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Der Einfluss von Polyelektrolytkomplex-Nanopartikel-Beschichtung auf die osteogene Differenzierung in vitro

The Influence of Polyelectrolyte-Complex-Nanoparticle-Coatings on the Osteogenic Differentiation in Vitro

Siebert, Maximilian


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-158173
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2021/15817/


Freie Schlagwörter (Deutsch): mesenchymal , Biomaterial , Stammzelle , Polyelektrolyt
Freie Schlagwörter (Englisch): mesenchymal , biomaterial , stemcell , polyelectrolyte
Universität Justus-Liebig-UniversitĂ€t Gießen
Institut: Experimentelle Unfallchirurgie, Klinik und Poliklinik fĂŒr Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie
Fachgebiet: Medizin
DDC-Sachgruppe: Medizin
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mĂŒndlichen PrĂŒfung: 25.09.2020
Erstellungsjahr: 2019
Publikationsdatum: 12.01.2021
Kurzfassung auf Deutsch: Die Versorgung von Frakturen mit Osteosynthesematerial und der erfolgreiche Einsatz von Implantaten stellt vor dem Hintergrund systemischer Knochenerkrankungen, insbesondere der Osteoporose, eine Herausforderung dar. Gerade in einer zunehmend Ă€lteren Gesellschaft ist eine steigende Inzidenz von Frakturen zu erwarten. Nicht zuletzt bedeuten durch Osteoporose bedingte KnochenbrĂŒche eine gesamtgesellschaftliche ökonomische Belastung und fĂŒr die Betroffenen oftmals eine dauerhafte EinschrĂ€nkung ihrer LebensqualitĂ€t. Die Verbesserung der Materialeigenschaften von Implantat- und Osteosynthesematerialien ist ein Ansatz, um den Behandlungserfolg weiter zu verbessern. In dieser Arbeit wurden Polyelektrolytkomplex-Nanopartikel, welche mit dem zur Behandlung der Osteoporose zugelssenen Wirkstoff Risedronat beladen wurden, hinsichtlich ihrer Eignung als funktionalisierende Beschichtung fĂŒr TitanoberflĂ€chen evaluiert.
Anhand von Kulturen mesenchymaler Stromazellen aus Bohrmehlproben jeweils fĂŒnf knochengesunder und osteoporotischer Individuen verschiedenen Alters und Geschlechts wurde der Einfluss der Testmaterialien auf die osteogene Differenzierung, Lebensdauer und Funktion von Zellen der osteogenen Reihe untersucht. Gerade diese Zellen sind von Interesse, da eine gegenĂŒber der Knochenresorption zu geringe Knochenformierung durch Osteoblasten und eine gesteigerte Apoptose von Osteozyten zu pathologischem Knochenschwund fĂŒhren.
Auf Platten aus einer fĂŒr Knochenersatzmaterialien entwickelten Titan-Niob Legierung mit einer Beschichtung aus risedronathaltigen Polyelektrolytkomplex-Nanopartikeln wurden mesenchymale Stromazellen kultiviert. Nach Zugabe von osteogenem Differenzierungsmedium wurde zu verschiedenen Zeitpunkten die ZellvitalitĂ€t, der Erfolg der osteogenen Differenzierung sowie das Ausmaß der Mineralisierung extrazellulĂ€rer Matrix fĂŒr das oben beschriebene Material im Vergleich zu Platten mit einer Beschichtung aus direkt aufgebrachtem Risedronat und unbeladenen Nanopartikeln, mit unbeschichteten Platten sowie mit materialfreien Zellkulturen bestimmt. HierfĂŒr wurden MTT-ZellvitalitĂ€tsassays und mikroskopische Lebendzellbeobachtungen durchgefĂŒhrt, die Kalzium- und Osteokalzinkonzentration im Überstand gemessen, die AktivitĂ€t der alkalischen Phosphatase in Bezug auf das Gesamtprotein im Zellysat bestimmt sowie extrazellulĂ€re Kalziumablagerungen mit Alizarinrot S Farbstoff gefĂ€rbt und quantifiziert.
Risedronat wirkte unter Verwendung grĂ¶ĂŸerer Mengen von 2,5 × 10-7 mol bereits zu Beginn der Versuchszeit toxisch auf die Zellkulturen. Dies wurde frĂŒh mikroskopisch sowie am Ende der einmonatigen Versuchszeit anhand des VitalitĂ€tsassays und der durch Kalziummessungen nachvollzogenen Mineralisierung sichtbar. Die Wirkung des Medikaments wurde dabei durch eine Applikation ĂŒber die Polyelektrolytkomplex- Nanopartikelbeschichtung verstĂ€rkt und trat insbesondere im knochengesunden Kollektiv zum Vorschein. Die wirkstofffreie Polyelektrolytkomplex-Nanopartikelbeschichtung selbst hatte hierbei zu keinem Zeitpunkt einen toxischen Einfluss.
Nach starker Verringerung der Risedronatmenge auf 2,5 × 10-11 mol in einen Bereich, in welchem protektive Effekte auf Osteoblasten erwartet werden, konnten bei starker individueller Abweichung einzelner Zellkulturen voneinander keine Auswirkungen des Wirkstoffes nachgewiesen werden. Ein signifikanter Anstieg an Kalziumablagerungen unter Verwendung wirkstofffreier Titan-Niob-Platten blieb fĂŒr Kombinationen mit selbst geringen Risedronatmengen jedoch aus.
Einen beobachteten Abfall der Osteokalzinkonzentration im Überstand gegen Ende der Versuchszeit gilt es weiter zu untersuchen.
Insgesamt zeigten Polyelektrolytkomplex-Nanopartikel als adhÀrente Beschichtung eine uneingeschrÀnkte BiokompatibilitÀt mit mesenchymalen Stromazellen im Verlauf ihrer osteogenen Differenzierung. Zudem setzten sie ihren Wirkstoff effektiv frei. Vorbehaltich einer weiter verbesserten Freisetzungskinetik und BestÀtigung osteoprotektiver Effekte in nanomolaren Konzentrationsbereichen wÀren risedronathaltige Polyelektrolytkomplex-Nanopartikel zur lokalen Funktionalisierung von TitanoberflÀchen vielversprechend und könnten Nebenwirkungen einer systemischen Risedronattherapie an Implantaten vermeiden helfen.
Kurzfassung auf Englisch: Even today, the successful treatment of bone fractures or joint replacement using implant materials poses a great challenge under osteoporotic conditions. Further improvement of implant material properties is needed considering the rising number of fractures caused by population aging in most societies. The functionalization of material surfaces is one approach to ease the immense costs and individual suffering of unsuccessful therapy for frail patients. Hence, this study investigated the suitability of polyelectrolyte complex nanoparticles containing the bone therapeutic risedronate as an interfacial drug delivery system, by evaluating its biocompatibility and influence on mesenchymal bone cells, also known as stromal cells. The differentiation of osteogenic precursor cells found in mesenchymal stromal cell cultures and prevention of osteoblast apoptosis are important therapeutic targets to preserve bone formation.
Cultures of reaming debris derived mesenchymal stromal cells representing five bone healthy and five osteoporotic donors were seeded on test materials. The test materials consisted of Titan-Niob alloy discs that were coated with risedronate loaded polyelectrolyte complex nanoparticles. Comparisons were made between the test material and the untreated disc as well as coatings of drug-free particles or dried risedronate solution, and material free cultures. After differentiation along the osteogenic lineage, the successful differentiation, cell viability and osteogenic function were evaluated. For this purpose MTT-cell viability assays, microscopic examination, soluble calcium and osteocalcin marker-protein quantification, alkaline phosphatase kinetics and Alizarinred S staining of calcium deposits were performed.
Higher levels (2,5 × 10-7 mol) of incorporated risedronate showed toxic effects visible under the microscope as early as day one and lead to decreased cell viability and mineralization 35 days later. Drug released from particles had a greater impact compared to dried risedronate coatings. Differences were more notable in bone-healthy cultures. However, drug-free polyelectrolyte particles alone showed no cytotoxicity or adverse effects on differentiation.
Reduced drug content of 2,5 × 10-11 mol resulting in concentrations consistent with reported antiapoptotic effects on osteogenic cells, yielded no conclusive results. Donor dependent variability exceeded possible material effects by far and increased over experimental time. The depletion of osteocalcin after media change towards the end of the experiments needs further investigation.
In conclusion, this study confirmed the compatibility of polyelectrolyte complex nanoparticles as a drug-delivering surface modification for implant materials with mesenchymal stromal cells during osteogenic differentiation as well as their ability to effectively release bone therapeutics. To be used together with risedronate, a stable release kinetic that prevents toxic initial concentrations and further testing in the low concentration range are needed. Keeping that in mind, risedronate loaded polyelectrolyte complex nanoparticles could help to locally improve implant stability and reduce complications of systemic drug administration.
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