Knochenneubildung durch induktive Implantate der TGF-Beta-Familie : eine tierexperimentelle Studie zum Synergismus von BMP-2-Mutanten und TGF-Beta bei der heterotopen Osteoinduktion

• Main Author: Janke, Carsten Theodor Wilhelm
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: 2005
• Subjects: ddc:610
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/1397; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-16393; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-16393; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/1397/DISSER_1.PDF

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. === The osteoinduktive potency of „bone morphogenetic proteins“ (BMP-2) and the regulating influence of “transforming growth factor beta 1“ on the remodelling process of bone are proved by a lot of in-vivo and in vitro studies. Genetical modification of the amino-acid-sequency at the n-terminal of recombinant, in bacterial system (E. coli) expressed BMP-2 (rh-BMP-2) leads to rh-BMP-2-variants which bind with increased (T3 and T4) respectively with no affinity (EH-BMP) to the extracellular matrix. Thus the local retention-time of the morphogenes at the site of implantation changes as well. This study was made to compare the osteoinduktive potency of rh-BMP-2 to the one of the modified variants T3, T4 and EH-BMP. Besides this it should be investigated if the amount of inducted bone can be influenced in a BMP-dose-dependant manner. Moreover it was to discover if the quantity of bone formation could be increased by simultaneous application of the non-osteoinductive growth factor rh-TGF-ß-1. For this cylindrical (length l=10mm, diameter Ø=5mm), bovine EXKK-carriers (Extrazelluläres Xenogenes Knochen Kollagen) were loaded with 2µg or 4µg of rh-BMP-2 respectively T3, T4 or EH-BMP. To half of the carriers we added 100ng, resp. 200ng of rh-TGF-ß-1 (ratio morphogen : TGF-ß = 20:1). Next the morphogen loaded cylinders respectively the rh-TGF-ß-1 containing carriers were implanted intramuscular into the left respectively right hind leg of 50 Sprague-Dawley-rats for 28 days. For reference we implanted pure carriers and exclusively rh-TGF-ß-1 loaded cylinders (rh-TGF-ß-1 = 10µg and 20µg) into some additional rats. To valuate beginning, progress and speed of osteoinduktion we made radiographic pictures of the hind legs containing the carriers at the 5th, 11th, 17th, 23rd und 28th day post OP. After the carrier-explantation at the 28th day post OP we could evaluate amount, density, histological quality and calcium-level of the induced bone formation by using two- and three-dimensional radiological scans, as well as chemical and histological methods. X-Ray-scans of histological slices (microradiography) allowed the direct comparison of histological and radiographical results. The implantation of pure carriers and exclusively rh-TGF-ß-1 loaded cylinders did not lead to bone formation in any case. Except the EH-BMP-containing carriers all cylinders showed newly induced bone at the 11th day post OP significantly. Concerning speed, amount, density and content of calcium of the bone formation BMP-2 and T4 were the strongest osteoinductive factors followed by T3. Using 4µg of morphogen they reached the final level of bone-amount already at the 23rd day post OP. EH-BMP formed less bone significantly and led to variant results. An increase of the implanted amount of Morphogen from 2µg to 4µg as well as the additional application of rh-TGF-ß-1 led to a rise of speed, amount, density and content of calcium of the bone formation in the mean. For clinical treatment the use of modified rh-BMP-2-variants with increased affinity to the extracellular matrix is to prefer to the application of the origin rh-BMP-2 in higher doses. Using the variants osteoinduction begins earlier and runs faster despite using lower levels of morphogen. In the same way the addition of genetically produced rh-TGF-ß-1 helps to magnify osteoinduktive effects. The existence of further growthfactors which participate in the metabolism of bone-remoddelling may indicate more hidden therapeutical possibilities for the clinical treatment of growth factors like BMPs and TGF-ß.