Fragestellung: Die Therapie von Knochendefekten kritischer Größe mit kompromittiertem Regenerationspotential, stellt ein schwerwiegendes Problem dar. Die Forschung auf dem Gebiet der Knochenheilung hat sich in jüngster Vergangenheit daher auf die Anwendung mesenchymaler Vorläuferzellen (MSZ) zur Stimulierung des Knochenwachstums konzentriert. In der vorliegenden Studie wurde in humanen MSZ eine Überexpression spezifischer Wachstumsfaktoren induziert mit dem Ziel, deren osteogenes Potential zu steigern. Methodik: MSZ wurden nach etablierten Protokollen expandiert. Durch adenovirale Transfektion wurde eine überexpression von grün fluoreszierendem Protein (GFP, Kontrolle), indian hedgehog (IHH), bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) und IHH in Kombination mit BMP-2 induziert. Die MSZ wurden für 28 Tage mit osteogenem Differenzierungs- und Kontrollmedium kultiviert. Als weitere Kontrolle dienten native MSZ. Es wurden die Auswirkungen der jeweiligen genetischen Veränderungen auf die metabolische Aktivität (Alamar Blau), die Proliferation (Qubit dsDNA BR), die Aktivität des Enzyms alkalische Phosphatase (ALP)(p-Nitrophenylphosphat), die Mineralisierung (Alizarinrot S, Calcium O-Cresolphthalein) sowie auf die Expression charakteristischer Markergene untersucht (qRT-PCR). Ergebnis: In den ersten 72h nach Transfektion konnte eine leichte, im Vergleich zu nativen Zellen nicht signifikante Abnahme der metabolischen Aktivität in allen Gruppen beobachtet werden. Das Proliferationsverhalten transfizierter und nativer MSZ unterschied sich während des Untersuchungszeitraums nicht signifikant. Bei der Analyse der ALP-Aktivität zeigte sich ein typisches Rise-and-Fall Muster. Alle ost Gruppen wiesen sowohl im Assay als auch in der PCR eine signifikant höhere ALP-Aktivität auf. Die Überexpression von BMP-2 und IHH+BMP-2 bewirkte eine signifikant stärkere Mineralisierung an Tag 28. In der PCR zeigte sich für BMP-2 ost und IHH+BMP2 ost ein signifikanter Anstieg der Osteopontin und BMP-2 Expression über die Zeit. Zudem stieg bei allen ost Gruppen die Runx2 Expression bis Tag 21 an. Schlussfolgerung: Die virale Transfektion hatte keinen negativen Einfluss auf die metabolische Aktivität der Zellen oder deren Proliferationsverhalten. Die Überexpression von BMP-2 ohne oder in Kombination mit IHH führte zu einer vermehrten Produktion extrazellulärer Matrix und zu einer gesteigerten Genexpression osteogener Marker. Die virale Transfektion stellt daher eine vielversprechende Möglichkeit dar, das osteogene Potential von MSZ zu steigern. / Introduction: To stimulate healing of large bone defects research has concentrated on the application of mesenchymal stem cells (MSCs). Methods: In the present study, we induced the overexpression of the growth factors bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) and/or indian hedgehog (IHH) in human MSCs by adenoviral transduction to increase their osteogenic potential. GFP and non-transduced MSCc served as controls. The influence of the respective genetic modification on cell metabolic activity, proliferation, alkaline phosphatase activity (ALP), mineralization in cell culture, and osteogenic marker gene expression was investigated. Results: Transduction had no negative influence on cell metabolic activity or proliferation. ALP activity showed a typical rise-and-fall pattern with a maximal activity at day 14 and 21 after osteogenic induction. Enzyme activity was significantly higher in groups cultured with osteogenic media. The overexpression of BMP-2 and especially IHH+BMP-2 resulted in a significantly higher mineralization after 28 days. This was in line with obtained qRT-PCR analyses, which showed a significant increase in osteopontin and osteocalcin expression for osteogenicly induced BMP-2 and IHH+BMP-2 transduced cells when compared to the other groups. Moreover, an increase in runx2 expression was observed in all osteogenic groups toward day 21. It was again more pronounced for BMP-2 and IHH+BMP-2 transduced cells cultured in osteogenic media. Conclusion: In summary, viral transduction did not negatively influence cell metabolic activity and proliferation. The overexpression of BMP-2 in combination with or without IHH resulted in an increased deposition of mineralized extracellular matrix, and expression of osteogenic marker genes. Viral transduction therefore represents a promising means to increase the osteogenic potential of MSCs and the combination of different transgenes may result in synergistic effects.

Knochen ist ein multifunktionales Organ und zugleich ein biologisches Material. In dieser Arbeit wird der Heilungsverlauf eines Knochenbruchs (als biologisches Material) näher untersucht mit Hilfe von Computermodellen. Im menschlichen Körper kommt es nach einem Bruch zu einer vollständigen Regeneration des Knochens, ohne dass eine Narbe nach der Heilung zurückbleibt. In grob 10% der Frakturen kommt es jedoch zu Komplikationen bis zu einem Nicht-Heilen des Bruches. Das Ziel von intensiver interdisziplinärer Forschung ist es daher, nicht nur die medikamentöse Behandlung solcher Komplikationen zu verbessern, sondern auch durch externe, biophysikalische Stimulation die Heilung anzuregen. Gewöhnlich heilt ein Knochenbruch nicht direkt (Primäre Knochenheilung), das heißt durch Bildung von neuem Knochen im Knochenspalt, sondern über Sekundäre Knochenheilung. Während der sekundären Heilung bildet sich vorübergehend zusätzliches Gewebe außerhalb des Frakturspaltes, der so genannte Kallus, der die Aufgabe hat, den Bruch zu stabilisieren. Im Kallus werden im Laufe der Heilung verschiedene Gewebearten gebildet (z.B. Bindegewebe, Knorpel und Knochen). Die Gewebe werden von spezialisierten biologischen Zellen gebildet. Die spezialisierten Zellen entwickeln sich aus mesenchymalen Stammzellen (d.h. sie differenzieren), die in den Kallus wandern. Hauptziel der Arbeit ist das bessere Verständnis der mechano-biologischen Regulation der Gewebeformation während der Heilung eines normalen Knochenbruches. Dazu wurden Computersimulationen durchgeführt und mit experimentellen Daten eines Schafmodels verglichen. / Bone is a multifunctional organ, a biological material and is able to fully restore bone fractures without leaving a scar. However, in about 10% of the bone fractures, healing does not lead to a successful reunion of the broken bone ends. Intensive interdisciplinary research therefore looks for new ways to promote healing not only by medication, but also by external biophysical stimulation. Usually, bone fractures do not heal by a direct bridging of the fracture gap with newly formed bone (primary bone healing). Instead, secondary bone healing proceeds indirectly via the formation of an external callus (additional tissue). Within the callus, intricate tissue type patterns are formed, which evolve during the healing progression. Stem cells differentiate into specialized cells, which lay down different tissues such as fibrous tissue, cartilage and bone. This cell differentiation can be biophysically stimulated, e.g. by mechanical deformation of the cytoskeleton. The main aim of this thesis was to connect the microscopic cell response to mechanical stimulation with the macroscopic healing progression. Simple rules for cell behaviour were implemented in a computer model, the progression of healing was simulated and the outcome of the simulations was compared to results from animal experiments. In comparison to existing simulations of bone healing, this study approached the problem from a more physical viewpoint and linked experimental in vivo data and computer modelling.

Knochengewebe besitzt die einzigartige Fähigkeit sich nach einem Bruch komplett zu regenerieren. Dennoch zeigen 10-15% der Patienten einen gestörten Heilungsverlauf. Das Immunsystem spielt eine entscheidende Rolle in der Frakturheilung. Im Rahmen der hier präsentierten Doktorarbeit wurde der Einfluss der CD4+ regulatorischen T-Zellen (Treg) auf die Knochenheilung untersucht. In einem Maus-Osteotomie-Modell wurde die zeitliche und räumliche Verteilung ausgewählter Immun- und Knochenzellen im osteotomierten Knochen untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass Immunzellen im gesamten Heilungsverlauf in der Frakturzone zu finden waren und oft eine direkte Kolokalisation mit den Knochenzellen aufwiesen. Diese Ergebnisse zeigen deutlich die starke Interaktion beider Systeme. Ein adaptiver Transfer muriner Treg vor Setzen der Osteotomie diente als immunmodulatorischer Ansatz zur Verbesserung des Frakturheilungsprozesses. Tiere mit einem unerfahrenen Immunsystem (SPF-Haltung) zeigten eine verbesserte Heilung nach Treg-Transfer. Mäuse mit einem erfahrenen Immunsystem (semi-sterile Haltung) zeigten einen kontroversen Heilungserfolg: eine Hälfte der Mäuse heilte signifikant besser und die andere Hälfte signifikant schlechter. Die Schlechtheiler zeigten eine höhere Ratio von CD8+ Effektoren zu Treg im Vergleich zu den Gutheilern. In einer darauffolgenden Proof-of-concept-Studie konnte gezeigt werden, dass eine prä-OP definierte Ratio von CD8+ Effektoren zu Treg mit dem Heilungserfolg nach Osteotomie korrelierte. Im Rahmen dieser Doktorarbeit konnte ein potentiell positiver Einfluss von CD4+ Treg auf den Frakturheilungsprozess bestätigt werden. Dennoch wurde auch der enorme Einfluss des prä-OP Immunstatus auf den Heilungserfolg deutlich. Für die Klinik ist es also im Rahmen einer Immuntherapie umso wichtiger Patienten-basierte Therapieformen zu entwickeln, bei denen der individuelle Immunstatus eines jeden Patienten vor Anwendung der Therapie berücksichtigt wird. / Bone tissue possesses the remarkable capacity to fully regenerate after injury. However, in 10-15% of patients, unsuccessful bone repair is still a present problem. Components of the adaptive immune system play an indispensable role in bone regeneration. The here presented PhD thesis focused on the interaction of CD4+ regulatory T cells (Treg) during fracture healing. In a murine osteotomy model, the spatiotemporal distribution of immune and bone cells was analyzed within the healing bone. Cells of the immune system were detectable throughout the whole healing cascade in the injured area und showed often a direct co-localization with bone cells. These results highlight the interconnectivity of immune and bone cells during regeneration. By adoptive transfer of murine CD4+ Treg prior to osteotomy, an immunomodulatory approach to improve bone healing was conducted. Mice possessing an unexperienced immune system (SPF housing) showed a consistent improved healing outcome after adoptive Treg transfer. However, mice with a more experienced immune system (semi-sterile housing) receiving an adoptive Treg transfer demonstrated a controversial healing outcome: half of the mice showed a significantly improved and the other half a significantly poorer healing outcome. In the mice with a poorer healing outcome, a higher ratio of CD8+ effector T cells and Treg was observed. In a following proof of concept study, a pre-osteotomy defined ratio of CD8+ effector T cells and Treg could predict the healing outcome after adoptive Treg transfer and osteotomy. A potential positive impact of Treg in bone repair was confirmed in this study. However, the tremendous impact of the environment and thereby of the immune status prior to immunomo-dulation was also clearly demonstrated. Hence, for the clinic, it is even more important to develop and to apply patient based immunomodulatory treatment approaches considering the individual immune status of each patient prior to treatment.

Das menschliche Skelett besteht aus einem dynamischen Material welches in der Lage ist zu heilen, sowie sich durch strukturellen Umbau an mechanische Beanspruchung anzupassen. In dieser Arbeit ist die mechanische Regulierung dieser Prozesse untersucht worden. Hierfür ist ein Computermodell, sowie die dreidimensionale Abbildung des Knochens und die Auswertung dieser Bilder benutzt worden. An dem Heilungsprozesses von Knochen sind verschiedene Gewebetypen beteiligt. Dabei hängt die räumliche und zeitliche Anordnung dieser Gewebe von der mechanischen Belastung ab. Ein Computermodell, welches den vollständigen Verlauf der Heilung beschreibt, wurde mit der dokumentierten Gewebeentwicklung eines Tierexperimentes verglichen. Verschiedene Hypothesen, wie die mechanische Stimulation die Bildung verschiedene Gewebe beeinflusst, wurden getestet. Zwar ließen sich durch den Vergleich mit dem Experiment keine der Hypothesen verwerfen, jedoch konnten wir Vorschläge machen, worauf bei zukünftigen Experimenten verstärkt geachtet werden soll. Es wird angenommen dass der Umbauprozesses des Knochens vom dichten Netzwerk der Osteozyten mechanisch reguliert wird. Diese Zellen sind in den Knochen eingebettet und über ein dichtes Netzwerk aus engen Kanälen, den sogenannten Canaliculi, miteinander verbunden. Dieses Netzwerk mittels konfokaler Mikrokopie dreidimensional abgebildet. Spezielle Routinen zur Auswertung der Netzwerkorientierung sowie dessen Dichte wurden entwickelt. Die Hauptorientierung des Netzwerkes entspricht der Richtung in der Knochengewebe aufgebaut wird. Die Orientierung des zu dieser Richtung senkrechten Anteils des Netzwerkes rotiert abhängig von der Position entlang der Aufbaurichtung. Dies verdeutlicht den Zusammenhang zwischen der Netzwerkorientierung und der Vorzugsrichtung des Kollagens, dem faserigen Bestandteils des Knochens. Darüber hinaus zeigt die Auswertung der Daten weitere strukturelle Unterschiede im Netzwerk. / Our skeleton is composed of a dynamic material that is capable of healing and of adapting to changing mechanical loads through structural remodeling. In this thesis the mechano-regulation of these dynamic processes are addressed using computer modeling and 3-dimensional imaging and image analysis. During bone healing an intricate pattern of different newly formed tissues around the fracture site evolves in time and is influenced by the mechanical loading. Using a computer model which is describing this temporal-spatial evolution of tissue types for the full time-course of healing, this evolution is compared to the documented evolution of an animal experiment. Different hypotheses were tested how the mechanical stimulation results in the formation of different tissues. While the comparison with the outcome of the animal experiments does not allow to falsify any of the hypotheses, it suggests a different design of future animal experiments. Bone remodeling is thought to be mechano-regulated by the dense network of osteocytes. These osteocytes are embedded in bone and are connected to each other via a network of narrow canaliculi. The 3-dimensional structure of the network was imaged using rhodamine staining and laser scanning confocal microscopy. Image analysis tools were developed to determine the network topology and to analyze its density and orientation. The analysis focused on osteons, the building blocks of cortical bone. Within an osteon we found a large variability of the network density with extensive regions without network. Most of the network is oriented radially towards the center of the osteon, i.e.\ parallel to the direction in which the bone material is deposited. The network perpendicular to this direction twists when moving along the direction of bone deposition. A correlation with the main orientation the fibrous constituent of bone, collagen, was detected. Furthermore indicates our data additional structural changes in the network alignment.

The aim of this pilot study was to evaluate the bioactive, surface-coated polycaprolactone-co-lactide scaffolds as bone implants in a tibia critical size defect model. Polycaprolactone-co-lactide scaffolds were coated with collagen type I and chondroitin sulfate and 30 piled up polycaprolactone-co-lactide scaffolds were implanted into a 3 cm sheep tibia critical size defect for 3 or 12 months (n¼5 each). Bone healing was estimated by quantification of bone volume in the defects on computer tomography and microcomputer tomography scans, plain radiographs, biomechanical testing as well as by histological evaluations. New bone formation occurred at the proximal and distal ends of the tibia in both groups. The current pilot study revealed a mean new bone formation of 63% and 172% after 3 and 12 months, respectively. The bioactive, surface coated, highly porous three-dimensional polycaprolactone-co-lactide scaffold stack itself acted as a guide rail for new bone formation along and into the implant. These preliminary data are encouraging for future experiments with a larger group of animals.

No description available.