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2013|14 Jahresbericht Fraunhofer IGB

68 100 μm 1 A MEDIZIN IN-VITRO-TESTSYSTEME ZUR EVALUIERUNG NEUARTIGER KNOCHENIMPLANTATE Dipl.-Biol. Claudia Kleinhans, Prof. Dr. rer. nat. Petra J. Kluger Ausgangssituation Zur Behandlung von Erkrankungen und Verletzungen des Ske- lettsystems fokussieren aktuelle Forschungsansätze auf die Entwicklung neuartiger Kompositwerkstoffe. Dabei zielen Materialentwicklungen auf die Verbesserung der Bioabbau- barkeit und der mechanischen Kennwerte der Implantate zum Einsatz in lasttragenden Bereichen. Um die Nutzbarkeit des neuartigen Werkstoffes von vorneherein sicherzustellen, ist die Etablierung biologischer Testsysteme zur Analyse des Ein- wachsverhaltens im Knochen und des Abbauverhaltens der Implantatwerkstoffe von besonderer Relevanz. Obwohl nach wie vor Tierversuche für zahlreiche Forschungsaspekte unab- dingbar sind, ist eine deutliche Tendenz zur vermehrten Ent- wicklung von In-vitro-Testsystemen festzustellen. Dabei spie- len ethische Gesichtspunkte, die bessere Übertragbarkeit auf den Menschen sowie zunehmende regulatorische Einschrän- kungen bei Tierversuchen eine bedeutende Rolle. Es fehlen jedoch noch standardisierte Systeme, die geeignete Analyse- methoden zur Beurteilung der Materialresorption sowie der Osteoinduktion, die Fähigkeit des Materials zur Anregung der Knochenneubildung, zur Verfügung stellen und somit erste Rückschlüsse auf die Eignung des Materials zulassen. Solche Testsysteme, die sowohl die Osteoblasten- als auch die Os- teoklastenfunktion berücksichtigen, werden im Rahmen des Fraunhofer-Verbundprojekts »DegraLast« als Alternative zum Tierversuch etabliert. Standardisierte In-vitro-Testsysteme mit knochenbildenden und -abbauenden Zellen Die Standardisierung zellbasierter Testsysteme, die zum einen – unter Verwendung von Osteoblasten und ihren Vorläufer- zellen – den Knochenaufbau simulieren sowie zum anderen mittels knochenresorbierender Zellen, den Osteoklasten, den Knochenabbau nachahmen, ist Ziel des Teilprojekts am IGB. Zur Nachahmung der In-vivo-Situation soll zudem eine Kokul- tur aus primären Vorläuferzellen von Osteoblasten und Osteo- klasten aufgebaut werden. Einwachsverhalten und osteoinduktive Eigenschaften Zur Beurteilung des Einwachsverhaltens sowie der osteoinduk- tiven Eigenschaften eines Materials untersuchen wir die Diffe- renzierung humaner mesenchymaler Stammzellen (hMSCs) zu Osteoblasten unter Analyse spezifischer Differenzierungsmar- ker auf Standardmaterialien sowie neu entwickelten Materia- lien oder Beschichtungen. Die Zelladhäsion, Proliferation und Differenzierung lassen eine erste biologische Charakterisie- rung zu. Hierzu erfolgte die qualitative Bestimmung von Kol- lagen Typ I sowie die quantitative Bestimmung der alkalischen Phosphatase und Calcium als Evaluierungsparameter. Diese zeigten einen signifikanten Anstieg in differenzierten Zellen im Vergleich zu Kontrollzellen. Abbau der Knochensubstanz Für die Resorption der Knochensubstanz sind maßgeblich Os- teoklasten verantwortlich. Für das Testsystem zur Osteode- gradation konnten Monozyten aus humanem peripheren Blut isoliert und mittels Mediumsupplementierung erfolgreich zu Osteoklasten differenziert werden. Die Charakterisierung der differenzierten Osteoklasten konnten wir anhand der Mehr- kernigkeit, der Größe, der Umstrukturierung des Zytoskeletts sowie der Expression spezifischer Markerproteine nachweisen (Abb. 1). Des Weiteren wurde die Aktivität der Zellen anhand der Resorption eines bovinen Knochenersatzmaterials be- stimmt (Abb. 2). 100 μm 1 B

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