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Ziel dieser Studie war es, acht verschiedene Materialien auf ihre Eignung als Träger für rhBMP-2 zu untersuchen (unlösliche kollagene bovine Knochenmatrix ICBM, Hydroxylapatit, a-TCP, Algipore®, BioOss®, Bioglas, Kollagen und Copolymer Ethisorb®). Bei erwachsenen, männlichen Spargue-Dawley-Ratten wurden Trepanationsdefekte kritischer Größe im Kieferwinkelbereich (5mm) und in der Kalotte (7mm) gesetzt. Im Femur wurde ein Kontinuitätsdefekt von 8mm Länge gesetzt. Die Defekte im Unterkiefer und der Kalotte wurden mit den jeweiligen Träger in Kombination mit 10µg rhBMP-2 implantiert. Im Femurkontinuitätsdefekt wurden die Materialien mit 25µg rhBMP-2 dotiert. Für synthetisches HA, Algipore® und BioOss® konnte nach Versuchsablauf keine Resorption festgestellt werden. a-TCP und Bioglas zeigten geringe resorptive Prozesse. Bei ICBM und Ethisorb konnten deutlich ausgeprägte Resorptionsvorgänge nachgewiesen werden. Es konnte gezeigt werden, dass alle getesteten Träger zusammen mit rhBMP-2 eine deutliche Knochenneubildung induzierten. In den mikroradiographischen und morphometrischen Untersuchungen konnten für ICBM die größte und schnellste Zunahme an neu gebildeten Knochen nachgewiesen werden. Die Kalziumphosphatkeramiken unterschieden sich innerhalb der Gruppe nur unwesentlich voneinander. Die geringste Knochenneubildung zeigten die Träger Bioglas, Kollagen und Ethisorb®. Bei allen Materialien war die Knochenneubildung im Kieferwinkelbereich am stärksten. Die Femurproben wurden biomechanisch untersucht. Für ICBM, a-TCP und Hydroxylapatit konnten die höchsten Elastizitätsmodule nachgewiesen werden. ICBM als Träger für rekombinantes humanes BMP-2 eignete sich in allen Untersuchungen am besten. Es wurde weitgehenden in den neu gebildeten Knochen integriert und zeigte ein ausgezeichnetes Resorptionsverhalten.
Die lokale Bioverfügbarkeit von osteoinduktiven Wachstumsfaktoren hat einen entscheidenden Einfluss auf das Ausmaß der Knochenbildung. Die Affinität der Proteine zu Komponenten der extrazellulären Matrix (EZM) beeinflusst ihre Ortsständigkeit und damit ihre biologische Aktivität am Implantationsort. In der vorliegenden Arbeit wurden BMP-2 und seine gentechnologisch hergestellten Varianten mit verstärkter (T3, T4) und aufgehobener (EHBMP-2) Bindung an die EZM untersucht. Die Wachstumsfaktoren wurden einzeln sowie in Kombination mit EHBMP-2 in Bezug auf die erzielbare Knochenneubildungsrate im heterotopen Implantatlager (Oberschenkelmuskulatur der Ratte) verglichen. Durch den Einsatz der Proteinkombinationen wurde der Frage nachgegangen, inwieweit die Knochenneubildung durch die Mischung einer kaum an die extrazelluläre Matrix bindenden Varianten (EHBMP-2) mit einem „normal“ (BMP-2 Wildtyp) bzw. verstärkt (T3, T4) an die extrazelluläre Matrix bindenden Morphogen verbessert werden kann. Mittels röntgenologischer, biochemischer und histologischer Untersuchungen wurden die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Knochenneubildung analysiert. Bei allen Proteinen bzw. Proteinkombinationen wurde eine direkte Abhängigkeit der Knochenneubildung von den eingesetzten Proteinmengen beobachtet. Bei niedriger Konzentration (2 µg) waren BMP-2 bzw. die Varianten T3 und T4 den Proteinkombinationen mit EHBMP-2 immer überlegen. Bei höherer Dosis (4 µg) waren BMP-2 und T4 den Kombinationen mit EHBMP-2 überlegen. Nur bei T3 in höherer Dosierung konnte ein positiver Effekt einer Kombination mit EHBMP-2 beobachtet werden.
Die lokale Bioverfügbarkeit von osteoinduktiven Wachstumsfaktoren hat einen entscheidenden Einfluss auf das Ausmaß der Knochenbildung. Die Affinität der Proteine zu Komponenten der extrazellulären Matrix (EZM) beeinflusst ihre Ortsständigkeit und damit ihre biologische Aktivität am Implantationsort. In der vorliegenden Arbeit wurden BMP-2 und seine gentechnologisch hergestellten Varianten mit verstärkter (T3, T4) und aufgehobener (EHBMP-2) Bindung an die EZM untersucht. Die Wachstumsfaktoren wurden einzeln sowie in Kombination mit EHBMP-2 in Bezug auf die erzielbare Knochenneubildungsrate im heterotopen Implantatlager (Oberschenkelmuskulatur der Ratte) verglichen. Durch den Einsatz der Proteinkombinationen wurde der Frage nachgegangen, inwieweit die Knochenneubildung durch die Mischung einer kaum an die extrazelluläre Matrix bindenden Varianten (EHBMP-2) mit einem „normal“ (BMP-2 Wildtyp) bzw. verstärkt (T3, T4) an die extrazelluläre Matrix bindenden Morphogen verbessert werden kann. Mittels röntgenologischer, biochemischer und histologischer Untersuchungen wurden die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Knochenneubildung analysiert. Bei allen Proteinen bzw. Proteinkombinationen wurde eine direkte Abhängigkeit der Knochenneubildung von den eingesetzten Proteinmengen beobachtet. Bei niedriger Konzentration (2 µg) waren BMP-2 bzw. die Varianten T3 und T4 den Proteinkombinationen mit EHBMP-2 immer überlegen. Bei höherer Dosis (4 µg) waren BMP-2 und T4 den Kombinationen mit EHBMP-2 überlegen. Nur bei T3 in höherer Dosierung konnte ein positiver Effekt einer Kombination mit EHBMP-2 beobachtet werden.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, am heterotopen Tiermodell die osteoinduktive Potenz von zwei gentechnisch veränderten BMP-2-Mutanten T3 und T4 zu untersuchen und mit dem humanen BMP-2 Wildtyp zu vergleichen. Als Träger der verschiedenen Proteine dienten Zylinder aus inaktiver, boviner, kollagener Knochenmatrix (ICBM, „insoluble collagenous bone matrix“) mit einer Länge von 10mm und einem Durchmesser von 5mm, welche in die Oberschenkelmuskulatur von Sprague-Dawley-Ratten implantiert wurden. Dabei wurde die BMP-2-Mutante in den linken Oberschenkel und rhBMP-2 als Referenz in den rechten Oberschenkel implantiert. Die Konzentration der Morphogene bzw. von rhBMP-2 betrugen 0,25, 0,5, 1, 2 und 4µg. Zum Vergleich kamen Leerproben der ICBM-Träger ohne Morphogen. Während des Versuchszeitraums von 28 Tagen wurden die Ratten am 5., 11., 17., 23. und 28. vital geröntgt und mittels Fluoreszenzfarbstoffe markiert. Die Auswertung erfolgte quantitativ durch eine Röntgenverlaufskontrolle und die intravitale polychrome Sequenzmarkierung, sowie qualitativ durch die histologische Untersuchung von Trenndünnschliffen. Die röntgenologische Analyse zeigte, dass die BMP-2-Mutante T4 bei allen Proteinkonzentrationen sowohl die größte als auch die schnellste Knochenbildungsrate aufwies. Das Morphogen T3 induzierte die geringsten Knochenflächen. Bei allen drei Morphogenen konnte erst ab einer Proteindosis von 0,5µg eine Knochenneubildung festgestellt werden. Die kleinste Dosis von 0,25µg lag unter dem Schwellenwert für eine Induktion der Knochenbildung. Insgesamt war eine Dosisabhängigkeit zu erkennen, je höher die Proteindosis, desto größer war die gebildete Knochenfläche. Hohe BMP-Konzentrationen führten jedoch auch zu einer schnelleren Stagnation des Knochenwachstums. Die Auswertung der Fluoreszenzmikroskopie bestätigte die röntgenologischen Ergebnisse. Bei der histologischen Untersuchung der Trenndünnschliffe konnten keine morphologischen Unterschiede zwischen den Morphogenen festgestellt werden. Der ICBM-Zylinder verknöcherte je nach Proteinkonzentration unterschiedlich stark. Bei der Höchstkonzentration 4µg des Morphogens T4 oder rhBMP-2 war ein kompletter Umbau des Trägers zu mineralisierten Knochen mit hämatopoetischem Knochenmark zu beobachten. Insbesondere bei den mittleren Dosierungen von 1µg und 2µg bewies die neuartige BMP-2-Mutante T4 überragende osteoinduktive Eigenschaften in bezug auf die Geschwindigkeit und das Ausmaß der beobachteten Ossifikation. Für die spätere klinische Anwendung eröffnet der Einsatz von Mutanten mit verstärkter Bindung an die extrazelluläre Matrix die Möglichkeit, die notwendige Morphogendosis zu reduzieren und so Kosten zu sparen.