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Fragestellung: Synthetische Implantate, die eine Mimikry der Knorpel-Knochen-Zone im Gelenk darstellen und die Heilung osteochondraler Defekte stimulieren, sind noch immer eine Herausforderung für die personalisierte Medizin im Bereich der Unfallchirurgie und Orthopädie. In unserem BMBF-Verbundprojekt wurden ausgehend von dem bereits etablierten synthetischen Polymer Poly-((D,L)-Lactid-ε-Caprolacton)-dimethacrylat (LCM3) ein neues Polymer entwickelt. Polyamid-ε-Caprolacton (ACM) hat den Vorteil, dass es über Aminosäuren (z.B. Alanin) degradiert und nicht wie LCM3 über Milchsäure. Eine Ansäuerung des Knochens durch die Degradation von LCM3 könnte negativen Einfluss auf die Beständigkeit des Hydroxylapatits ausüben. Vor diesem Hintergrund war es unser Ziel, die Verträglichkeit der Polymere ACM und LCM3 bei Kontakt mit mesenchymalen Stammzellen (MSC), Osteoblasten und Osteoklasten vergleichend zu untersuchen.

Methodik: Die Polymere wurden in Ronden mit einem Durchmesser von 7 mm und einer Höhe von 1 mm gegossen und mit humanen MSC während der osteogenen und chondrogenen Differenzierung, sowie mit Monozyten während der Osteoklastogenese inkubiert (n=5). An 4 verschiedenen Zeitpunkten während der Differenzierung wurden die Zellen geerntet und mittels qPCR sowie funktionellen Assays für Interleukin-6, Kollagen II, alkalische Phosphatase (ALP), tartratresistente saure Phosphatase (TRAP5b) und zelluläre Vitalität untersucht. Die statistische Auswertung erfolgte bei normalverteilten Werten mittels T-Test. Zeigte der Kolmogorov-Smirnov-Test keine Normalverteilung der Werte, so wurden nicht-parametrische Tests angewandt (Kruskal-Wallis, Mann-Whitney, Friedman, Wilcoxon) und gegebenenfalls durch die Bonferroni-Korrektur ergänzt (SPSS, V28, Institut Inc., Chicago, USA).

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Weder die Polymere aus ACM noch aus LCM3 führten zu einem Anstieg des proinflammatorischen Interleukin-6. An LCM3 zeigten die Zellen eine erhöhte Expression früher chondrogener Differenzierungsmarker, während für Kollagen II kein Unterschied zwischen LCM3 und ACM gemessen wurde. Im Verlauf der osteogenen Differenzierung war an ACM ein signifikanter Anstieg der relativen ALP-Aktivität (p=0,013) nachzuweisen, während keine Regulation an LCM3 stattfand. Dieses Ergebnis wurde durch die ALP-qPCR bestätigt. Beim frühen osteogenen Marker Runx2 wurde allerdings eine niedrigere Expression bei ACM im Vergleich zu LCM3 beobachtet (p<0,001). An Tag 14 der Osteoklastogenese wurde an LCM3 eine signifikant erhöhte Expression später Osteoklastenmarker gemessen (p=0,015), während die Knochen-abbauenden Enzyme der Osteoklasten nicht reguliert waren.

Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse überraschenderweise, dass nicht nur das verbesserte Polymer ACM gut geeignet ist als Material für die Implantatherstellung mittels 3D-Druck, auch LCM3 weist trotz Abbau über Säure eine gute Kurz- sowie Langzeit-Zytokompatibilität auf.

Gefördert durch BMBF FKZ 13XP5089C und 13XP5089F.