Einfluss von demineralisierter Knochenmatrix (DBM) und deren Anreicherungen mit BMP-2 oder Gentamicin auf die Knochenheilung im Schafmodell

Abstract

Kommt es zu Knochendefekten kritischer Größe, einer mechanischen Instabilität oder einer Infektion, kann es zu einer Störung der Knochenheilung kommen. Um diese zu behandeln und eine ausbleibende Heilung zu verhindern, wird der Einsatz von Knochenersatzmaterialien notwendig. Klinischer Goldstandard hierfür ist autologe Knochenspongiosa. Die Gewinnung dieses Materials bedeutet aber einen zusätzlichen Eingriff, zumeist am Beckenkamm, verbunden mit möglichen Komplikationen. Eine Alternative hierfür können allogene Knochenersatzmaterialien wie zum Beispiel die demineralisierte Knochenmatrix (DBM) sein. In dieser Studie wurde die intraoperative Anwendung von DBM und dessen Einfluss auf die Knochenheilung am Bohrlochmodell des Schafes untersucht. Zusätzlich wurde die DBM mit Hilfe einer speziellen Mischspritze mit rhBMP-2 und Gentamicin angereichert und die Knochenheilung zu der singulären Anwendung von DBM verglichen. Hierfür wurden Bohrlochdefekte in den proximalen und distalen Anteil von Femur, Humerus, Metakarpus und Metatarsus in Schafen gesetzt und mit den Materialien gefüllt. Nach drei und neun Wochen Heilungszeit erfolgte eine radiologische, histologische und histomorphometrische Auswertung der Proben. Zusätzlich Bohrlochdefekte mit autologer Spongiosa für den Vergleich mit dem klinischen Goldstandard gefüllt und untersucht. Diese dienten zusammen mit Leerdefekten als Kontrollproben. Die Knochenheilung wurde im Vergleich zu der Anwendung von autologer Spongiosa durch die eingesetzte DBM nicht verstärkt und zeigte eine vergleichbare Knochenheilung wie die Leerdefekte. Die Anreicherung der DBM mit rhBMP‑2 steigerte die Knochenheilung und zeigte eine mit der autologen Spongiosa vergleichbare Defektheilungsförderung. Die Anwendung von DBM angereichert mit Gentamicin verzögerte die Knochenheilung. Die DBM eignet sich durch die gute Bindung von BMP‑2, kombiniert mit einer konstanten Freisetzung als gutes Trägermaterial und ist in dieser Kombination als mögliche Alternative zur autologen Spongiosa zu sehen. Die Kombination mit Gentamicin verzögerte die Knochenheilung, hemmte diese aber nicht. Hier wäre die Untersuchung der Knochenheilungsförderung in Kombination mit einem infizierten Heilungsmodell interessant und bietet weitere Forschungsansätze. Die DBM kann somit in Bezug auf eine Förderung der Knochenheilung alleine nicht als Alternative zur autologen Spongiosa bestehen. Dennoch zeigte sie gute Eigenschaften als Trägermaterial und birgt hier eine Möglichkeit für die Behandlung kritischer Knochendefekte und infizierten Frakturen.

A consequence of critical-size bone defects, mechanical instability or infection of fractures can be an impaired bone healing. To treat or prevent this consequence a wide spectre of bone grafting materials are used. Autologous bone graft is considered the gold standard in bone grafting procedures but due to its disadvantages, there is a need for an alternative. This study evaluated the intraoperative application of demineralized bone matrix (DBM) and the enrichment with BMP-2 and Gentamicin as an alternative to autologous spongiosa in a drill hole model in sheep. Drill hole defects (diameter 6mm x depth max. 15 mm) were placed in the proximal and distal part of femur, humerus, metakarpus and metatarsus of merino-mix sheep and filled with either DBM, DBM enriched with BMP-2 or DBM enriched with Gentamicin. Defects filled with autologous spongiosa and empty defects served as a control. After three and nine weeks healing time the samples were analysed radiographically, histologically and histochemically. The singular use of DBM showed a similar bone healing as the empty controls and no enhancement of the bone healing compared to the group treated with autologous spongiosa. DBM enriched with BMP-2 enhanced bone healing to a similar extent as the group treated with autologous spongiosa. Enriched with Gentamicin the bone healing was reduced. Based on the long-term binding of BMP-2 in DBM combined with a continuous release, DBM is a good carrier for BMP-2. This is therefore a suitable combination to treat an impaired bone healing or critical size defects as an alternative to autologous spongiosa. The combination with Gentamicin delayed the bone healing but did not inhibit it. This combination maybe holds advantages in case of an infected fracture or osteomyelitis, but this still has to be determined by further studies. DBM alone cannot stand as an alternative to autologous spongiosa in terms of enhancing the bone healing, but it holds a promising potency as a carrier and therefore for the treatment of critical size defects or infected fractures.