Vergleichende Untersuchungen unterschiedlicher Tricalciumphosphatpartikulate zur Kieferkammaugmentation: eine histomorphometrische und immunhistochemische Studie

Abstract

Synthetische Knochenersatzmaterialien fungieren beim Knochenaufbau als Leitschiene für einwandernde Zellen und einwachsende Gefäße. Diese osteokonduktive Eigenschaft ist der wichtigste Aspekt der knöchernen Regeneration. Idealerweise sollte ein Knochenersatzmaterial simultan zur Knochenneubildung resorbiert werden. Nur auf diese Weise kann ein ausreichendes Knochenangebot bei vollständiger Resorption gewährleistet werden. Neben der chemischen Zusammensetzung der Materialien nimmt auch die Porosität der Granulate einen wichtigen Einfluss auf ihre Degradation und die Knochenneubildung nach Augmentation. Ziel dieser Studie war es, unter Verwendung zweier hochporöser β-TCP-Keramiken weitere auf die Partikeldegradation und die Knochenneubildung Einfluss nehmende Faktoren zu erörtern. Dabei sollten Unterschiede in der Reaktion in vivo herausgearbeitet, aber auch Gemeinsamkeiten aufgezeigt werden. Untersucht wurden die klinisch angewandten Granulate Cerasorb® M und Ceros® bei der zweizeitigen Sinusbodenaugmentation. Die Augmentation erfolgte mit einer Mischung aus β-TCP und autogenen Knochenspänen im Verhältnis 4:1. In die Studie wurden insgesamt 40 Patienten einbezogen, von denen 20 Cerasorb® M und weitere 20 Ceros® als β-TCP erhielten. Nach einer Einheilphase von sechs Monaten erfolgte die Entnahme der Biopsien im Zuge der Implantatbettaufbereitung. Die Einbettung der Proben in einer Mischung aus MMA und BMA erlaubte eine immunhistochemische Färbung der Schnitte mit Antikörpern gegen Col 1, ALP, OC und BSP aufgrund der bestehen bleibenden Antigenität. Die Auswertung dieser Schnitte erfolgte histologisch, histomorphometrisch und immunhistologisch. Für die Histomorphometrie wurden die Schnitte in drei Bereiche eingeteilt: den ortsständigen Knochen, den zentralen Anteil der Biopsie und den apikalen. Der zentrale war der nahe des ehemaligen Sinusbodens und der apikale der an der Schneiderschen Membran gelegene Teil der Biopsie. Für jedes Teilgebiet wurden jeweils der knöcherne Anteil, der Weichgewebsanteil (inklusive Knochenmark) und das Restaugmentat prozentual ermittelt. Die immunhistologische Auswertung wurde semi-quantitativ durchgeführt und basierte auf einer Skala, die die Stärke der Färbung und die Verteilung der angefärbten Marker mit einbezog. Alle chirurgischen Eingriffe verliefen komplikationslos. Nach sechs Monaten konnten in beiden Gruppen Biopsien mit einer Länge von 8 – 12 mm entnommen werden. Die knöcherne Regeneration in den augmentierten Bereichen variierte in Abhängigkeit von der Lokalisation innerhalb der Biopsie. Während im zentralen Bereich die β-TCP-Granulate größtenteils durch neu gebildeten Knochen ersetzt wurden, war apikal in beiden Gruppen Restaugmentat vorhanden. In der Ceros®-Gruppe war dieses in der Nähe der Sinusschleimhaut bindegewebig ummantelt, weiter zentral jedoch gut knöchern integriert. Die Ceros®-Partikel hatten im histologischen Bild eine kantige Struktur und ihre Morphologie war wie die eines Naturschwammes mit Poren. Cerasorb® M war dagegen aus kleinen kugeligen Primärpartikeln aufgebaut, die traubenförmig zu größeren Partikeln zusammengelagert waren. In Abhängigkeit vom Fortschritt der Resorption waren große und kleine Cerasorb® M-Partikel, jedoch auch einzelne kugelige Primärpartikel erkennbar. Die histomorphometrischen Ergebnisse bestätigten, dass bei Cerasorb® M sowohl die Knochenneubildung als auch die Partikeldegradation mit Abstand zum ortsständigen Knochen (Sinusboden) abnahmen. Der Anteil an neu gebildetem Knochen im apikalen Bereich war mit 33,3 % geringer als zentral (43,9 %), während der Restanteil an Cerasorb® M apikal mit 21,1 % deutlich über dem zentralen Wert (2,8 %) lag. Beide Differenzen waren statistisch hochsignifikant. Bei den Ceros®-Biopsien war die Restaugmentatmenge apikal mit 16,0 % ebenfalls statistisch hochsignifikant größer als zentral (1,3 %). Der Anteil an neu gebildetem Knochen in der apikalen Region war im Verhältnis dazu mit 36,3 % nur geringfügig kleiner als zentral (39,5 %). Immunhistochemisch konnte bei den Cerasorb® M-Biopsien Col 1 als Marker der Proliferation und ECM-Bildung verstärkt im apikalen Bereich nachgewiesen werden, während die Marker der Mineralisation (OC und BSP) in beiden Bereichen Mineralisationszentren anzeigten. Bei Ceros® dagegen bestätigten Col 1 und ALP im apikalen und zentralen Bereich eine voranschreitende Proliferation. Während apikal diese Marker der frühen Knochenneubildung eher von mesenchymalen Zellen exprimiert wurden, waren es zentral vermehrt Osteoblasten und Matrixbestandteile, die positiv reagierten. Mineralisationsmarker waren in beiden Bereichen nachweisbar. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen, dass Knochenersatzmaterialien trotz gleicher chemischer Zusammensetzung unterschiedlich in vivo reagieren können. Ausschlaggebend für dieses Verhalten ist die Morphologie der Partikel. Die kompaktere Struktur der Ceros®-Granulate bleibt lange stabil und wird stetig von den Makroporen her resorbiert, während bei Cerasorb® M die Resorption an den Verbindungsstellen der Primärpartikel („necks“) beginnt. Beide β-TCP- Präparate zeigen eine hervorragende Biokompatibilität sowie ein osteokonduktives Verhalten. Ihre Degradationsmuster resultieren jedoch in einem unterschiedlichen osteokonduktivem Potential. Der apikal höhere Knochenanteil bei Ceros® im Vergleich zu Cerasorb® M bestätigt, dass eine lange bestehen bleibende Stabilität der Granulate die Osteokonduktivität positiv beeinflusst. Die auffällig geordnete trabekuläre Struktur im zentralen Anteil der Ceros®-Biopsien und die geringe Knochendichte in diesem Bereich bestätigen ein bereits weit vorangeschrittenes Remodelling in diesem Bereich. Die Morphologie der Ceros®-Granulate übt somit zentral einen positiveren Einfluss auf die Regeneration aus, während apikal die kantige Struktur zu einer Reaktion der Schneiderschen Membran und zu einer bindegewebigen Ummantelung der Granulate führt. Die klinischen Resultate sind insgesamt zufrieden stellend und bestätigen beiden Präparaten eine gute klinische Anwendbarkeit bei der zweizeitigen Sinusbodenaugmentation. Die Forderung einer vollständigen Resorption bei Implantation wird jedoch von beiden Präparaten nicht erfüllt.

Ideally, a biomaterial used as bone substitute material should be a temporary material serving as a scaffold for bone formation by promoting bone formation at its surface and permitting the penetration of cells and blood vessels. Thus, bioactivity and osteoconductivity in conjunction with an adequate biodegradability are the most important properties regarding the bone regenerative capacity of bone grafting materials. Particularly in non-load- bearing applications such as alveolar ridge augmentation a bone substitute material must degrade in a controlled fashion into non-toxic products that the body can metabolize or excrete via normal physiological mechanisms. Moreover, this substance should be resorbable and should undergo complete remodeling and substitution by newly formed functional bone tissue. Thus, ideally bioactive calcium phosphate ceramics for use in bone augmentation should exhibit good bone bonding behaviour by stimulating enhanced bone formation at the interface in combination with a high degradation rate, thereby meeting a balance between rapid bone formation and rapid biodegradation. The degradation of these materials and their potential to enhance bone formation is dependent on their chemical composition and porosity. This study examines the effect of two highly porous β-tricalcium phosphate particulate bone grafting materials with varying morphology on osteogenesis after sinus floor augmentation. Unilateral sinus augmentation was performed in 40 patients using a combination (4:1 ratio) of β-TCP particles and autogenous bone chips. The TCP particles used were Ceros® and Cerasorb® M. Each type of TCP particles was used in 20 patients. After a 6-month healing period cylindrical biopsies were sampled at implant placement and processed for immunohistochemical analysis. Sections were stained for collagen type I, alkaline phosphatase , osteocalcin and bone sialoprotein. Furthermore , the bone area fraction as well as the particle area fraction were determined histomorphometrically first, apically close to the Schneiderian membrane and second, in the center of the cylindrical biopsies. Semi-quantitative analysis of the immunohistochemically stained sections was performed using a scoring system which quantified the amount of staining and the localization of this staining. After sinus floor augmentation, no postoperative complications occured in any of the patients. Six month after augmentation the biopsies varied in length between patiens (8-12mm). In both groups smaller amounts of TCP grafting material were found in the central portion of the biopsies compared to the apical areas. Furthermore, a greater bone area fraction was found in the central areas. In the patient group, in which Ceros® was used, the residual particles near to the Schneiderian membrane were embedded in fibrous tissue. In contrast good bone bonding behaviour was observed in the center of the biopsies. The difference in morphology of both type of particles became clearly visible in the histological sections. Cerasorb® M granules are highly microporous whereas Ceros® displayed a high percentage of macropores. Consequently, in the biopsies from patients, in which Cerasorb® M was used, greater fragmentation of the β-TCP graft material was noted. In the Cerasorb® M group significantly more bone had formed in the central area compared to the apical area. This was associated with a significantly smaller amount of residual TCP grafting material. In the apical area close to the Schneiderian membrane the mean bone area fraction was 33.3% and the mean particle area fraction was 21.1%. The mean bone area fraction recorded for the central area of the biopsies was 43.9% and the mean particle area fraction was 2.8%. Also in the Ceros® patient group a significantly higher amount of particle degradation was observed in the central area (1.3% compared to 16% of residual particles in the apical area). The results of the histomorphometric evaluation, however, showed a slightly higher amount of newly formed bone in the center of the biopsies (39.5% centrally and 36.3% apically). An enhanced positive staining for Col I was observed in the Cerasorb® M patient group in the apical area.OC and BSP were predominantly noted in the central area. Whereas in the Ceros® patient group Col I and ALP showed greater staining in fibroblasts apically and positive staining in osteoblasts and fibrous matrix centrally. The results of the current study showed a differing in vivo tissue response to two highly porous β-TCP granules. The differences in biodegradation behaviour was directly influenced by the morphology. In a material with macroporous granules (Ceros®) biodegradation can occur throughout the materials, i. e. granules. With microporous granules , resorption can only occur at the outer surface of the granules. Furthermore, the degradation process involves a disintegration into small particles by dissolution of the struts. Both β-TCP granules showed excellent biocompatibility and osteoconductive behavior. The difference in morphology resulted in a differing biodegradation behaviour. A longer lasting stability of the granules enhanced the osteoconductive property. Thus, a greater bone area fraction in the apical portion of biopsies taken in the Ceros® group was noted compared to when Cerasorb® M was used. .This was in addition to a more cancellous bone structure and a lower bone density caused by an already more advanced remodeling in the central portion of the Ceros® biopsies. Consequently, the Ceros® granules had an advantageous effect on bone regeneration in the central portion, while apically they were covered by fibrous tissue. Both of the utilized TCP granules showed favourable results, when used for sinus floor augmentation wit a staged approach. However, 6 months after sinus floor augmentation the biodegradation of the TCP materials was still actively progressing.