title: In vitro cell culture study on the significance of bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) in the process of bone-tendon-integration
title: In vitro Zellkultur-Studie über die Signifikanz von Bone Morphogenetic Protein-2 (BMP-2) im Prozess der Knochen-Sehnen-Integration
Creators: name: Crönlein, Moritz
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Knoche-Sehnen-Integration
Knochen-Morphogenese-Proteine
Bone Morphogenetic Protein
tendon bone integration
Medizin, Gesundheit
Ossifikation
BMP-2

description: Ligament ruptures are the most
      common sports injuries worldwide. With about 50% the
      ACL-rupture is the most common ligament injury of the knee
      joint. Currently, more than 100.000 reconstructions of the
      anterior cruciate ligament (ACL) are performed annually, in
      the USA only. The integration of the tendon graft into the
      bone continues to be a critical factor in ligament surgery.
      Bone morphogenetic proteins are often topics in scientific
      publications. Their osteoinductive potential is shown in many
      articles and reviews. But there is yet to be any broad in
      vitro-studies concerning the use of BMP in ACL-surgery. The
      aim of our study was to demonstrate in which extend BMP-2 has
      an influence on the tendon-bone-integration and to prove if
      external application of BMP-2 leads to a better and faster
      calcification of tendons. In doing so, we established an in
      vitro-cell culture model based on a bone stem cell culture.
      With the help of this model we were able to cultivate bovine
      tendons for a period of 3 months. To measure calcification,
      the results have been analysed microscopically (scanning
      electorn microscopy, light microscopy), as well as
      histologically and biochemically by determining specific
      analytes such as alkaline phosphatase (ALP) and osteocalcin
      (OCN). Our cell culture model demonstrates ideal conditions
      for cell culture experiments over a prolonged period of time.
      With our analysing techniques we were able to examine the
      calcification process from the early stages (biochemically)
      and the late stages(histology). The cultivation time and the
      population size can be extendet at will. In our experiments
      we found details about the triggering effect of BMP-2 in the
      mineralization process. BMP-2 seems to accelerate and
      optimize the process of tendonbone-integraton. Besides the
      influence of BMP-2 on Osteoblasts, we assume, that an effect
      of BMP-2 on the Fibroblasts plays an important role as well.
      Though the definite mechanism is not completely understood.
      According to our findings, we assume that BMP-2 triggers an
      ossification that is carried by osteoblasts and by
      fibroblasts as well. Therefore the tendon could play an
      important role in the process of bone-tendonintegration, so
      that the tendon takes an active role growing into the bone.
      In conclusion we can say, that we confirmed the well known
      effects of BMP-2 in our experiments and additionally we
      identified some new effects of this group of proteins.
      Further studies are needed to utilize the whole potential of
      BMP-2 in the future.
description: Verletzungen des Bandapparates
      zählen zu den häufigsten Sportverletzungen weltweit. Im
      Bereich des Kniegelenks gehört das vordere Kreuzband (VKB),
      mit einem Anteil von ca. 50%, zu den am öftesten rupturierten
      Bändern. Alleine in den USA werden jährlich über 100.000
      VKB-Rupturen operativ versorgt. Die Integration des
      Sehnentransplantats in den Knochen stellt eine wichtige
      Voraussetzung für den Heilungserfolg dar und ist häufig mit
      Komplikationen verbunden. Bone Morphogenetic Proteins (BMPs)
      sind Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Diskussionen.
      Die osteoinduktiven Effekte dieser Proteine werden häufig
      beschrieben und sind in zahlreichen experimentellen Studien
      vertreten. Groß angelegte in vitro- Studien für eine
      Verwendung dieser Proteine im Bereich der Kreuzbandchirurgie
      bestehen zum aktuellen Zeitpunkt allerdings nicht. Ziel
      unserer Untersuchungen war es zu zeigen, welchen Einfluss
      BMP-2 auf den Prozess der Knochen-Sehnen-Integration hat und
      inwiefern die externe Applikation von BMP-2 zu einer
      verbesserten Kalzifizierung von Sehnen führt. Hierzu wurde
      zunächst ein in vitro-Zellkultur-Modell auf Basis einer
      Knochen- Stammzellkultur etabliert. Mit Hilfe dieses Modells
      konnten bovine Sehnen über einen Versuchszeitraum von 3
      Monaten kultiviert werden. Zur Messung des
      Kalzifizierungsgrades wurden zum einen mikroskopische, zum
      anderen histologische und biochemische Analysen vorgenommen.
      Unser Modell liefert ideale Bedingungen für
      Zellkulturuntersuchungen über einen langen Zeitraum. Mittels
      der etablierten Auswertmethoden lassen sich
      Kalzifizierungsprozesse zu unterschiedlichsten Zeitpunkten
      (Frühphase: biochemische Analytbestimmung, Spätphase:
      Histologie) analysieren. Sowohl Kultivierungszeit, als auch
      Populationsgröße sind beliebig erweiterbar. In unseren
      Versuchen haben wir Hinweise über den triggernden Effekt von
      BMP-2 auf die Mineralisationsvorgänge der Sehne erhalten.
      BMP-2 scheint den Prozess der Knochen-Sehnen-Integration zu
      beschleunigen und dadurch zu verbessern. Hierbei spielt neben
      dem, schon häufiger beschriebenen, Einfluss von BMP-2 auf
      Osteoblasten, wohl auch eine direkte Wirkung auf die Gruppe
      der Fibroblasten ein Rolle. Der genaue Mechanismus ist jedoch
      noch nicht verstanden. Wir vermuten aufgrund unserer
      Ergebnisse, dass BMP-2 eine Ossifikation fördert, die sowohl
      von den Osteoblasten, als auch von den Fibroblasten getragen
      wird. Im Prozess der Knochen-Sehnen-Integration könnte der
      Sehne somit ein bedeutender Anteil zukommen, sodass diese
      möglicherweise aktiv in den Knochen einwächst. Abschließend
      lässt sich feststellen, dass durch unsere Untersuchungen
      bereits bekannte Eigenschaften des BMP-2 bestätigt wurden und
      zusätzlich neue Effekte im Wirkspektrum dieser Proteinklasse
      aufgezeigt werden konnten. Weitere Untersuchungen in den
      angesprochenen Bereichen sind notwendig, um das Potential von
      BMP-2 vollständig auszuschöpfen.