PDLLA-BMP-2-beschichtete Titan-Kirschner-Drähte stimulieren die Genexpression humaner Primärosteoblasten in vitro

Abstract

Eine in vitro Studie mit humanen Primärosteoblasten sollte Aufschluss geben, wie die mRNA-Expressionsmuster von PDLLA-BMP-2-beschichteten Titan-Kirschner- Drähten beeinflusst werden. Mit Hilfe der cDNA-Mikroarraytechnologie wurden die Effekte der unbeschichteten, PDLLA- und PDLLA-BMP-2-beschichteten Drähte zu den Versuchstagen 0, 5, 10 und 15 untersucht. Ziel war es, Erkenntnisse bei den Regulationsmechanismen des Osteoblasten zu erhalten. Mit der Ausnahme von Ascorbat, β-Glycerophosphat und Antibiotika wurde auf die Zugabe weiterer osteoblastogenesebeeinflussender Faktoren verzichtet. Die Ergebnisse dieser Arbeit bewiesen eine Beeinflussung der humanen Primärosteoblasten durch die PDLLA- und durch die PDLLA-BMP-2-Beschichtungen auch auf der molekularen Ebene. Die stimulierende Wirkung der PDLLA-beschichteten Titan-Kirschner- Drähte gegenüber den mRNA-Expressionen der Kontrollgruppe zeigte sich ab dem 10. Versuchstag, bei der PDLLA-BMP-2-Gruppe hingegen schon ab dem Tag 5. Die erste mRNA-Expression, die sich unter dem PDLLA-BMP-2-Einfluss gegenüber der Kontrollgruppe abhob, war die des Rezeptors TGFβR1. Das Ausmaß der Stimulierung durch PDLLA und PDLLA-BMP-2 war dann am 10. Versuchstag besonders deutlich. 5 mRNA-Expressionen in der PDLLA-Gruppe entsprachen mehr als 50% der GAPDH-Expression, während es bei der PDLLA-BMP-2-Gruppe 18 Expressionen waren. Zu den stark erhöhten mRNA-Expressionen unter der PDLLA-Beschichtung gehörten der Transkriptionsfaktor MSX1, die ECM-Proteine COLL12A1, Biglycan, die Proteinase MMP2 und der Wachstumsfaktor FGF2. Neben diesen erhöhten sich unter dem PDLLA-BMP-2-Einfluss zusätzlich die mRNAs von COLL11A1, COLL14A1, Annexin V, TGFβ3, FGF1, den VEGFs (-A, -B), den SMADs 2, 4, 5 und 9, ITGA1 und CTSK. Anhand der gewonnenen m-RNA-Expressionsmuster zeigte sich, dass alle erhöht expremierten mRNAs von der PDLLA-Gruppe auch in der PDLLA-BMP-2-Gruppe gesteigert wurden. Neben den Zeitunterschieden und den scheinbaren variierenden Expressionshöhen bei den beiden Gruppen kristallisierte sich außerdem heraus, dass einige mRNAs im Vergleich zur Titan- und PDLLA-Gruppe nur unter dem PDLLA-BMP-2-Einfluss stark erhöht expremiert wurden. Unter diesen Aspekt fielen der Rezeptor TGFβR1, die Kollagene 11A1, 14A1 und das Zelladhäsionsmolekül ITGA1. Starke Expressionssteigerungen, die sich bei der PDLLA-BMP-2-Gruppe am Tag 10 ergaben und auch noch am Tag 15 erhöht blieben, waren TGFβ3, VEGFB, SMAD 2, 4, 5 und ITGA1. Es konnte in der in vitro Studie bestätigt werden, dass durch die PDLLA-Beschichtung von Titan-Kirschner- Drähten mRNA-Expressionen bei humanen Primärosteoblasten erhöht werden. Durch die zusätzliche BMP-2-Beschichtung werden weitere mRNA-Expressionssteigerungen bzw. frühere Expressionszeitpunkte erzielt. Die PDLLA- und PDLLA- BMP-2-beschichteten Titan-Kirschner-Drähte induzieren bei von humanen Primärosteoblasten in dem beobachteten Versuchszeitraum von 15 Tagen eine erhöhte Expression osteogeneserelevanter mRNAs.

The present in vitro study aimed to analyse the effect of PDLLA-BMP-2-coated titanium Kirschner wires on mRNA expression patterns of human primary osteoblasts. Using cDNA microarray technology the effects of uncoated, PDLLA- and PDLLA-BMP-2-coated wires were investigated at days 0, 5, 10 and 15. Goal of the study was to gain insight into the regulatory mechanisms of osteoblasts. This investigation was conducted without administering any additional osteoblastogenesis-promoting factors except for ascorbate, β-glycerophosphate and antibiotics. The results show that human primary osteoblasts are affected by PDLLA and PDLLA-BMP-2 coatings at the molecular level. The stimulating effect of PDLLA coated titanium Kirschner wires on mRNA expression levels was observed as from investigation day 10, whereas this effect occurred in the PDLLA-BMP-2 group as from day five. The first instance of mRNA expression observed under the influence of PDLLA-BMP-2 was on the TGFβR1 receptor. An intense stimulation of mRNA-expression was detectable at day 10 in both experimental groups. More than 50% of GAPDH expression was detectable in 5 mRNAs in the PDLLA group and in 18 mRNAs in the PDLLA-BMP-2 group. Substantially increased mRNA expression levels in the PDLLA group were observed for the transcription factor MSX1, ECM protein COLL12A1, biglycan, MMP2 proteinase and growth factor FGF2. In addition to these, mRNAs elevated levels of COLL11A1, COLL14A1, annexin V, TGFβ3, FGF1, the VEGFs (-A, -B), SMAD 2, 4, 5 and 9, ITGA1 and CTSK were detectable in the PDLLA-BMP-2 group. The mRNA expression pattern showed that all increased mRNA expression in the PDLLA group was mirrored in the PDLLA-BMP-2 group with an earlier appearance. In addition to the time differences and the apparently divergent expression levels in the two groups, it was found that in comparison to the titan- and PDLLA-group the expression levels of some mRNAs only rose when exposed to PDLLA-BMP-2. This applied to the TGFβR1 receptor, the collagens 11A1 and 14A1, and the cell adhesion molecule ITGA1. Interestingly 6 elevated expression levels were observed in the PDLLA-BMP-2 group on day 10 and were still elevated on day 15: TGFβ3, VEGFB, SMAD 2, 4, 5 and ITGA1. The present in vitro study showed that PDLLA-coated titanium Kirschner wires increase mRNA expression levels in human primary osteoblasts. An additional BMP-2 coating resulted in further increases in these levels and in earlier expression onset. PDLLA and PDLLA-BMP-2 coated titanium Kirschner wires induced increased expression of osteogenetic mRNAs in human primary osteoblasts during the 15 day investigation period.