Wachstumsfaktoren sind wichtige Steuerelemente des Knochenzellmetabolismus. Im Verlauf der Frakturheilung kommt es zur Ausschüttung von zahlreichen Wachstumsfaktoren, Zytokinen und Botenstoffen im und um den Bereich des Frakturspalts, die systemisch oder lokal, endokrin, parakrin oder autokrin wirksam werden können. Für verschiedene Wachstumsfaktoren konnten in zahlreichen Studien osteoinduktive und die Frakturheilung positiv beeinflussende Wirkungen nachgewiesen werden. In vitro und in vivo Studien belegen, dass einige dieser Faktoren wie Insulin-like growth factor-I (IGF-I), Transforming growth factor-beta1 (TGF-beta1) und Bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) einen stimulierenden Effekt auf osteo- und chondrogene Zellen aufweisen und somit die Knochenheilung stimulieren. Der genaue Wirkmechanismus dieses positiven Effektes der Wachstumsfaktoren und ihre Interaktion im Verlauf der Frakturheilung ist nicht bekannt. Die lokale Applikation der Faktoren für einen therapeutischen Einsatz bei der Frakturheilung stellte bisher jedoch ein Problem dar. Mit der entwickelten biodegradierbaren Poly(D,L-Laktid)-Beschichtung von Implantaten können eingearbeitete Wachstumsfaktoren kontrolliert und lokal direkt an der Fraktur freigesetzt werden. Das beschichtete Implantat dient dabei der Stabilisation der Fraktur und gleichzeitig als Wirkstoffträger. Die Beschichtung weist eine hohe mechanische Stabilität auf. Die eingearbeiteten Wachstumsfaktoren behalten ihre biologische Aktivität in der Beschichtung und werden kontrolliert lokal freigesetzt. Um den Effekt lokal applizierter Wachstumsfaktoren auf die Frakturheilung zu untersuchen, wurde ein standardisiertes geschlossenes Frakturmodell entwickelt, das der klinischen Situation möglichst nahe ist und reproduzierbar durchgeführt werden kann. Untersucht wurde der Effekt der Wachstumsfaktoren IGF-I, TGF-beta1 und BMP-2 und des Trägermaterials PDLLA sowie lokale und systemische unerwünschte Wirkungen. Die Ergebnisse zeigten einen signifikant grösseren stimulierenden Effekt von IGF-I auf die Frakturheilung im Vergleich zur TGF-beta1 Applikation. Die kombinierte Gabe beider Faktoren ergab einen signifikant grösseren Effekt auf die torsionale Stabilität und die Kallusreifung im Vergleich zur Einzelapplikation. Beide Faktoren scheinen einen synergistischen Effekt auf die Frakturheilung zu haben. Die lokale Applikation von BMP-2 beschleunigte ebenso, wie die lokale Freisetzung von IGF-I und TGF-beta1 die Frakturheilung signifikant. Deutliche Unterschiede zwischen IGF-I / TGF-beta1 und BMP-2 konnten nicht festgestellt werden.Allerdings zeigte sich bei der Verwendung von BMP-2 auch ausserhalb der Frakturzone eine grössere Mineralisation der Kortikalis, die bei IGF-I / TGF-beta1 nicht zu beobachten ist. Auch im Grosstiermodell bestätigte sich die Wirksamkeit dieser bioaktiven Oberflächen-beschichtung auf die Osteotomieheilung. Die PDLLA-Beschichtung alleine, ohne eingearbeitete Wachstumsfaktoren, zeigte bereits einen positiven Effekt auf die Frakturheilung. Die Untersuchungen belegen, dass die lokale Freisetzung von Wachstumsfaktoren aus einer biodegradierbaren PDLLA-Beschichtung von Implantaten die Frakturheilung signifikant beschleunigt, wobei keine unerwünschten lokalen oder systemischen Wirkungen beobachtet werden konnten. Bei dem Vergleich lokaler (durch Wachstumsfaktoren) mit systemischer Stimulationsmöglichkeit (durch Wachstumshormon) der Frakturheilung lässt sich zusammenfassend feststellen, dass die kombinierte Anwendung beider Stimulationsmöglichkeiten zu keiner weiteren Steigerung der Heilungsvorgänge führte. Weitere Untersuchungen wurden hinsichtlich der genauen Rolle und Interaktion der Wachstumsfaktoren durchgeführt. Vor allem die Frühphase scheint hierbei eine entscheidende Rolle bei der Frakturheilung einzunehmen. Es zeigte sich hierbei eine deutliche Stimulation der Osteoblastendifferenzierung mit einer Erhöhung der Kollagen-1 Produktion in vitro sowie eine Steigerung der Proliferationsrate und Angiogenese mit einem schnelleren Ablauf der Phasen der Frakturheilung in vivo durch lokal appliziertes IGF-I und TGF-beta1. Weitere Anwendungen der entwickelten Beschichtungstechnologie stellen die lokale Applikation von Wachstumsfaktoren von beschichteten PDLLA-Cages bei der intervertebralen Spondylodese sowie die lokale Applikation von Antibiotika aus einer PDLLA-Beschichtung von Implantaten zur Prophylaxe der Implantat-assoziierten Osteomyelitis dar.Basierend auf diesen Ergebnissen steht der Einsatz PDLLA-Gentamicin beschichteter intramedullärer Tibianägel kurz vor der klinischen Anwendung.Eine Zulassung durch die entsprechenden Behörden ist erfolgt.Die klinische Anwendung Wachstumsfaktoren-beschichteter Implantate ist bereits in der Vorbereitung. / Growth factors are important regulators of bone metabolism. During fracture healing many growth factors or cytokines were locally released at the facture site. In several studies, different growth factors demonstrated osteoinductive and fracture stimulating properties. In vitro and in vivo studies showed a stimulating effect of Insulin-like growth factor-I (IGF-I), Transforming growth factor-beta1 (TGF-beta1) and Bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) on osteo- and chondrogenetic cells. The exact effectiveness and the interaction of these growth factors during fracture healing is not known so far. Further, the local application of these factors for therapeutically use in fracture treatment is still a problem. The developed biodegradable poly(D,L-lactide)-coating of implants allows the local and controlled release of incorporated growth factors directly at the fracture site. The coated implant serves on the one hand for fracture stabilization and on the other hand as a drug delivery system. The coating has a high mechanical stability. The incorporated growths factors remain biologically active in the coating and were released in a sustained and controlled manner. To investigate the effect of locally released growth factors IGF-I, TGF-beta1 and BMP-2 and the carrier PDLLA on fracture healing, standardised closed fracture models were developed with a close relationship to clinical situation. Further, possible local and systemic side effects were analysed. The results demonstrated a significantly higher stimulating effect of IGF-I on fracture healing compared to TGF-beta1. The combined application of both growth factors showed a synergistic effect on the mechanical stability and callus remodeling compared to single treatment. The local release of BMP-2 also enhanced fracture healing significantly - comparable to combination of IGF-I and TGF-beta1. However, a higher rate of mineralisation was measurable outside the fracture region using BMP-2 in a rat fracture model. Using a large animal model on pigs with a 1 mm osteotomy gap, the effectiveness of locally released growths factors could be confirmed. Further, the PDLLA-coating without any incorporated growth factors demonstrated a significantly effect on healing processes in both models. These investigations showed, that the local release of growth factors from PDLLA coated implants significantly stimulate fracture healing without any local or systemic side effects. Comparing systemic with local stimulation techniques, we found an improvement of fracture healing by systemic administration of growth hormone and local application of IGF-I and TGF-beta1. However, the combined use of both simulation techniques did not lead to a further increase of healing processes. Investigations on the effectiveness and the interaction of growth factors during fracture healing demonstrated an dramatic effect in the early phases of healing processes. The growth factors stimulate the differentiation of osteoblasts with a higher production of collagen I in vitro and increase osteogenesis and vascularisation of the fracture callus in vivo. Further applications of the coating technology are the use of PDLLA and growth factor coated cages for the stimulation of intervertebral fusion and the use of PDLLA and Gentamicin coated implants in order to prevent implant associated infections. The clinical use of antibiotic and growth factor coated implants are in preparation.

The term "pattern formation" refers to the process by which order unfolds in development. The present thesis deals with a particular aspect of molecular pattern formation during vertebrate embryogenesis. The model system in the focus of this study is the zebrafish, Danio rerio. In the early developmental phases of the zebrafish, Fibroblast growth factors (Fgfs) are involved in the molecular patterning of various tissues, including two regions of the brain, the forebrain and the midbrain-hindbrain region, affecting cellular processes as diverse as cell proliferation, differentiation, and axonal targeting. The goal of this study was to better understand the mechanisms by which Fgf signaling regulates pattern formation and embryogenesis. I addressed this question on several levels, investigating the extent of intracellular signaling (MAPK activation) relative to sources of Fgf expression, and the transcriptional responses of cells to Fgf signaling during embryogenesis. By a macroarray analysis, I identified putative transcriptional targets of Fgf signaling in late gastrulation, providing a set of molecules that are likely to act as functional players in relaying the patterning information encoded by Fgf signals. Among those are the secreted signaling molecules Chordin and Wnt8, as well as Isthmin, a novel secreted molecule that I found capable to interfere with anterior embryonic patterning. In addition, I identified two ETS domain transcription factors, Erm and Pea3, which constitute bona fide integrators of FgfR signaling. By gain- and loss-of-function studies, I demonstrate that transcript levels of erm and pea3 are tightly regulated by Fgf signaling. Detailed analysis of the expression patterns of erm and pea3 along with other Fgf target genes also provides evidence for a differential read-out of Fgf concentration in the embryo, consistent with a role of Fgf as a vertebrate morphogen. The discovery of novel molecular components downstream of Fgf receptor activity paves a way to characterize previously unknown or underestimated developmental roles of Fgfs in the molecular patterning of the forebrain, the eye and parts of the neural crest.

The term "pattern formation" refers to the process by which order unfolds in development. The present thesis deals with a particular aspect of molecular pattern formation during vertebrate embryogenesis. The model system in the focus of this study is the zebrafish, Danio rerio. In the early developmental phases of the zebrafish, Fibroblast growth factors (Fgfs) are involved in the molecular patterning of various tissues, including two regions of the brain, the forebrain and the midbrain-hindbrain region, affecting cellular processes as diverse as cell proliferation, differentiation, and axonal targeting. The goal of this study was to better understand the mechanisms by which Fgf signaling regulates pattern formation and embryogenesis. I addressed this question on several levels, investigating the extent of intracellular signaling (MAPK activation) relative to sources of Fgf expression, and the transcriptional responses of cells to Fgf signaling during embryogenesis. By a macroarray analysis, I identified putative transcriptional targets of Fgf signaling in late gastrulation, providing a set of molecules that are likely to act as functional players in relaying the patterning information encoded by Fgf signals. Among those are the secreted signaling molecules Chordin and Wnt8, as well as Isthmin, a novel secreted molecule that I found capable to interfere with anterior embryonic patterning. In addition, I identified two ETS domain transcription factors, Erm and Pea3, which constitute bona fide integrators of FgfR signaling. By gain- and loss-of-function studies, I demonstrate that transcript levels of erm and pea3 are tightly regulated by Fgf signaling. Detailed analysis of the expression patterns of erm and pea3 along with other Fgf target genes also provides evidence for a differential read-out of Fgf concentration in the embryo, consistent with a role of Fgf as a vertebrate morphogen. The discovery of novel molecular components downstream of Fgf receptor activity paves a way to characterize previously unknown or underestimated developmental roles of Fgfs in the molecular patterning of the forebrain, the eye and parts of the neural crest.