Untersuchungen zum Einfluss von thrombozytären Wachstumsfaktoren auf den zellvermittelten Abbau eines nanopartikulären Knochenersatzstoffes auf Hydroxylapatitbasis : eine experimentelle Studie am Miniaturschwein

Ziel der vorliegenden tierexperimentellen Studie am Miniaturschwein war es, den Einfluss von plättchenreichem Plasma (PRP) auf den zellvermittelten Abbau eines nanopartikulären Hydroxylapatits (HA) in der Frühphase der Knochendefektheilung zu untersuchen. Hierzu wurden 26 männliche Miniaturschweine der Rasse Mini-Lewe in drei Versuchsgruppen eingeteilt und jeweils ein standardisierter Knochendefekt in der Intercondylarregion des rechten Femurs angelegt. Die Defekte wurden entweder mit dem Knochenersatzstoff (Gruppe I/PRP-,n = 11) oder dem Knochenersatzstoff kombiniert mit PRP (Gruppe II/PRP+, n = 11) befüllt. In einer Kontrollgruppe (n = 4) blieben die Defekte unbefüllt. Während der Implantationsoperation wurden bei sechs Tieren jeweils 250 ml Vollblut entnommen, aus dem anschließend durch fraktionierte Zentrifugation plättchenreiches Plasma gewonnen wurde. Die enthaltenen Thrombozyten wurden durch den Zusatz von Thrombin und Kalziumglukonat zur Degranulation angeregt, wodurch die enthaltenen Wachstumsfaktoren aus den alpha-Granula freigesetzt wurden. Zu diesen Wachstumsfaktoren gehören Platelet Derived Growth Factor AB und BB (PDGF AB, BB), Transforming Growth Factor ß 1 (TGF beta1), Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) und basic Fibroblast Growth Factor (bFGF). Die Konzentration der genannten Wachstumsfaktoren wurde mit Hilfe der ELISA-Technik bestimmt. Sie lagen zwischen Faktor 1,6 für TGF-beta1 und Faktor 24,4 für bFGF. 20 Tage post operationem fand die Explantation der operierten distalen Femura statt. Zur lichtmikroskopischen Untersuchung fanden die Knochen-Implantat-Proben Eingang in unterschiedliche Techniken der Einbettung (Paraffin-, Kunststoffeinbettungen), Präparation (Paraffinschnitte, Kunststoffschnitte und Schliffpräparationen), Färbung (Toluidinblau, Haematoxylin-Eosin, Safranin) und Histochemie (Enzym-, Immunhistochemie). Darüber hinaus wurden transmissionselektronenmikroskopische und computergestützte histomorphometrische Untersuchungen durchgeführt. Wie die Ergebnisse der Licht- und Transmissionselektronenmikroskopie aufgezeigt haben, erfolgt in den mit Knochenersatzmaterial behandelten Versuchsgruppen, unabhängig von der PRP-Applikation, die HA-Degradation hydrolytisch und Makrophagen-vermittelt. Die Makrophagen-Population wird durch Riesenzellen vom Langhans-Typ repräsentiert. Diese polarisierten Polykaryen adhärieren über ihre apikale Membrandomäne an den Implantatoberflächen. Das subplasmalemmale Zytoplasma ist immunhistochemisch durch Vimentin-Kondensationen gekennzeichnet. Nicht-adhärente, frei im Granulationsgewebe lokalisierte Polykaryen zeigen dagegen ein homogenes Vimentin-Verteilungsmuster im Zytoplasma. Der zelluläre Abbau des HA erfolgt mittels Phagozytose, indem die Polykaryen den "Fremdkörper" mit pseudopodienartigen Zytoplasmaausläufern umschließen und in ihr Zytoplasma inkorporieren. Diese Art der Degradation wird durch den post implantationem stattfindenden Zerfall des Knochenersatzmaterials in zahlreiche kleine Partikel unterstützt. Die hieraus resultierende Vergrößerung der Implantatoberfläche bietet einer Vielzahl von Zellen die Möglichkeit zur Haftung. Die festgestellten Expressionsmuster des CD44- Membranglykoproteins verweisen auf dessen funktionelle Rolle im Rahmen der Fusion mononukleärer Makrophagen zu multinukleären Riesenzellen. Die darüber hinaus beobachtete Umverteilung von CD44 von der apikalen zur basalen Membrandomäne bei Implantatassoziierten Polykaryen ist als transientes Geschehen im Zuge der Adhäsion zu interpretieren. Der hohe Aktivitätsstatus der adhärenten Polykaryen ist immunhistochemisch durch eine intensive Kathepsin K-Expression gekennzeichnet. Die vergleichende histomorphometrische Auswertung der mit HA aufgefüllten Defekte dokumentiert eine Verdopplung der Anzahl von Polykaryen in der Gruppe "Knochenersatzstoff mit PRP". Ein auf Basis der Messergebnisse durchgeführter Wilcoxon-Rangsummentest verweist auf den hochsignifikanten Einfluss (p < 0,01) des Faktors PRP auf die Ausdehnung Tartrat-resistenter saurer Phosphatase-positiver Areale in den Präparaten. Diese Effekte können sowohl auf den im PRP angereicherten Wachstumsfaktoren als auch auf dem homologen Charakter der PRP-Zubereitung beruhen. Die beobachteten Polykaryen – sogenannte "Fremdkörperriesenzellen" – sind auch immer Indikatoren einer stattfindenden Entzündungsreaktion. Die histomorphometrisch dargestellte, deutlich verstärkte Fremdkörperreaktion in Gruppe II/PRP+ kann auf die PRP-Applikation zurückgeführt werden. Im weiteren Heilungsverlauf kann dies zu einer Verzögerung der knöchernen Konsolidierung der Defekte führen.Aim of the current experimental study in Minipigs was to examine the effects of homologous platelet-rich plasma (PRP) on the cell-mediated degradation of a nanoparticulate hydroxyapatite (HA) during the early phase of bone defect healing. Twenty-six male "Lewe" minipigs were divided into three groups. Standardized bone defects were created in the intercondylar region of the right femur of each pig and were filled with HA (Group I/PRP-, n = 11) or HA + PRP (Group II/PRP+, n = 11). The defects of the control group (n = 4) were left empty. During the implantation procedure blood was drawn from six minipigs (250 ml each). PRP was isolated from these blood samples after several centrifugation steps. After the addition of thrombin and calcium gluconate growth factors were released from the alpha-granules of the thrombocytes which were enriched within the PRP. Some of these growth factors are Platelet Derived Growth Factor AB and BB (PDGF AB, BB), Transforming Growth Factor ß 1 (TGF beta1), Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) and basic Fibroblast Growth Factor (bFGF). The level of enrichment of these growth factors was controlled by the ELISA technique. Growth factor enrichment within the PRP ranged from 1.6 fold (TGF-beta1) to 24.4 fold (bFGF). After 20 days the treated distal femura were explanted. For light microscopical examination different tissue embedding methods (paraffine, plastic, resin), sectioning techniques (paraffine sections, plastic and resin sections, sawing and grinding sections), staining procedures (toluidine blue, hematoxylin eosin, safranin) and histochemical methods (enzyme- and immunohistochemistry) were performed. Additionally transmission electron microscopy and computer-assisted histomorphometry were used. The results of light microscopy and transmission electron microscopy showed that regardless of the addition of PRP, the HA is degraded by hydrolysis and macrophages. The population of macrophages consists of Langhans-type giant cells. The adhesion of the polarized polykaryons at the surfaces of the implant is mediated by the apical domain of the plasmamembranes. Vimentin condensations of the cytoplasm are attached to the apical plasmalemma. In contrast, non-adherent polykaryons of the granulation tissue reveal a homogeneous Vimentin distribution pattern within their cytoplasma. As shown ultrastructurally, the implant is degraded by means of phagocytosis. The implant particles are encircled by pseudopodia of the polykaryons and become incorporated into the cytoplasma. The degradation process is supported by disintegration of the bone substitute into numerous small particles after implantation. This disintegration causes enlargement of the implant surface and increases the probability of phagocyte adhesion. The pattern of CD44 expression points towards a functional role of the molecule during fusion of mononucleated macrophages into multinucleated giant cells. Implant-associated polykaryons show CD44 immunoreactivity only along the basal domains of the cytomembrane. This pattern can be interpreted as a temporal event during adhesion. Adherent polykaryons are further characterized by strong cathepsin K expression. The histomorphometric examination demonstrates twice as much foreign body giant cells in "Group II/PRP+" as in "Group I/PRP-". Based on these results, a Wilcoxon-signed-rank test was performed and a highly significant effect (p < 0.01) of PRP on the expansion of tartrate resistent acid phophatase (TRAP)-positive areas within bone defects could be demonstrated. This effect could be a result of the substution of PRP or of its homologous character. The polykaryons descibed in this work - so-called Foreign Body Giant Cells - are also indicators of inflammation. The enhanced cellular reaction observed in Group II/PRP+ must be interpreted as a strong foreign body reaction, triggered by the addition of PRP. It cannot be excluded that the strong inflammation reaction will lead to delayed bone formation in the course of healing