Zytokinprofil einer humanen Knochenmarkszellkultur nach Exposition mit Ultra - High - Molecular - Weight - Polyethylen - Abriebpartikeln

Zusammenfassung Fragestellung Das Ziel dieser Studie war es, zu untersuchen, inwieweit Abriebpartikel aus UHMW – PE in einer humanen Knochenmarkszellkultur die Freisetzung von proinflammatorischen Zytokinen fördern. Zu diesem Zweck wurde die Ausschüttung der Zytokine IL – 6, IL - 1 und TNF –  sowie die Freisetzung der LDH in unseren Kulturen über einen Beobachtungszeitraum von zwei Wochen unter Exposition verschiedener Partikelkonzentrationen beobachtet. Durchflusszytometrische Untersuchungen ( FACS – Analysen ) sollten Hinweise auf die Veränderung und Entwicklung einzelner Zellpopulationen innerhalb der Knochenmarkszellkultur geben. Anhand spezifischer CD – Oberflächenantigene wurden die Anteile von Granulozyten, T – Lymphozyten, B – Lymphozyten, Monozyten / Makrophagen und Stammzellen bestimmt. Material und Methoden Die Zellgewinnung erfolgte während der Primärimplantation von Hüft – TEPs durch Entnahme von Spongiosablöcken aus dem distalen Femur der Patienten. Die Aufbereitung erfolgte nach einem standartisiertem Protokoll mit anschließender Separation der weißen Zellreihe. Die Kulturschalen wurden vor Zugabe der Zellen mit in Kollagen Typ 1 eingebetteten Partikeln in den Konzentrationen 105, 106, und 107 vorbereitet. In den Kulturschalen wurden 2 Millionen Zellen / Well ausgesät und mit 2ml IMDM – Medium kultiviert. Die Kultivierung erfolgte über einen Beobachtungszeitraum von 2 Wochen. Der Wechsel der Mediumüberstände erfolgte alle 2 Tage. Die Konzentrationen der Zytokine IL – 6, IL – 1 und TNF –  sowie der LDH wurde dann aus den Überständen des Mediums bestimmt. Am Ende des Beobachtungszeitraumes wurde die Zellzahl in den verschiedenen Kulturen mit einem Cell – Counter bestimmt. Am Tag der höchsten Zytokinausschüttung wurden FACS – Analysen durchgeführt mit denen dann die einzelnen Populationen von Granulozyten, T – und B – Lymphozyten, Monozyten / Makrophagen sowie der hämatopoetischen Stammzellen ermittelt wurden. Ergebnisse Über den Beobachtungszeitraum haben wir eine leichte Zunahme der Zellzahl festgestellt, wobei sich die Verteilung der Zellen deutlich in Richtung avitaler Zellen gegenüber vitalen Zellen verschoben hat. Die Messung der Zytokine ergab einen deutlichen Anstieg des IL – 6 am Tag drei in allen drei Kulturen, die mit verschiedenen Konzentrationen von UHMW – PE Partikeln kultiviert worden waren. Für TNF –  und für IL – 1 fanden wir ebenfalls eine maximale Zytokinausschüttung am dritten Tag. unabhängig von der Konzentration der verwendeten Partikel. Die Untersuchung der LDH – Werte erbrachte keine signifikante Erhöhung in den Kulturen über den Beobachtungszeitraum. Die durchflusszytometrische Untersuchung ergab am Tag der höchsten Zytokinausshüttung für die Population der B – Lymphozyten eine dreifach signifikante Verminderung gegenüber den Kontrollkulturen. Bezüglich der Population der Monozyten / Makrophagen konnten wir am Tag der höchsten Zytokinexpression eine signifikante Erhöhung feststellen. Die Population der T – Lymphozyten hat sich am Tag der höchsten Zytokinausschüttung signifikant vermindert. Sowohl in den Populationen der Stammzellen und der Granulozyten, als auch in den Populationen der zytotoxischen T – Zellen und der T – Helferzellen konnten wir bis auf eine einfach signifikante Erhöhung der T – Helferzellen bei einer Konzentration von 105 Partikeln / Well keine weiteren signifikanten Veränderungen in den einzelnen Populationen feststellen. Diskussion Die Studie konnte zeigen, dass Abriebpartikel aus UHMW – PE das Wachstumsverhalten und die Zytokinproduktion der Zellen in einer humanen Knochenmarkszellkultur beeinflussen. UHMW – PE sind als toxisch einzustufen. Da die größten Veränderungen der Zytokinproduktion bei der Expression der Zytokine IL – 6 und TNF –  zu beobachten war, scheinen diese genannten Zytokine bei der Reaktion der humanen Knochenzellen auf Abriebpartikel eine entscheidende Rolle zu spielen. Die Freisetzung von IL – 1 ist in diesem Zusammenhang eher als untergeordnet zu betrachten. In den FACS – Analysen konnten signifikante Veränderungen in einzelnen Zellpopulationen durch die Zytokinausschüttung nachgewiesen werden. Bei Vergleichen mit anderen Zellkulturmodellen konnte gezeigt werden, dass der Beobachtungszeitraum einen großen Einfluss auf die Reaktion immunkompetenter Zellen auf die Abriebpartikel hat. Um genauere Aussagen über die Vorgänge bei der aseptischen Lockerung von Prothesen machen zu können, sollten Kulturen verwendet werden, die der Situation „in vivo“ möglichst nahe kommen. Die von uns verwendete Knochenmarkszellkultur ist dafür ein geeignetes Modell