Biologically active bone replacement materials for osteoporotic fractures

Bienert, Michaela; Neuß-Stein, Sabine; Jahnen-Dechent, Wilhelm

doi:10.18154/RWTH-2018-228824

Biologically active bone replacement materials for osteoporotic fractures = Biologisch aktive Knochenersatzmaterialien für osteoporotische Frakturen

Bienert, Michaela^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michaela Bienert Master of Science (M.Sc.)

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (xiii, 104 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Jahnen-Dechent, Wilhelm (Thesis advisor)^RWTH* ; Neuß-Stein, Sabine (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-08-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-228824
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/742929/files/742929.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/742929/files/742929.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biomaterials (frei) ; Bonegrafts (frei) ; HUVEC (frei) ; MSC (frei) ; Osteoporosis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 500

Kurzfassung
Mit zunehmendem Alter der Bevölkerung steigt der Bedarf an Knochenersatzmaterialien, welche die Bedürfnisse älterer Patienten berücksichtigen. Ältere Patienten können von Osteoporose betroffen sein, die sich durch eine erhöhte Fraktursensitivität auszeichnet. Es müssen neuartige Knochenersatzmaterialien entwickelt werden, welche die Anforderungen an osteoporotische Frakturen berücksichtigen. Es ist bekannt, dass Strontium (Sr) Osteoblasten Proliferation fördert. Im Hinblick auf osteoporotische Frakturen, wurden in dieser Arbeit β-Trikalziumphosphat (β-TCP) und Hydroxylapatit (HA) Scaffolds durch ein Schlickerguss Verfahren hergestellt und Sr in deren Atomgitter eingebracht. Die meisten verwendeten Materialien sind nur oberflächlich mit Sr beschichtet, was bei Implantation zur sofortigen Sr Freisetzung führt. Die Integration in das Gitter unterstützt eine kontinuierliche Freisetzung während des gesamten Resorptionsprozesses. In dieser Arbeit wurde zunächst die optimale Menge an Sr bestimmt, die dem Apatit zugesetzt werden soll um osteoporotische Frakturheilung zu unterstützen. Β-TCP mit 1,62 Gew.-% Sr (β-TCP Srlow) unterstützte die Proliferation von mesenchymalen Stromazellen (MSC) und die Sekretion von alkalischer Phosphatase (ALP) mehr als andere getesteten Materialien. MSC zeigten eine rundliche, abnormale Morphologie auf β-TCP mit 13 Gew.-% Sr (β-TCP Srhigh), aber eine typische spindelförmige Morphologie auf β-TCP Srlow. Die Zellvitalität war zwischen 80 Gew.-% β-TCP mit 18,38 Gew.-% HA und 1,62 Gew.-% Sr (β-TCP HA Srlow) und β-TCP Srlow nicht signifikant unterschiedlich, aber auf β-TCP Srhigh signifikant niedriger als auf β-TCP HA Srlow. Alle Sr-dotierten Materialien und reines β-TCP wurden als zytokompatibel eingestuft. Um den Einfluss von Sr auf osteogene Differenzierung in weiteren Studien zu untersuchen, wurde β-TCP Srlow gewählt. Die strukturelle und vaskuläre Integration des Materials wurde durch eine Co-Kultur von MSC und humanen Nabelvenenendothelzellen (HUVEC) in einem Co-Kulturmodell getestet. Zweitens wurde ein Medium etabliert, um osteogene Differenzierung und Vaskularisierung in der MSC/HUVEC-Co-Kultur auf 2D-Gewebekulturpolystyrol (TCPS) zu unterstützen. Interessanterweise wurden HUVEC apoptotisch in MSC Expansionsmedium (SCM) und im osteogenem Induktionsmedium (OIM), während MSC und die Co-Kultur "robuster" waren und in allen getesteten Medien wuchsen. Es wurde gezeigt, dass Zellvitalität und osteogene Differenzierung voneinander abhängig sind. Die Zellvitalität war im endothelialen Wachstumsmedium (EGM) im Vergleich zu allen anderen Medien erhöht. Vierzehn Tage in EGM, gefolgt von einer eintägigen Inkubation in OIM unterstützten kapillarähnliche Strukturbildung und osteogener Differenzierung in der MSC/HUVEC-Co-Kultur (EGM/OIM). Drittens, wurde die Co-Kultur mit einem β-TCP oder β-TCP Srlow 3D-Scaffold in einem Bioreaktor inkubiert, um die Wirkung von dynamischer Kultur und Sr auf die osteogene Differenzierung und Angiogenese zu untersuchen. Eine gleichmäßige Zellverteilung in den 3D-Scaffolds und extrazelluläre Matrixbildung (ECM) konnte erreicht werden. Dynamische Inkubation erhöhte die Expression des osteogenen Markers ALP. In Zukunft könnte die osteogene Differenzierung ausschließlich durch dynamische Inkubation im EGM-Medium stimuliert werden, um die kapillarähnliche Strukturbildung noch besser zu unterstützen. Abschließend zeigt diese Arbeit, dass HUVEC die treibende Kraft für die osteogene Differenzierung in der HUVEC/MSC Co-Kultur sind. Es ist zu erwähnen, dass die systemische Verwendung von Sr zur Behandlung von Osteoporose in vielen anderen Studien in Frage gestellt wurde. Darüber hinaus beschränkte die EMA die Verabreichung von oralem Strontiumranelat zur osteoporotischen Behandlung auf schwerwiegende Fälle aufgrund häufigerer Myokardinfarkte. Jedoch findet in dem hier verwendeten Ansatz lediglich eine lokale Applikation des Sr im Knochenersatzmaterial statt. Die Besiedlung der Knochenersatzmaterialien mit HUVEC/MSC Co-Kulturen sind ein vielversprechender Ansatz für die Heilung osteoporotischer Frakturen.

With the growing age of the population, there is an increasing need for bone replacement materials fitting the needs of elderly patients. Elderly patients can be affected by osteoporosis, which is characterized by an increased sensitivity to fracture. Novel bone replacement materials that best fit the requirements of osteoporotic fractures need to be designed. Strontium (Sr) is described to increase osteoblast proliferation. In order to answer those needs, we manufactured β-tricalcium phosphate (β-TCP) and hydroxyapatite (HA) scaffolds by slip casting and added Sr into the atomic lattice. Commonly used materials are only superficially coated with Sr, resulting in a burst release when implanted. The integration into the lattice results in a continuous release throughout the whole resorption process. In this work, first the optimized amount of Sr to be added to the apatite’s for bone tissue engineering (BTE) was determined. Β-TCP with 1.62 wt% Sr (β-TCP Srlow) supported proliferation of mesenchymal stromal cells (MSC) and the secretion of alkaline phosphatase (ALP) more than all other tested materials. MSC showed an abnormal roundish morphology on β-TCP with 13 wt% Sr (β-TCP Srhigh) but a typical spindle-shaped morphology on β-TCP Srlow. The cell vitality was not significantly different between 80 wt% β-TCP with 18.38 wt% HA and 1.62 wt% Sr (β-TCP HA Srlow) and b-TCP Srlow but significantly lower on β-TCP Srhigh than on β-TCP HA Srlow. All Sr doped materials and pure β-TCP were classified as cytocompatible. To investigate the effect of Sr on osteogenic differentiation, β-TCP Srlow was chosen. Structural and vascular integration of the material was increased by a co-culture of MSC and human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) in a co-culture model. Secondly, a medium was established to achieve osteogenic differentiation and vascularization in MSC/HUVEC co-culture on 2D tissue culture polystyrene (TCPS). Interestingly, HUVEC underwent apoptosis when cultured in MSC expansion medium (SCM) or osteogenic induction medium (OIM) whereas MSC and the co-culture were more “robust” and grew in all tested media. Cell vitality and osteogenic differentiation were shown to be dependent on each other with a higher cell vitality in endothelial growth medium (EGM) than in all other tested media. Fourteen days in EGM followed by one-day incubation in OIM supported capillary-like structure formation and osteogenic differentiation in MSC/HUVEC co-culture (EGM/OIM). Third, the co-culture was combined with a β-TCP or β-TCP Srlow 3D-scaffold for culture in a bioreactor for evaluating the effect of dynamic culture and Sr on osteogenic differentiation and angiogenesis of the co-culture. A uniform cell distribution in the 3D-scaffold pores could be achieved by an intense extracellular matrix (ECM) formation. Dynamic culture increased the expression of osteogenic marker ALP. In the future, it might be possible to stimulate osteogenic differentiation exclusively by dynamic conditions in EGM medium, for maximal support of capillary-like structure formation. The outlook of this work provides evidence that HUVEC is the driving force for osteogenic differentiation during HUVEC/MSC co-culture.However, the use of strontium for the treatment of osteoporosis has been questioned by many studies. In addition, the EMA limited the administration of oral strontium ranelate for osteoporotic treatment to more severe cases due to more frequent myocardial infarctions. In here a systemic approach is present by presenting Sr in a local application in bone replacement materials. Bone grafts incubated with HUVEC/MSC co-cultures are a promising approach for the healing of osteoporotic fractures.

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