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Zelluläre Resorption 3D-gedruckter Knochenimplantate auf Basis von Calciummagnesiumphosphaten
(2023)
Für die Behandlung von Knochendefekten kritischer Größe gibt es heute eine Reihe von Therapiemöglichkeiten. Neuartige Ansätze mit Magnesiumphosphat- (MPC) und Calciummagnesiumphosphatzementen (CMPC) haben sich als echte Alternativen zu den etablierten Calciumphosphaten erwiesen.
Ziel war es, die Osteoklastogenese in vitro auf 3D-pulvergedrucktem CMPC und MPC zu induzieren und die zelluläre Resorption (zR) zu analysieren. Polystyrol (PS), Glas, β-TCP und Brushit-bildender Zement dienten als Referenzen.
Als Proben wurden Zemente der allgemeinen stöchiometrischen Summenformel CaxMg(3–x)(PO4)2 (x = 0; 0,25; 0,75; 3) verwendet, die Struvit oder Newberyit enthielten. Für die Osteoklastogenese wurden monozytenangereicherte PBMCs aus Buffy-Coat mittels dreifacher Dichtegradientenzentrifugation isoliert, auf die Prüfoberflächen ausgesät und über einen Zeitraum von 22 Tagen mit Zytokinen (M-CSF und RANKL) stimuliert. Die Interaktion der Zellen mit den Zementen bzw. PS/Glas wurde mittels TRAP-Färbung und -Aktivität, DNA- und Ionenkonzentrationen (Ca2+, Mg2+, PO43–, pH-Wert), Rasterelektronen-, Durchlicht-, Auflicht- und Fluoreszenzmikroskopie analysiert.
Auf den Struvit- und Newberyit-bildenden Zementen konnten keine für Osteoklasten typischen Riesenzellen nachgewiesen werden. Auf den Struvit-bildenden Zementen wurde deutlich mehr mononukleäre Zellen nachgewiesen wurden als auf den Newberyit-bildenden Zementen. Während die Freisetzung von Mg2+ und PO43– ausschließlich durch die chemische Degradation erfolgte, wurde Ca2+ zunächst adsorbiert und anschließend durch zR freigesetzt. Die erhöhte Ca2+-Adsorption im Vergleich zur Ca2+-Resorption führte insgesamt zu einer Calcium-Präzipitation.
Da lediglich auf β-TCP Resorptionslakunen beobachtet wurden, wird angenommen, dass auf den CMPC, MPC und Brushite-bildenden Zementen die zellvermittelte Ca2+-Freisetzung von den Präzipitaten ausging, die von Makrophagen auf den Zementen und/oder Riesenzellen auf den Wellplatten resorbiert wurden.
Zusammenfassung:
Ziel dieser retrospektiven vergleichenden Studie war die Untersuchung der metrischen und volumetrischen Veränderungen des pharyngealen Atemweges („posterior airway space“, PAS) nach uni- und bimaxillärer Umstellungsosteotomie einer großen Patientengruppe mit einer Dysgnathie der Angle Klasse III anhand von Daten der digitalen Volumentomographie (DVT).
In dieser Arbeit wurden prä- und postoperative DVT-Daten (1 Woche vor der OP und 4-5 Wochen nach der OP erstellt) von insgesamt 80 nach Abschluss des Wachstums kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgisch behandelten Patienten der Angle-Klasse III (40 unimaxillär – Gruppe 1, 40 bimaxillär therapiert – Gruppe 2) mittels der Software Mimics Innovation Suite 14.1® (Materialise, Leuven, Belgien) dreidimensional visualisiert und analysiert. Ausgeschlossen waren Patienten mit kraniofazialen Syndromen, Lippenkiefergaumensegelspalten und fazialen Asymmetrien.
Nach kephalometrischer Auswertung von aus den DVT-Daten generierten Fernröntgenseitenbildern (= FRS) konnten Korrelationen zwischen dreidimensionalen PAS-Parametern und sagittalen Parametern des Gesichtsskeletts hergestellt werden.
Die operationsbedingten dreidimensionalen Veränderungen des PAS (Form und Volumen) zeigten in beiden Gruppen keine klinisch relevanten Korrelationen zu den skelettalen Veränderungen aus den kephalometrischen Auswertungen.
Sowohl in Gruppe 1 als auch in Gruppe 2 führte die Operation zu keinen signifikanten Volumenänderungen.
Durch bimaxilläre Umstellungsosteotomie veränderten sich die pharyngealen Maße Querschnitt, anteroposteriorer und lateraler Durchmesser weniger als durch unimaxilläre Osteotomie.
Durch unimaxilläre Osteotomie verringerte sich die engste Stelle signifikant.
Die in vitro-Langzeitkultivierung von Zellen in einer Drei-Dimensionalen Matrix (3D-Matrix) stellt nach wie vor eine Herausforderung im Tissue engineering dar. Die Kultivierung von Zellen auf/in komplexen 3D-Trägern erfordert hohe Zellzahlen und lange Kulturzeiten. Um die Probleme des schnellen Mediumverbrauches und der limitierten Zellzahl bzw. Zelldichte in konventionellen Kulturmethoden zu umgehen, wurde ein „Zweikreis-Perfusionssystem“ entwickelt. Hierzu wurde ein Cell-Pharm System (Cell-Pharm System 100®-Basisgerät) modifi-ziert. Das Grundprinzip des Systems besteht darin, dass ein kleinvolumiger (50-70 ml) „Zellkultur-Kreislauf“ über einen Bioreaktor (semipermeable Hohlfasermembran) durch einen großvolumigen (1000 ml) „Regenerations-Kreislauf“ kontinuierlich im Gegenstromprinzip regeneriert wird. Die Regulation des ph-Wertes und der Sauerstoffsättigung des Kulturmediums geschieht über einen integrierten, Druckluft-CO2-begasten Oxygenator. Während die Zirkulationsgeschwindigkeit (Durchflussrate) und Temperatur (37°C) im Regenerations-Kreislauf konstant gehalten werden, lassen sich diese Parameter im „Zellkultur-Kreislauf“ beliebig variieren. Es hat sich gezeigt, dass sich auf diese Weise kontinuierlich über einen langen Zeitraum ohne Mediumwechsel konstante und optimale Milieuverhältnisse in beiden Mediumkompartments einstellen lassen. Zur Untersuchung der Wachstumseigenschaften von Zellen in diesem Perfusions-system wurden humane osteoblastenähnliche Zellen oder Ratten-Knochenmarkszellen auf eine Matrix aus demineralisierter, GuHCl-extrahierter Rinderspongiosa unterschiedlicher Größe (Zylinder zwischen 5x3 mm und 5x10 mm) aufgetragen. Unter intermittierender Perfusion der Kulturkammern (z.B. Minucells cell container®) mit 50-70 ml/d kam es zu einem gleichmäßigen, intertrabekulären Wachstum der Zellen innerhalb des gesamten Trägers. Nach 6-8 Wochen konnte immer noch ein dichtes Netz interdigitierender ALP-positiver osteoblastenähnlicher Zellen innerhalb der gesamten Matrix beobachtet werden. Dabei scheint die physikalisch-mechanische Komponente der „Umspülung“ der Zellen mit dem kontinuierlich regenerierten Nährmedium einen positiven Einfluss auf das Anwachsverhalten und Proliferation der Zellen zu haben. Somit erlaubt das modifizierten „Zweikreisperfusionssystem“ eine gute Möglichkeit für die Langzeitperfusionskultur in einem geschlossenen System mit indi-viduell steuerbaren Strömungsverhältnissen im Zellkompartment bei einer kontinuierlichen Regeneration des Mediums.
Die Anpassung des Aktinzytoskeletts an extrazelluläre Gewebsstrukturen ist Voraussetzung für die Interaktion mit der extrazellulären Matrix und für die Zellbewegung, einschließlich der Invasion und Metastasierung von Tumorzellen. Wir untersuchten bei invasiven B16/F1 GFP-Aktin Mausmelanomzellen, ob und wie sich Zellform, Art und Effizienz der Bewegung an physikalisch unterschiedlich beschaffene kollagenöse Umgebungen anpassen: 1) mit Kollagen-Monomeren beschichtete 2D Objektträger, 2) 2D Oberfläche einer fibrillären Kollagenmatrix und 3) Zellen, die in einer 3D Kollagenmatrix eingebettet waren. Zur Darstellung des Aktinzytoskeletts wurden Zellen eingesetzt, die GFP-Aktin Fusionsprotein exprimierten, und mittels Zeitraffer-Videomikroskopie und Konfokalmikroskopie untersucht. Im direkten Vergleich waren Struktur und Dynamik des Aktinzytoskelett wie auch Zellform und Art der Migration unterschiedlich in den verschiedenen Umgebungen. Auf 2D planer Oberfläche erfolgte eine rasche Adhäsion und Abflachung der Zellen (Spreading) mit nachfolgender Migration mit Bildung fokaler Adhäsionszonen, in die kabelartige Aktinstrukturen (Stress fibers) einstrahlten. Dagegen entwickelte sich in 3D Kollagenmatrices eine spindelförmige, fibroblastenähnliche Zellform (mesenchymal) mit zylindrischen fingerförmigen vorderen Pseudopodien, die Zug der Zelle nach vorne bewirken und hochdynamisches polymeres Aktin, nicht jedoch Stress Fibers enthielten. Eine ähnliche Zellform und Struktur des Zytoskeletts entwickelte sich in Zellen auf 2D fibrillärem Kollagen. Die Kontaktfindung und Migrationseffizienz auf oder in fibrillären Matrices war im Vergleich zu 2D kollagenbeschichteter Oberfläche erschwert, die Migrationseffizienz verringert. In Kontrollversuchen wurden Migration und polarisierte Bildung von Aktindynamik durch Inhibitoren des Aktinzytoskeletts (Cytochalasin D, Latrunculin B, Jasplakinolide) stark gehemmt. Diese Befunde zeigen , dass die Struktur und Dynamik des Aktinzytoskeletts sowie die Art der Migration in Tumorzellen stärker als bisher angenommen durch die umgebende Kollagenstruktur bestimmt wird. Während 3D Kollagenmatrices in vivo ähnliche bipolare Zytoskelettstruktur fördern, müssen Abflachung der Zellen mit Bildung von Stress Fibers als spezifische Charakteristika von 2D Modellen angesehen werden.
Zusammenfassung Ziel: Eine lagerungsbedingte einseitige Abflachung des Hinterkopfes aufgrund externer Kräfte (Lagerungsplagiocephalus, LP) ist die häufigste Kopfdeformität im Säuglingsalter. Die im Rahmen der ersten Kindervorsorgeuntersuchung (U1) erhobenen Daten wurden bezüglich der bekannten Risikofaktoren für die Entstehung eines LP ausgewertet. Im Rahmen der vorliegenden klinischen Pilotstudie wurde der Lagerungsplagiozephalus mitels der non-invasiven dreidimensionalen Sterophotogrammetrie untersucht und erstmals eine Normdatenbank von Säuglingen ohne Kopfdeformitäten erstellt. Die Therapie und Effektivität mittels modellierender individuell angefertigter Kopforthese, wurde evaluiert. Patienten und Methode: Untersucht wurden 20 Säuglinge mit einem Lagerungsplagiozephalus und schwerer Asymmetrie (Alter 6,0+0,97 Monate) und 20 Säuglinge ohne Kopfdeformität (Alter 6,4+0,3 Monate). Es erfolgte eine 3D-Weichteilanalyse des gesamten Kopfes. Zur Evaluation der Kopforthesentherapie wurden prä- und posttherapeutisch angefertigte sterophotogrammtriesche Aufnahmen dreidimensional ausgewertet. Ergebnisse: Anhand der im Rahmen der Erstuntersuchung erhobenen Daten zeigten sich bezüglich der Geburtslage und Art der Entbindung nur geringe Unterschiede. In der Patientengruppe kamen eine Beckenendlage und die Geburt durch Kaiserschnitt gehäuft vor. Die Anzahl der Spontangeburten zeigte sich in der Kontrollgruppe mit 70% größer als in der Patientengruppe mit 60%. Köpergröße, Körpergewicht und Kopfumfanges fielen in der Patientengruppe kleiner aus. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung wurden erstmalig 3D-Oberflächendaten von gesunden Säuglingsköpfen erhoben. Hierzu wurden die 360° Aufnahmen mittels lichtoptischen Verfahrens durchgeführt. Die reliable Auswertung der Säuglingsköpfe erfolgte in einem virtuellen Raum und diente zur Erstellung einer Normdatenbank. Bestehende Asymmetrien lassen sich mit diesem Verfahren quantifizieren. Die non-invasive 3D-Bildgebung kann somit zusätzlich zur klinischen Untersuchung und Sonographie als reliables Instrument in der Diagnostik und Verlaufsbeurteilung eingesetzt werden. Mittels der durchgeführten Aufnahmen konnten folgenden Parameter bei Säuglingen mit LP charakterisiert werden: - Die maximale Kopflänge zeigt sich bei vergrößertem Breiten/Längen-Index reduziert. Kompensatorisch erfolgt eine Vergrößerung der Vertexhöhe. - Die Ohrachse zeigt sich verschoben. - Die betroffenen Säuglinge weisen eine vergrößerte 30° Diagonalendifferenz auf und zeigen asymmetrische anteriore und posteriore Volumina des Neurokraniums. Schlussfolgerung: Die im Rahmen der Erstuntersuchung (U1) ermittelten Daten zeigten nur geringe Unterschiede zwischen der Patienten- und der Kontrollgruppe bezüglich Risikofaktoren für die Entstehung eines LP. Die Anzahl an Kaiserschnitten war innerhalb der Patientengruppe erhöht. Die im Rahmen der Pilotstudie untersuchte Anzahl Kinder ist allerdings zu gering um eine definitive Aussage treffen zu können. Die Therapie mittels individuell gefertigter Kopforthese hat eine Harmonisierung des Breiten/Längen-Index zur Folge. Eine posttherapeutische Verbesserung kann bezüglich der neurokraniellen Asymmetrie mit einer Reduktion der 30° Diagonalendifferenz und einer Angleichung der posterioren Volumina beobachtet werden. Die frühzeitige Korrektur, ab dem sechsten Lebensmonat, kann eine lagerungsbedingten Kopfdeformität frühzeitig korrigieren. Bezüglich der Bewertung des Langzeiterfolges der Helmtherapie sind noch weitere Studien notwendig. Insbesondere der longitundinale Aufbau einer Normdatenbank ist erforderlich, um physiologische Referenzdaten zu schaffen.
Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, eine dreidimensionale Weichteilanalyse zu entwickeln. Basierend auf einem Kollektiv von insgesamt 53 weiblichen und 47 männlichen Patienten wurden Fernröntgenseitenaufnahmen und dreidimensionale, stereophotogrammetrische Aufnahmen erstellt. Um die Qualität und Aussagekraft der erzielten Ergebnisse bewerten zu können, wurde die Reliabilität aller verwendeten Messpunkte überprüft. Es wurden vertikale 3D-Durchschnittswerte ermittelt und Korrelationen zwischen den vertikalen kephalometrischen Parametern der Fernröntgenseitenanalyse und den vertikalen 3D-Weichteilparametern der Stereophotogrammetrie dargestellt. Die Weichteilanalyse wies eine zufriedenstellende Reliabilität und gleichzeitig hochsignifikante Korrelationen zur FRS-Analyse auf. Somit zeigte sich die Wahl der Weichteilpunkte für 3D-Analysen geeignet und kann als Grundlage und Referenz für weitere 3D-Weichteil-untersuchungen dienen.