Große knöcherne Defekte machen den Einsatz eines Knochenersatzmaterials notwendig. Autogene Spongiosa ist das in jeder Hinsicht unübertroffene Transplantat. Ihre Verfügbarkeit ist jedoch begrenzt. Die Entnahme autogener Spongiosa erfordert meist eine mit zusätzlichen Risiken behaftete und daher zusätzlicher Morbidität verbundene Zweitoperation. Allogene Knochenmatrixgelatine als Weiterverarbeitungsprodukt der demineralisierten Knochenmatrix ist ein osteoinduktives Implantat. Allogene BMG fördert die Regeneration knöcherner Substanzdefekte und kann durch Knochenbanken ständig in ausreichender Menge zur Verfügung gestellt werden. Die verwendete BMG ist ein avitales, vollständig demineralisiertes, antigenfreies Implantat mit günstiger Oberflächenstruktur und guter Bioverträglichkeit. Die Hydroxylapatitkera-mik Endobon® ist eine durch dosierte Verbrennung und Sinterung von boviner Spongiosa hergestellte True Bone Ceramic mit einer organisierten Trabekelstruktur und interkonnek-tierenden Poren. Das Ziel dieser Arbeit war, in vergleichenden Untersuchungen im orthotopen Modell den Einfluß der während der Präparation der BMG herrschenden Temperatur auf die Osteoinduktivität zu erfassen,am Minischwein die knöcherne Regeneration unter dem Einfluß von BMG im Vergleich zur Kombination aus BMG mit der Hydroxylapatitkeramik Endobon® zu untersuchen und dabei gleichzeitigden zeitlichen Verlauf der Knochenbildung beim Heilungsprozeß quantitativ zu erfassen. Die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit erfolgte am Trepanationsdefekt bei Wistar- Ratten. Als Negativkontrolle diente der Leerdefekt. Die Heilung des Defekts wurde deskriptiv histologisch und mittels der biochemischen Marker Alkalische Phosphatase, Kalziumgehalt und Hydroxyprolin erfaßt. Die in diesem Versuch verwendete BMG wurde bei 4°C bzw. 22°C hergestellt. Untersuchungszeiträume waren 1, 2, 4, 6 und 12 Wochen. Folgende Ergebnisse wurden erzielt: Beide BMG-Präparationen produzierten eine vollständige Defektheilung nach 12 Wochen.Bei der histologischen Untersuchung konnte zu keinem der Untersuchungszeitpunkte ein Unterschied im Fortschritt der Defektregeneration zwischen beiden Vergleichsgruppen beobachtet werden.Die Aktivität der Alkalischen Phosphatase ist nach der zweiten und der vierten Wochen in der BMG 22°C-Gruppe signifikant (p=0.042 bzw. 0.012) erhöht. Der Kalzium-und Hydroxyprolingehalt werden aus Gründen, die im einzelnen im Kapitel 2.3. diskutiert werden, in diesem Versuch nicht als universell geeignete Parameter zur Erfassung der Osteogenese angesehen. Die Untersuchung der Heilung von Knochendefekten unter dem Einfluß von allogener BMG im Vergleich zu einer Kombination aus BMG mit einer Hydroxylapatitkeramik wurde an Minischweinen durchgeführt. Die zeitliche Dynamik des Knocheneinwuchses wurde anhand histologischer Fluoreszenzübersichten erfaßt. Die tägliche Markierung der Tiere mit Fluorochromen machte die Bestimmung der Knocheneinheilungsrate möglich. Detailhistologien zeigten die Qualität der knöchernen Einheilung. Mittels computergesteuerter Bildanalyse wurde die Quantität des Knocheneinwuchses gemessen. In diesem Versuch wurden folgende Ergebnisse erzielt: Allogene BMG allein hatte keine stimulative Wirkung auf die knöcherne Heilung im ersatzstarken Lager. Der Defekt war auch nach 12 Wochen noch nicht knöchern durchbaut.Der flächenmäßige Anteil neugebildeten Knochens bei Keramik+BMG lag nach 12 Wochen bei 80 % gegenüber 33 % bei alleiniger Implantation von BMG.Keramik mit BMG zeigte eine signifikante Förderung der knöchernen Regeneration und Integration (p=0.0004) mit Bildung einiger separater Osteogenesezentren im Defektzentrum. Die osteokonduktiven Eigenschaften der BMG sind nicht stark genug ausgeprägt, um bei Minischweinen die Heilung ossärer Defekte im ersatzstarken Lager zu beschleunigen. Die Kombination von BMG mit einer Hydroxylapatitkeramik erscheint wegen der signifikanten Beschleunigung des Knocheneinwuchses bei stabiler Fixation als geeignet für die klinische Anwendung. In der Literatur ist gut belegt, daß es sich bei BMG um ein osteoinduktives Implantat handelt. Wird ein klinischer Einsatz von BMG beabsichtigt, ist die vorherige Sterilisation eine unabdingbare Voraussetzung. Die Osteoinduktivität wird durch eine Reihe von Sterilisationsverfahren drastisch reduziert. Für den Verlust der Osteoinduktivität der hier verwendeten BMG kommt als wahrscheinlichste Ursache die Sterilisation im Peressigsäure- Unterdruck- Verfahren in Frage. Der wissenschaftliche Beweis dafür steht noch aus. Die Temperatur während der Präparation hat keinen signifikanten Einfluß auf die osteoinduktive Kapazität der BMG. / Osteoinductive bone replacement substances, particularly the Bone Morphogenetic Proteins (BMP), have long been the subject of scientific interest. However, even though the temperature stability of BMP up to 60 degrees Celsius it is well documented, the procedures for the preparation of demineralized bone matrix, Bone Morphogenetic Gelatin (BMG), and the extraction of BMP called for temperatures of 2 - 4 degrees Celsius. This results in considerable costs. It was previously shown that BMP rapidly loses its osteoinductivity when left in a postmortem milieu at room temperatures. To test the hypothesis that the conditions during the preparation of BMG at room temperature do not lead to a degradation of osteoinductivity, BMG was prepared at 4 centigrade and at room temperature. BMG was then implanted in calvaria defects of 6 mm diameter in Wistar rats. Defects were evaluated at 1, 2, 4, 6, and 12 weeks. Alkaline phosphatase activity, calcium, and hydroxyproline were employed as biochemical markers of osteoneogenesis. Descriptive histology showed no differences between the two implant materials. A control group gave proof that the defects did not heal without BMG. In a second experiment, the repair of bony defects in miniature pigs after implantation of BMG was compared to a combination of BMG with a hydroxyapatite ceramic. The defects measured 9.4 mm in diameter and were located in the patellar joint surface of both distal femurs. Each animal had one defect filled with BMG and one defect filled with a pressfit implanted cylindrical hydroxyapatite ceramic and BMG. Polychromic sequential dye marking allowed the quantification of bone healing at their respective time intervals. The defect repair was evaluated at 6 and 12 weeks using X-ray-documentation, fluorescence microscopy and computer assisted histomorphometry. Defects filled with a combination of BMG with pressfit implanted hydroxyapatite cylinder showed a significantly higher degree of healing as measured in terms of radius and area of bony ingrowth. CONCLUSIONS: BMG does not lose its osteoinductive capacity when prepared at room temperature. This translates into a considerable reduction in costs.The combination of the osteoinductive properties of BMG with osteoconductive biocompatible ceramics is superior over the defect repair produced by the sole implantation of BMG only.

Zur Therapie von Knochendefekten, die nach Traumata, nach Infektion oder Knochennekrosen ohne das Einbringen von Knochenersatz nicht zu heilen sind, wird versucht, Knochenersatz oder Knochenersatzgewebe mit Hilfe des Tissue Engineerings zu züchten. Da eine vollständige Vaskularisation für das Einheilen großer Ersatzgewebe unabdingbar ist, wird durch verschiedene Strategien versucht eine Blutgefäßversorgung solcher Knochenersatzgewebe zu erzielen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Generierung axial vaskularisierten Knochenersatzgewebes mit einer β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik, mesenchymalen Stammzellen und BMP-2 (bone morphogenetic protein 2) im Großtiermodell des Schafes. Um das Potential zur Knochenbildung bei Verwendung einer β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik mit und ohne Zugabe des Wachstumsfaktors bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) von ovinen mesenchymalen Stammzellen sowohl als direkt reimplantierte oder vorher expandierte Zellquelle zu untersuchen, wurden im ersten Teil dieser Studie die mesenchymalen Stammzellen des Schafes isoliert und durch Durchflusszytometrie auf Proteinebene und PCR-Untersuchung auf Genebene charakterisiert. Die für die Induktion der Knochenbildung nötige Konzentration von BMP-2 in Kombination mit der Knochenersatzmatrix und Fibrinkleber im Schaf wurde durch subkutane Implantation evaluiert. Nach zwölf Wochen Implantationsdauer wurden die Konstrukte mit 2,5 μg/ml, 12,5 μg/ml und 60 μg/ml BMP-2 im Fibrinkleber durch histologische Auswertung untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass für die Ausbildung von lamellärem Knochengewebe 60μg/ml BMP-2 nötig waren. Als nächster Schritt wurden zur Untersuchung des Verhaltens der mesenchymalen Stammzellen für unterschiedliche Implantationsdauern sowohl direkt reimplantierte mesenchymale Stammzellen als auch expandierte Stammzellen im subkutanen Modell des Schafes untersucht. Das Verhalten der verschieden prozessierten Stammzellen war bezüglich ihres Proliferations- und Apoptoseverhaltens, das immunhistologisch untersucht wurde, ähnlich. Das Potential zur ektopen Knochenbildung der direkt reimplantierten mesenchymalen Stammzellen alleine oder in Kombination mit 60 μg/ml BMP-2 und der expandierten mesenchymalen Stammzellen jeweils mit β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik und Fibrinkleber wurde nach zwölfwöchiger subkutaner Implantation untersucht. Durch PCR-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass in allen drei Gruppen Knochengene im Vergleich zur Kontrollgruppe mit β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik und Fibrinkleber hochreguliert waren. Die quantitative histologische Auswertung ergab, dass die innerhalb der Konstrukte gebildete Knochenfläche im Vergleich zu den anderen Gruppen in den Konstrukten mit expandierten mesenchymalen Stammzellen signifikant größer war. Zur Generierung axial vaskularisierten Knochengewebes wurde das AV-Loop-Modell der Ratte auf das Schaf übertragen und das Potential von direkt reimplantierten mesenchymalen Stammzellen mit β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik allein und mit der Zugabe von 60 μg/ml BMP-2 untersucht. Neben der Analyse der Vaskularisierung dieser Konstrukte durch immunhistologische und bildgebende Methoden wurde die Knochenbildung anhand histologischer Präparate quantifiziert. Die AV-Loop-Konstrukte beider Gruppen waren nach zwölfwöchiger Implantationsdauer vollständig vaskularisiert. Die für die Gruppe mit BMP-2 als Wachstumsfaktor durchgeführten intravitalen MRT-Untersuchungen zeigten, dass der Zuwachs an Gefäßen vor allem zwischen der vierten und achten Woche stattfand. Die quantitative Auswertung der neugebildeten Knochenfläche wurde semiautomatisch an histologischen Präparaten durchgeführt. In der Gruppe mit β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik, direkt reimplantierten mesenchymalen Stammzellen und 60 μg/ml BMP-2 war die Knochenfläche signifikant größer als in der Gruppe ohne Wachstumsfaktor. Mit dieser Studie konnte erstmals im Großtiermodell gezeigt werden, dass mesenchymale Stammzellen nach direkter Reimplantation im subkutanen Modell und im AV-Loop-Modell zur Induktion der Knochenbildung fähig sind. Durch die Generierung axial vaskularisierten Knochenersatzgewebes im Großtiermodell des Schafes könnte es gelingen, die Größenlimitierung der durch Tissue Engineering gezüchteten Ersatzgeweben zu überwinden.

Zur Therapie von Knochendefekten, die nach Traumata, nach Infektion oder Knochennekrosen ohne das Einbringen von Knochenersatz nicht zu heilen sind, wird versucht, Knochenersatz oder Knochenersatzgewebe mit Hilfe des Tissue Engineerings zu züchten. Da eine vollständige Vaskularisation für das Einheilen großer Ersatzgewebe unabdingbar ist, wird durch verschiedene Strategien versucht eine Blutgefäßversorgung solcher Knochenersatzgewebe zu erzielen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Generierung axial vaskularisierten Knochenersatzgewebes mit einer β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik, mesenchymalen Stammzellen und BMP-2 (bone morphogenetic protein 2) im Großtiermodell des Schafes. Um das Potential zur Knochenbildung bei Verwendung einer β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik mit und ohne Zugabe des Wachstumsfaktors bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) von ovinen mesenchymalen Stammzellen sowohl als direkt reimplantierte oder vorher expandierte Zellquelle zu untersuchen, wurden im ersten Teil dieser Studie die mesenchymalen Stammzellen des Schafes isoliert und durch Durchflusszytometrie auf Proteinebene und PCR-Untersuchung auf Genebene charakterisiert. Die für die Induktion der Knochenbildung nötige Konzentration von BMP-2 in Kombination mit der Knochenersatzmatrix und Fibrinkleber im Schaf wurde durch subkutane Implantation evaluiert. Nach zwölf Wochen Implantationsdauer wurden die Konstrukte mit 2,5 μg/ml, 12,5 μg/ml und 60 μg/ml BMP-2 im Fibrinkleber durch histologische Auswertung untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass für die Ausbildung von lamellärem Knochengewebe 60μg/ml BMP-2 nötig waren. Als nächster Schritt wurden zur Untersuchung des Verhaltens der mesenchymalen Stammzellen für unterschiedliche Implantationsdauern sowohl direkt reimplantierte mesenchymale Stammzellen als auch expandierte Stammzellen im subkutanen Modell des Schafes untersucht. Das Verhalten der verschieden prozessierten Stammzellen war bezüglich ihres Proliferations- und Apoptoseverhaltens, das immunhistologisch untersucht wurde, ähnlich. Das Potential zur ektopen Knochenbildung der direkt reimplantierten mesenchymalen Stammzellen alleine oder in Kombination mit 60 μg/ml BMP-2 und der expandierten mesenchymalen Stammzellen jeweils mit β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik und Fibrinkleber wurde nach zwölfwöchiger subkutaner Implantation untersucht. Durch PCR-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass in allen drei Gruppen Knochengene im Vergleich zur Kontrollgruppe mit β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik und Fibrinkleber hochreguliert waren. Die quantitative histologische Auswertung ergab, dass die innerhalb der Konstrukte gebildete Knochenfläche im Vergleich zu den anderen Gruppen in den Konstrukten mit expandierten mesenchymalen Stammzellen signifikant größer war. Zur Generierung axial vaskularisierten Knochengewebes wurde das AV-Loop-Modell der Ratte auf das Schaf übertragen und das Potential von direkt reimplantierten mesenchymalen Stammzellen mit β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik allein und mit der Zugabe von 60 μg/ml BMP-2 untersucht. Neben der Analyse der Vaskularisierung dieser Konstrukte durch immunhistologische und bildgebende Methoden wurde die Knochenbildung anhand histologischer Präparate quantifiziert. Die AV-Loop-Konstrukte beider Gruppen waren nach zwölfwöchiger Implantationsdauer vollständig vaskularisiert. Die für die Gruppe mit BMP-2 als Wachstumsfaktor durchgeführten intravitalen MRT-Untersuchungen zeigten, dass der Zuwachs an Gefäßen vor allem zwischen der vierten und achten Woche stattfand. Die quantitative Auswertung der neugebildeten Knochenfläche wurde semiautomatisch an histologischen Präparaten durchgeführt. In der Gruppe mit β-Trikalziumphosphat-Hydroxylapatitkeramik, direkt reimplantierten mesenchymalen Stammzellen und 60 μg/ml BMP-2 war die Knochenfläche signifikant größer als in der Gruppe ohne Wachstumsfaktor. Mit dieser Studie konnte erstmals im Großtiermodell gezeigt werden, dass mesenchymale Stammzellen nach direkter Reimplantation im subkutanen Modell und im AV-Loop-Modell zur Induktion der Knochenbildung fähig sind. Durch die Generierung axial vaskularisierten Knochenersatzgewebes im Großtiermodell des Schafes könnte es gelingen, die Größenlimitierung der durch Tissue Engineering gezüchteten Ersatzgeweben zu überwinden.