gab es nach sechs Wochen keine knöcherne Überbrückung des Defektes. Im Osteotomiespalt war die Spongiosa noch gut zu erkennen und teilweise schon in den sich neubildenen knöchernen Kallus eingebaut. Zeichen einer verzögerten Heilung wurden kaum beobachtet. In den quantitativen radiologischen und histomorphometrischen Messungen zeigte sich, dass im Vergleich die Gelatinescaffoldgruppe 2 signifikant größere neue Knochen- und Knorpelformationen im Kallus aufwies, als die Gelatinescaffoldgruppe 1. Auch in der Spongiosakontrollgruppe war der neugebildete knöcherne und knorpelige Kallus signifikant größer als der der Gelatinescaffoldgruppe 1. Zwischen der Gelatinescaffoldgruppe 2 und der Spongiosakontrollgruppe bestanden jedoch keine quantitativen Unterschiede im neugebildeten Kallus. Daraus lässt sich schließen, dass der Scaffold mit der höheren Mikrosteifigkeit die Knochenheilung nicht nur besser unterstützt als der Scaffold mit der niedrigeren Mikrosteifigkeit, sondern sogar in ähnlicher Weise wie das Spongiosatransplantat.

Healing of a critical size defect remains still a challenge, because without intervention it ends in a delayed healing or nonunion (Mathon et al., 1998). Treatment with an autologous cancellous bone transplant, the gold standard, often works well, but also possesses many disadvantages (Jäger et al., 2005a; Rompe et al., 2004). Thus many new bone substitutes, used as scaffolds, are being developed. These scaffolds shall “guide” and thereby promote the bone healing process. The mechanical properties of the scaffold, such as the microstiffness are very important for osteoregeneration and have to be tailored in an optimal manner to address the needs of the healing bone (Chatterjee et al., 2010; Engler et al., 2006; Huebsch et al. 2010). This study examined, for the first time, the influence of the microstiffness of the scaffold material on the healing outcome in vivo. The microstiffness affects the resistance a cell feels when it binds to the extracellular matrix. Therefore, two gelatin scaffolds were developed at the Helmholtz Centrum Geesthacht. The mechanical properties of these scaffolds only differ in their microstiffness. Gelatin scaffold 1 had a microstiffness of 100 kPa and Gelatin scaffold 2 had a microstiffness of 1200 kPa. In 24 rats, which were randomized and divided into three groups, a five millimeter defect at the os femoris was created. This defect was stabilized with a unilateral external fixator and was filled in the first group with the softer scaffold (gelatin scaffold group 1), while the second group received the stiffer scaffold (gelatin scaffold group 2), and the third group received a xenograft of cancellous bone (positive control group). Biweekly radiographs and in vivo micro-computer tomography scans were prepared. After six weeks the animals were euthanized, the bones were obtained and evaluated histologically. Radiologic and histological analysis revealed that no animals from the two gelatin scaffold groups showed a bony bridging after six weeks. However, one animal from the gelatin scaffold group 2 shows a cartilaginous bridging and another animal from this group had almost achieved bony consolidation. The remaining animals from both gelatin scaffold groups indicated some signs of delayed healing, such as decreased vascularisation, rounded ends of the callus or prolapsed muscle into the osteotomy gap. Even in the cancellous bone graft group, no animal had a bony bridging of the gap after six week. The cancellous bone graft was clearly visible in the gap and partly already consolidated into the newly formed bony callus. Signs of delayed healing were hardly observed in this group. The quantitative radiologic and histological measurements showed that the gelatin scaffold group 2 had significantly higher bone and cartilage formations in the new formed callus than the gelatin scaffold group 1. Also, the cancellous bone graft group had significantly higher new bone and cartilage callus tissue formation than the gelatin scaffold group 1. However, there were no quantitative differences in the amount of bone or cartilage tissue formation between the gelatin scaffold group 2 and the cancellous bone graft group. That implies that the scaffold with the higher microstiffness not only better supported the bone healing than the scaffold with the lower microstiffness, it even supported a similar degree of healing to that of the cancellous bone graft.