Tierexperimentelle Biokomoatibilitätsuntersuchung von PLGA/CaP - Scaffolds unter besonderer Berücksichtigung der Raman - Spektroskopie - Eine Pilotstudie

Die Behandlung von Knochendefekten kritischer Größe („CSD“) stellt eine besondere Herausforderung für Orthopäden und Unfallchirurgen dar. Derzeit können solche Defekte oftmals nicht mit einem befriedigenden Ergebnis versorgt werden. Ziel dieser Pilotstudie war es, die Biokompatibilität von neuartig...

Ausführliche Beschreibung

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1. Verfasser: Beltzer, Christian Rainer
Beteiligte: Wilke, Axel (Prof. Dr. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2010
Orthop
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Zusammenfassung:Die Behandlung von Knochendefekten kritischer Größe („CSD“) stellt eine besondere Herausforderung für Orthopäden und Unfallchirurgen dar. Derzeit können solche Defekte oftmals nicht mit einem befriedigenden Ergebnis versorgt werden. Ziel dieser Pilotstudie war es, die Biokompatibilität von neuartigen PLGA/CaP - Scaffolds, welche anderen Arbeitsgruppen in dieser Form bisher nicht zur Verfügung standen, im kritischen Knochendefekt im Tiermodell zu untersuchen. Gleichzeitig sollten ein geeignetes Osteosynthese-System sowie eine aussagekräftige Auswertungsdiagnostik zur Durchführung eines solchen Projektes evaluiert werden. Hierzu kam bei der tierexperimentellen Biokompatibilitätsuntersuchung von Scaffolds im kritischen Knochendefekt erstmalig die Raman – Spektroskopie zur Anwendung, um genauere Erkenntnisse über den chemischen Ablauf des Degradationsprozesses der Scaffolds im zeitlichen Verlauf zu gewinnen. Den Versuchstieren, „ChinChilla–Bastarden“, wurden PLGA/CaP - Scaffolds, welche zum einen mit Calciumphosphat – Partikeln beschichtet („coated“), und welche teilweise noch zusätzlich mit porösen CaP - Partikeln beladen waren („coated and loaded“), in einen durch Osteotomie (Länge = 1.2 cm) hervorgerufenen kritischen Knochendefekt im linken Femurknochen implantiert. Als Osteosynthese-System wurde, aufgrund einer hohen Ausfallquote in der Vorversuchsreihe unter Verwendung eines nicht winkelstabilen Systems, eine winkelstabile 7-Loch-Mandibulaplatte verwendet. Die Scaffolds wurden zudem, je nach Versuchsgruppe, vor Implantation in einem Bioreaktorsystem mit zuvor durch Knochenmarkpunktion gewonnenen mesenchymalen Stammzellen besiedelt. Die postoperativen Verlaufskontrollen fanden in Form von regelmäßigen klinischen sowie röntgenologischen Untersuchungen statt. Nach 4 und 20 Wochen wurden die Tiere euthanasiert, der linke Femurknochen entnommen und dieser einer µ– CT- und histologischen Untersuchung, sowie einige Präparate auch einer Untersuchung durch die Raman – Spektroskopie, zugeführt. In den röntgenologischen Untersuchungen konnte bei einer Vielzahl der Versuchstiere eine knöcherne Durchbauung des Osteotomiespaltes vermutet werden. Eine knöcherne Kontinuität im Sinne einer vollständigen Defekt - Über-brückung, wie sie nach Betrachtung der Röntgenbilder in 2 Ebenen zunächst angenommen wurde, ließ sich in der µ– CT – Untersuchung bei keinem der Tiere verifizieren. Die µ– CT – Untersuchungen konnten jedoch eine gute knöcherne Integration der Scaffolds in ihre Umgebung zeigen. Außerdem stellten sich, insbesondere von distal des Osteotomiespaltes ausgehende, nach proximal wachsende Kallus – Spangen dar. Die Scaffolds waren im Osteotomiespalt auch nach mehreren Wochen noch gut erhalten, zu einer schnellen Degradation kam es nicht, so dass folglich auch die Interkonnektivität der porösen Grundstruktur lange bestehen blieb. Die hervorragende Biokompatibilität der verwendeten PLGA/CaP – Scaffolds konnte durch die gewonnenen Ergebnisse der histologischen und µ - CT- Untersuchungen dargestellt werden. Kriterien hierfür waren die gute knöcherne Integration der Scaffolds, das Vorkommen von vitalen Zellen und Gefäßen selbst in zentralen Bereichen sowie das Fehlen einer zentralen Nekrose. Dazu trug die lange erhaltene Struktur und Interkonnektivität der Scaffolds bei. Die Raman – Spektroskopie erbrachte wertvolle Informationen über den genauen Degradationsprozess der Scaffolds im zeitlichen Verlauf. Sie konnte die in den Spektren auftretenden Signalintensitäten und ihre zugehörigen chemischen Gruppen qualitativ einordnen. So konnte herausgestellt werden, dass bei der Degradation zunächst das im Scaffold vorhandene Calciumphosphat abgebaut wird, wohingegen das PLGA-Gerüst lange erhalten bleibt und maßgeblich zur Strukturerhaltung beiträgt. Die nicht erfolgte vollständige knöcherne Kontinuität lässt sich hauptsächlich durch die vom Periost ausgehenden, knöchernen Verschlüsse der Markräume erklären. Des Weiteren spielte hierbei sicherlich auch eine erhaltene Restbeweglichkeit der knöchernen Fragmente gegeneinander eine Rolle. Bisherige Untersuchungen zur Heilung von kritischen Knochendefekten, bei welchen lediglich eine röntgenologische Erfolgskontrolle erfolgte und eine knöcherne Kontinuität postuliert wurde, sind aufgrund der gefundenen Ergebnisse in diesem Versuch als kritisch zu betrachten. Die verwendeten Scaffolds stellen einen sehr viel versprechenden Ansatz für eine zukünftige Anwendung im Menschen dar und bieten eine Möglichkeit, bereits bestehende therapeutische Verfahren zu erweitern und zu verbessern. Die Indikationen und Art ihrer klinischen Anwendung sollten anhand noch durchzuführender klinischer Studien entsprechend erarbeitet werden.