Carboxymethylchitosan-Alginat als Verstärker für die Reparaturwirkung von Knochenzement

Kritische Knochendefekte erfordern oft den Einsatz von Knochentransplantaten oder künstliche Knochensubsitutenten wie Kalziumphosphatzement (CPC) oder Magnesiumphosphatzement (MPC). In der hier präsentierten Studie wird MPC mit Carboxylmethylchitosan und Natriumalginat zu einem neuartigen Knochenzement modifiziert und seine Eigenschaften in vivo und in vitro untersucht.

CARBOXYLMETHYLCHITOSAN-ALGINAT VERSTÄRKT DIE KNOCHENREPARATURWIRKUNG VON MAGNESIUMPHOSPHAT-KNOCHENZEMENT DURCH AKTIVIERUNG DES FAK-WNT-SIGNALWEGS

Ling Yu, Tian Gao, Wei Li, Jian Yang, Yinchu Liu, Yanan Zhao, Ping He, Xuefeng Li, Weichun Guo, Zhengfu Fan, Honglian Dai, Carboxymethyl chitosan-alginate enhances bone repair effects of magnesium phosphate bone cement by activating the FAK-Wnt pathway, Bioactive Materials, Volume 20, 2023, Pages 598-609, ISSN 2452-199X, https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.06.017.

Knochendefekte haben vielfältige Ursachen wie Verletzungen, Tumoren oder Infektionen. Überschreiten Knochendefekte eine bestimmte Größe, ist eine Selbstreparatur unmöglich. Standardlösungen in der Medizin sind dafür autologe und allogene Knochentransplantationen. Da dort allerdings ein erhöhtes Risiko für Komplikationen bei der Knochenentfernung, Krankheitsübertragung oder auch Abstoßung des Implantats herrscht, geht der Trend zu künstlichen Knochensubstituenten wie Kalziumphosphatzement (CPC). CPC wird häufig für den Knochenaufbau genutzt, hat aber den Nachteil einer geringen Stärke, langen Gerinnungszeit und langsameren Absorption.

Magnesium ist Teil der gesunden Knochenstruktur und macht ca. 60 % des Knochens aus. Aus dem Grund ist Magnesiumphosphatzement (MPC) als Alternative zu CPC in den Fokus von Forschenden geraten. Im Vergleich zu CPC, weißt MPC eine hohe mechanische Stärke und eine gute Bioabbaubarkeit auf. Zudem bestätigten in vivo und in vitro Studien eine sehr gute Biokompabilität und gute Eigenschaften als anorganischer Knochenfiller. Allerdings erschwert eine lange Trocknungszeit mit hoher Temperaturabgabe den praktischen Einsatz von MPC.

Um die osteo-induktiven und mechanischen Eigenschaften von MPC weiter zu verbessern, wurde in der vorgestellten Studien MPC mit Carboxylmethylchitosan (CMC) und Natriumalginat (SA) gekoppelt. CMC ist ein wasserlösliches, positiv-geladenes Chitosanderivat, das mit dem negativ-geladenen SA starke elektrostatische Wechselwirkungen eingehen kann. Zudem ähnelt CMC in der Struktur den Glucosamioglycanen in der extrazellulären Matrix, was den Knochenaufbau fördern kann. Der mit CMC/SA-gekoppelte MPC wurde in der Studie auf seine Biokomptabilität und seine Eigenschaften in Bezug auf Zelladhäsion, Proliferation und Differenzierung an MC3T3-E1 Zellen untersucht. Außerdem wurde die In-vivo-Osteogenität anhand eines Ratten-Kalvarialdefektmodells abgeschätzt.

ERGEBNISSE

• Höchste mechanische Stärke bei Zugabe von 2 % CMC/SA mit 59,43 ± 8,81 MPa
• Verlängerung der Trocknungszeit von 3,40±0,66 min (MPC) auf 12,83 ± 1,63 % nach Zugabe von 4 % CMC/SA
• Verlängerte mögliche Injektionsdauer und verringerte maximale Temperatur bei Zugabe von 4 % CMC/SA
• Verbesserte Oberflächenstruktur von MPC durch Zugabe von CMC/SA
• In vitro Studien mit MC3T3-E1 Zellen zeigten, dass es in Anwesenheit von CMC/SA zu einer Ausbildung von mehr Pseudopodien, einer faserartigen Struktur und einer Erhöhung der Zellproliferation kam
• Keine Anzeichen von Zytotoxizität
• Im Vergleich zu MPC, Förderung der Expression von osteogenen Proteinen durch CMC/SA
• MPC-CMC/SA aktivierte den Integrin-Signalweg, was zu einer erhöhten intrazellulären FAK-Phosphorylierung führte
• In vivo: schnellerer Bioabbau und Ausbildung von dickeren, kontinuierlicheren neuen Knochenfragmenten bei MPC-CMC/SA im Vergleich zu reinem MPC
• Keine Anzeichen von Entzündung, Nekrose und Infektionen an der Implantatstelle für MPC und MPC-CMC/SA

Schlussfolgerungen: Insgesamt wurde in der vorliegenden Studie ein neuartiger Knochenzement aus MPC gekoppelt mit CMC und SA entwickelt. Durch eine Verbesserung der chemischen Eigenschaften wie mechanische Stärke, verminderte Hitzeentwicklung und einer verlängerte Trocknungsdauer, zeigte MPC-CMC/SA gute Eigenschaften für eine klinische Anwendung. In vitro konnte die osteogene Differenzierung von MC3T3-E1 Zellen durch den Integrin-FAK-Wnt Weg festgestellt werden. Außerdem verbesserte sich in vivo die die Knochenneubildung durch die Kopplung mit CMC-SA. Insgesamt zeigt MPC-CMC/SA ein ausgezeichnetes Potential für die Reparatur und Regeneration von Knochengewebe.

Link zum Artikel: Carboxymethyl chitosan-alginate enhances bone repair effects of magnesium phosphate bone cement by activating the FAK-Wnt pathway - ScienceDirect