Erhöhtes angiogenes Potenzial von GDF-5 und einer GDF-5 Mutante gegenüber BMP-2

by | Nov 20, 2018 | Arthrosetherapie, News

Erhöhtes angiogenes Potenzial von GDF-5 und einer GDF-5 Mutante gegenüber BMP-2 bei der Regeneration von Röhrenknochendefekten im Kaninchen

Kleinschmidt K, Wagner-Ecker M, Bartek B, Holschbach J, Rütze M, Richter W

Fragestellung: Die Verwendung von Knochenersatzmaterialien zur Applikation von Wachstumsfaktoren, vor allem aus der Familie der bone morphogenetic proteins (BMPs) hat sich für die Stimulation der Knochenneubildung bewährt. Die Nachverfolgung von Neoangiogenese im Heilungsverlauf beim Einsatz dieser Faktoren wird aber aufgrund der hohen Röntgendichte erschwert. In einer kürzlich veröffentlichten Studie konnte gezeigt werden, dass eine Mutante des pro-angiogenen Wachstumsfaktors growth/differentiation factor 5 (GDF-5) mit neu erworbener BMP1A-Rezeptor Affinität (BB-1) zu einer Stimulation der Knochenneubildung in langen Röhrenknochendefekten des Kaninchens führt, die dem klinischen Standard BMP-2 überlegen ist (Biomaterials 2013, 24:5926-36). Da BB-1 im Vergleich zur BMP-2 Behandlung eine erhöhte Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) Sekretion induzierte, war es naheliegend, dass BB-1 pro-angiogene Eigenschaften von GDF-5 mit verbesserten osteogenen Eigenschaften vereint. Ziel der vorliegenden Studie war die quantitative Untersuchung der Neoangiogenese im Tiermodell zu frühen Zeitpunkten nach Behandlung mit BMP-2, GDF-5 und BB-1.

Methodik: Am Radius von Kaninchen (n=44) wurde ein 15 mm langer Knochendefekt gesetzt, in den ein Kollagenschwamm mit 50 μg BMP-2, GDF-5 oder einer GDF-5 Mutante (BB-1) eingebracht wurde. Kontrolltiere erhielten nur den Träger. Nach 7 und 14 Tagen Standzeit erfolgte die Auswertung der Knochenneubildung mittels in vivo μ-CT sowie, nach in vivo Perfusion der Gefäße mit Kontrastmittel, anschließender Knochenexplantation und Dekalzifizierung eine ex vivo μ-CT Angiographie.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Vorgehensweise ermöglichte die Visualisierung und Quantifizierung der Vaskularisierung in hoher Auflösung. Sieben Tage nach Wachstumsfaktor-Applikation zeigten nur die mit BB-1 und GDF-5 behandelten Defekte eine signifikant höhere Neoangiogenese gegenüber Kontrolltieren. Am Tag 14 wurde diese für alle Wachstumsfaktoren deutlich. Die kumulative Auswertung erbrachte für das Gefäßvolumen einen signifikanten Vorteil von GDF-5 (3,8-fach, p=0,049) sowie BB-1 (3,9-fach, P=0,007) gegenüber BMP-2. Jeder der Wachstumsfaktoren zeigte nach 14 Tagen signifikant mehr neues Knochenvolumen gegenüber der Kontrollgruppe (p<0,01). Die durch BB-1 induzierte Knochenneubildung war signifikant erhöht gegenüber GDF-5 (p<0,01).

Zusammengefasst stimulierten die Wachstumsfaktoren nachhaltig die Neoangiogenese während der Knochenneubildung. Im Vergleich zu BMP-2 wird dieser Effekt bei BB-1 und GDF-5 früher deutlich. Nur BB-1 verbindet die Vorteile einer frühen Neoangiogenese mit einer ausgeprägten Stimulation der Osteogenese die in einer besseren Knochenarchitektur resultiert. Aus diesem Grund stellt die Applikation von BB-1 einen vielversprechenden Ansatz zur Heilung von Röhrenknochendefekten kritischer Größe dar.

 

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocGR12-704

doi: 10.3205/14dkou479, urn:nbn:de:0183-14dkou4797

Published: October 13, 2014
© 2014 Kleinschmidt et al.
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Optimierung der Wachstumsfaktortherapie von großen Knochendefekten

by | Nov 20, 2018 | Arthrosetherapie, News

Optimierung der Wachstumsfaktortherapie von großen Knochendefekten

Schwarz C, Willie B, Ellinghaus A, Lienau J, Seemann P, Duda GN

Fragestellung: Rekombinante BMPs sind, neben dem Goldstandard autologes Knochentransplantat, klinisch zur Behandlung kritischer Knochendefekte im Einsatz. Ihre Anwendung in überhöhten Konzentrationen kann zu erheblichen Nebeneffekten führen, die eine kritische Diskussion des Einsatzes von BMPs nach sich gezogen haben [1]. Wünschenswert wären somit Therapieoptionen, die bei geringerer Konzentration bereits effektive Heilungsergebnisse erlauben. Ziel war es, zum einen mögliche Alternativen zu rhBMP2 und rhBMP7, zum anderen den Einsatz geringerer Konzentrationen zur erfolgreichen Knochendefektheilung zu testen. Wir untersuchten GDF5 und eine GDF5-Variante mit erhöhter biologischer Aktivität aufgrund einer Noggin-Resistenz im Vergleich zu BMP2 als Stimuli für die Knochendefektheilung.

Methodik: Weiblichen SD-Ratten wurde ein standardisierter, nicht-heilender Defekt am linken Femur gesetzt und mit einem externen Fixateur stabilisiert. Die Tiere erhielten zur Defektregeneration eine niedrige Konzentration (5 µg) an rhBMP2, rhGDF5 und der rhGDF5-Variante. Die Stimuli wurden mit Hilfe eines Kollagenschwammes (Lyostypt) im kritischen Defekt platziert. Ein Kollagenschwamm mit Pufferlösung wurde in der Kontrollgruppe eingesetzt. Der Defektbereich wurde mittels in vivo MicroCT nach zwei, vier und sechs Wochen sowie histologisch und histomorphometrisch nach sechs Wochen post-OP analysiert. Die Ergebnisse wurden mit Daten einer Studie verglichen, in welcher die hier untersuchten Wachstumsfaktoren (BMP2, GDF5, GDF5-Variante) mit einer zehnfach höheren Dosis im kritischen Defektmodell appliziert wurden.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: BMP2 führte bereits nach 2 Wochen sowohl mit der geringen als auch der zehnfach höheren Dosis zu einem komplett überbrückten Defekt, wobei das Kallusvolumen in der Gruppe der niedrigen Dosis reduziert war. Nach Applikation der GDF5-Variante kam es sowohl mit der geringen (in Woche 2) als auch mit der hohen Konzentration (in Woche 4) zu einer Defektüberbrückung. Zudem war eine vergleichbare Knochenmenge gegenüber BMP2 zum 6 Wochen-Zeitpunkt zu verzeichnen. Bei GDF5 zeigte bereits die geringere Dosis eine vollständige Überbrückung zum 4 Wochen-Zeitpunkt, während bei der zehnfach höheren Dosis nach 4 Wochen eine beginnende endostale Heilung sichtbar wurde.

Auch bei der geringen Dosis zeigen GDF5 und ihre Variante vergleichbar zu BMP2 einen vollständig knöchern überbrückten Defekt. Beide Stimuli stellen somit potentielle Kandidaten zur Behandlung kritischer Defekte in Röhrenknochen dar. Es zeigte sich eine unerwartete Dosis-Abhängigkeit der Wachstumsfaktoren, die bei GDF5 in geringerer Dosis zu einer wesentlich besseren Heilung führte. Die Studie zeigt deutlich das Potential alternativer Stimuli, die auch in sehr viel geringeren Dosen einen Heilungseffekt aufweisen können.

Literatur:
1. Axelrad TW, Einhorn TA. Bone Morphogenetic Proteins in Orthopaedic Surgery. Cytokine Growth Factor Rev. 2009;20(5-6):481-8.

 

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocGR12-1163

doi: 10.3205/14dkou478, urn:nbn:de:0183-14dkou4783

Published: October 13, 2014
© 2014 Schwarz et al.
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