Knochenneubildung durch induktive Implantate der TGF-Beta-Familie : eine tierexperimentelle Studie zum Synergismus von BMP-2-Mutanten und TGF-Beta bei der heterotopen Osteoinduktion
Die osteoinduktive Wirkung von „Bone morphogenetic protein 2“ (BMP-2) und der regulative Einfluss des Faktors „Transforming growth factor beta 1“ auf das physiologische Remodelling des Knochens sind durch zahlreiche In-vitro- und In-vivo-Untersuchungen belegt. Die gentechnische Modifikation der N-terminalen Aminosäuresequenz von rekombinantem, im bakteriellen System (E. coli) exprimiertem BMP-2 (rh-BMP-2) führt zu rh-BMP-2-Varianten mit verstärktem (T3 und T4) bzw. nicht mehr messbarem (EH-BMP) Bindungsvermögen zur extrazellulären Matrix und verändert somit die Retentionszeit dieser Morphogene im Gewebe. In der vorliegenden Arbeit sollte die osteoinduktive Potenz der genannten BMP-Varianten (T3, T4, EH-BMP) mit der ihres Wildtyps rh-BMP-2 verglichen werden. Zudem war zu untersuchen, ob ein Zusammenhang zwischen applizierter Wirkstoffmenge und dem Ausmaß der induzierten Osteogenese vorliegt, und zu zeigen, dass dieser durch gemeinsame Applikation der verwendeten Morphogene mit dem nicht osteoinduktiven Wachstumsfaktor rh-TGF-ß-1 zu steigern ist. Hierzu wurden zylinderförmige (Länge l=10mm, Durchmesser Ø=5mm), bovine EXKK-Träger (extrahiertes, xenogenes Knochen-Kollagen) mit den genannten BMPs, TGF-ß-1 und Kombinationen dieser Wachstumsfaktoren bestückt und für 28 Tage in die Oberschenkelmuskulatur von 50 Sprague-Dawley-Ratten implantiert. Jedes Tier erhielt eine mit 2µg bzw. 4µg des jeweiligen BMPs dotierte Probe und einen zusätzlich, entsprechend dem Massenverhältnis von 20:1 mit 100ng, bzw. 200ng rh-TGF-ß-1 beladenen Träger auf der kontralateralen Seite. Als Kontrolle wurden unbehandelte bzw. nur mit rh-TGF-ß-1 (10µg und 20µg) dotierte EXKK-Zylinder eingebracht. Durch am 5., 11., 17., 23. und 28. Tag post OP durchgeführte Röntgenkontrollen konnten Beginn, Verlauf und Geschwindigkeit der ablaufenden Osteoinduktionsprozesse bewertet werden. Mittels zwei- und dreidimensionaler radiologischer Methoden, labortechnischer und histologischer Auswertungsschritte wurden zudem die in den am 28. Tag post OP explantierten Zylindern vorhandenen Knochenformationen auf ihre Menge, ihre Dichte, ihren Kalziumgehalt und ihre histologische Qualität hin untersucht. Durch Röntgen der histologischen Schnitte wurde ein direkter Vergleich histologischer Strukturen mit ihrer röntgenologischen Darstellung möglich. Für die undotierten EXKK-Träger und die nur mit rh-TGF-ß-1 rekonstituierten Proben ergab sich weder nach röntgenologischer noch nach histologischer Auswertung ein Anhalt auf osteoinduktive Aktivität. Alle außer den mit EH-BMP dotierten Proben zeigten schon ab dem 11. Tag post OP signifikante Knochenneubildungen. BMP-2 und T4 führten, gefolgt von T3, insgesamt zur schnellsten und mengen-, kalzium- und dichtemäßig am stärksten ausfallenden Osteoneogenese. Bei Verwendung von 4µg Morphogen und Zusatz von rh-TGF-ß-1 erreichten rh-BMP-2 und T4 bereits am 23. Tag post OP die auch zu Versuchsende ermittelten Werte. Die Variante EH-BMP lieferte deutlich weniger Knochen und relativ unkonstante Ergebnisse. Die Erhöhung der implantierten Proteinmenge auf 4µg und der Zusatz von rh-TGF-ß-1 führten im Mittel in allen Auswertungen zur Steigerung von Menge, Dichte, Kalziumgehalt und Bildungsgeschwindigkeit des induzierten Knochens. Die osteoinduktive Ausbeute von BMP-Varianten mit verbesserter Matrixbindung und verlängerter Retentionszeit im Lagergewebe ist für klinische Belange einer einfachen Dosissteigerung der BMP-Wildtypen vorzuziehen. Die Varianten führen früher und bei Verwendung geringerer Morphogenmengen zu einer dem Wildtyp äquivalenten Knochenneubildung. Auch die mitogenen Effekte von rhTGF-ß-1 auf das durch die BMPs determinierte Gewebe haben potenzierend wirkenden Einfluss auf osteoinduktive Effekte. Das Vorhandensein weiterer, an der Regulation des Knochenmetabolismus beteiligter Faktoren deutet auf noch verborgenes therapeutisches Potential hin.
BMP, BMP-2, TGF-ß, Osteoinduktion, EXKK, ICBM, heterotop, sprague dawley, osteoinduction
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