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Einfluss von niederenergetischem gepulsten Ultraschall auf das Proliferations- und Differenzierungsverhalten osteoblastärer Zellen in vitro

Influence of low-intensity pulsed ultrasound on proliferation and differentiation pattern of osteoblastic cells in vitro

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-5621
  • Niederenergetischer gepulster Ultraschall wird seit mehreren Jahren erfolgreich zur Therapie von verzögert heilenden Frakturen und Pseudarthrosen eingesetzt. Die Wirksamkeit wurde anhand verschiedener klinischer Studien demonstriert, die genauen Wirkmechanismen sind weniger gut verstanden. Ziel dieser Untersuchung war es, den Einfluss von Ultraschall auf verschiedene mesenchymale Zellen anhand von Zellkulturen zu untersuchen. Die Parameter Zellproliferation bzw. Zellvitalität, Zellmorphologie, Aktivität der Alkalischen Phosphatase undNiederenergetischer gepulster Ultraschall wird seit mehreren Jahren erfolgreich zur Therapie von verzögert heilenden Frakturen und Pseudarthrosen eingesetzt. Die Wirksamkeit wurde anhand verschiedener klinischer Studien demonstriert, die genauen Wirkmechanismen sind weniger gut verstanden. Ziel dieser Untersuchung war es, den Einfluss von Ultraschall auf verschiedene mesenchymale Zellen anhand von Zellkulturen zu untersuchen. Die Parameter Zellproliferation bzw. Zellvitalität, Zellmorphologie, Aktivität der Alkalischen Phosphatase und Genexpressionsmuster wurden betrachtet. Bei den verwendeten Zellen handelte es sich um primäre Zellen aus humanem spongiösen Knochen („humane Beckenkammzellen“) sowie um die murine Osteoblasten-Linie MC3T3-E1 und um die murine Fibroblasten-Linie L929. Die Ultraschallbehandlung dauerte 20 Minuten täglich und wurde an bis zu sechs aufeinanderfolgenden Tagen durchgeführt. Keine der drei untersuchten Zellarten zeigte eine Änderung des Proliferationsverhaltens bzw. der Zellvitalität. Für Veränderungen der Zellmorphologie sowie der Mineralisierung gab es keinen Anhalt. Bei den humanen Beckenkammzellen wurde eine Steigerung der spezifischen Alkalische-Phosphatase-Aktivität beobachtet, nach sechsmaliger Ultraschallbehandlung betrug sie 143% der Aktivität der Kontrollkulturen. Die MC3T3-E1-Osteoblasten wiesen keine Veränderung ihrer Alkalische-Phosphatase-Aktivität auf, die L929-Fibroblasten exprimierten zu keinem Zeitpunkt, auch nicht unter Ultraschall, dieses Enzym. Weiterhin wurde das Genexpressionsmuster der humanen Beckenkammzellen mittels mRNA-Isolierung und RT-PCR untersucht. Als Markergene dienten Alkalische Phosphatase, Typ-I-Kollagen, Osteokalzin, BMP-2, BMP-4, BMP-7, COX-2 und HSP 47. Abgesehen von BMP-7 wurden alle der genannten Gene sowohl in der Ultraschall- als auch in der Kontrollgruppe exprimiert. Eine qualitative Änderung des Expressionsmusters unter Ultraschall kann somit ausgeschlossen werden. Die semiquantitative Analyse ergab eine erhöhte Expressionsrate von BMP-2 und BMP-4, während die anderen Marker praktisch unverändert blieben.show moreshow less
  • Low-intensity pulsed ultrasound is used for treatment of prolonged fracture healing, non-unions and osteoradionecrosis as well. Its effectiveness has been demonstrated in animal experiments and various clinical studies. The aim of this investigation was to evaluate the influence of ultrasound (30 mW/cm2, 1,5 MHz) on primary human osteoblastic cells in culture. Cells were exposed to ultrasound for twenty minutes on six subseqent days. Cell proliferation and cell viability, cell morphology, alkaline phosphatase activity and gene expressionLow-intensity pulsed ultrasound is used for treatment of prolonged fracture healing, non-unions and osteoradionecrosis as well. Its effectiveness has been demonstrated in animal experiments and various clinical studies. The aim of this investigation was to evaluate the influence of ultrasound (30 mW/cm2, 1,5 MHz) on primary human osteoblastic cells in culture. Cells were exposed to ultrasound for twenty minutes on six subseqent days. Cell proliferation and cell viability, cell morphology, alkaline phosphatase activity and gene expression patterns (RT-PCR) were analyzed each day. No changes in cell proliferation and –viability and no morphologic changes were found. The activity of alkaline phosphatase was increased significantly to 143% of the activity of the unsonicated control cultures after six treatments. Analysis of gene expression showed an increase for BMP-2 and BMP-4. There was no evidence for upregulation of the stress protein HSP47. We conclude that low-intensity pulsed ultrasound has no harmful effect on primary human osteoblastic cells in vitro. The data support the clinical findings of accelerated fracture healing under the influence of low intensity ultrasound.show moreshow less

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Metadaten
Author: Uwe Klammert
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-5621
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Medizinische Fakultät
Faculties:Medizinische Fakultät / Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Plastische Gesichtschirurgie
Date of final exam:2003/05/06
Language:German
Year of Completion:2003
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
Tag:Knochen; Osteoblasten; Pseudarthrosen; niederenergetischer Ultraschall
bone; low-intensity ultrasound; non-union; osteoblast
Release Date:2003/05/23
Advisor:Dr. med. Dr. med. dent. Kristian Würzler