Ein "Baukasten" für die Knochenregeneration
Knochentechnik beruht auf der Verwendung von 3D-Gittern zusammen mit geeigneten Wachstumsfaktoren und Stammzellen, um Knochen im Labor herzustellen. Das polymere Gerüst liefert die erforderliche Unterstützung für das Wachstum und die Differenzierung von Stammzellen zu Knochengewebe. Durch die Verwendung von biologisch abbaubaren Polymeren kann der "künstliche" Knochen vollständig verwachsen, sobald er an der Stelle der Knochenverletzung des Patienten platziert wurde. Ziel des EU-geförderten Projekts VASCUBONE (Construction kit for tailor-made vascularized bone implants) war es, die Methoden und Komponenten für die Knochentechnik zu optimieren. Das Konsortium schuf eine Kombination aus fortschrittlichen Biomaterialien, adulten Stammzellen und Bildgebungsverfahren, um die Knochenregeneration basierend auf den Bedürfnissen des Patienten zu verbessern. Forscher untersuchten zuerst die Biokompatibilität sowie die osteokonduktiven und osteoinduktiven Eigenschaften einer Reihe von Biomaterialien. Besondere Aufmerksamkeit erhielt die Verbesserung ihrer Hydrophilie sowie der aktiven Oberfläche der verwendeten Materialien. Daher verwendeten die Wissenschaftler funktionalisierte Nano-Diamantpartikel (nDP), um die Kontaktfläche mit den Bio-Einheiten zu erhöhen. Diese extrazelluläre Matrix kann in Kombination mit bestimmten Bindungswachstumsfaktoren die Knochenbedingungen simulieren und die Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen zu Knochen maximieren. Die Projektpartner untersuchten auch die Steuerung und Überwachung der Zellaussaat der Gerüste und die Analyse von Differenzierungsprozessen und Zell-Matrix-Wechselwirkungen. Ein definierter oszillierender Strom erwies sich als das effizienteste Mittel für die Einbringung von Zellen in dem porösen Gerüstsystem. Die VASCUBONE-Systeme wurden an Tiermodellen mit Knochendefekten getestet und die Knochenneubildung wurde durch Histologie und Radiographie ausgewertet. Mit morphogenetischem Knochenprotein 2 geimpfte Polymergerüste wiesen die höchste Knochenbildungsrate auf. Die Optimierung der Magnetresonanztomographie verbesserte die Bildgebung und die Bewertung der neuen Knochenimplantate. Die neuen Materialien wurden getestet und erwiesen sich als nicht zytotoxisch sowie als biokompatibel. Darüber hinaus demonstrierte eine intravenöse Toxizitätsstudie der NDP deren Sicherheit. VASCUBONE entwickelte auch neue Werkzeuge für die Kontrolle sowie die Gewährleistung von Sicherheit, immunologischer Akzeptanz und Wirksamkeit von neuen Implantaten. Darüber hinaus wurde ein erfolgreiches Design erarbeitete, um umweltbedingte Karzinogenese in vivo zu untersuchen und implantierte Materialien/Gerüste durch Biolumineszenz zu überwachen. Damit sollten die Beschränkungen von Langzeit-Nagetier-Assays überwunden werden. Schließlich wurden alle diese neuen Modelle unter Verwendung von in vitro-in vivo-Korrelationsstudien validiert. Die neuen Biomaterialien der VASCUBONE-Toolbox werden dazu beitragen, das Niveau der Behinderung zu reduzieren und damit Patienten und Gesundheitsdienstleistungen maßgeblich zugutekommen.
Schlüsselbegriffe
Knochenimplantate, Polymergerüst, Stammzellen, VASCUBONE, Biomaterialien
