title: Einfluss von biodegradierbaren PLLA(Poly-L-Lactid-Nanofasern auf die Knochenheilung am standardisierten Critical-Size-Defektmodell der Ratte
title: Influence of biodegradable PLLA-Nanofibres on bone healing at the standardized critical size defect model of the rat
Creators: name: Schaefer, Jan Thomas
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: Polymere
Critical size defect
Medizin, Gesundheit
Ratte
Knochenbruch
PLLA
Nanofaser
Knochen-Morphogenese-Proteine
Lactid
Critica size defect

description: Summary Pseudarthrosis and other
      bone defects are common problems in orthopaedic treatment. In
      addition to that, when harvesting bone from the iliac crest
      and other places, these procedures are charged with high
      donor morbidity. Postoperative pain, low amount of material,
      infections and instabilities at the donor side are to be
      ruled out. Allogenic grafts are limited and still have,
      despite very high precautions, the possibility of disease
      transmission. Tissue engineering is a part of modern
      medicine, which tries to solve these problems.
      Three-dimensional, porous nanofibres made of poly-l-lactid
      acid (PLLA) are of huge scientific interest. Until now, data
      from in vivo studies testing biocompatibility of
      PLLA-nanofibres are still missing. The aim of this study was
      to test the biocompatibility and possible osteoinductiv
      properties of PLLA nanofibres on a standardized rat-calotte
      model. Therefore, 90 rats (Sprague Dawley) were divided into
      three groups: negative control, Tutobone® and PLLA. Two
      calotte defects, each measuring 5mm in diameter, were placed
      and were either left unfilled, filled with Tutobone or PLLA.
      After four, eight and twelve weeks, 10 animals of each group
      were sacrificed and examined radiologically, per blood
      analysis and (immuno) histologically. In blood analysis,
      there were no signs of systemic inflammatory response. By
      measuring the alkaline phosphatase, bone repair was
      evaluated. By measuring CRP, a systemic inflammatory reaction
      was excluded. There were now statistic significant
      differences between the groups concering blood samples.
      Moreover, there was no increase of infection parameters at
      all. A systemic relevant rejection reaction could not be
      seen. In histological staining by HE and Masson Goldner, no
      inflammatory reaction by invasion of granulocytes,
      lymphocytes or loosening of tissue could be seen. However,
      PLLA implants were infiltrated with a large amount of cells.
      As a characteristic sign, large giant cells without forming
      granulomas were seen. Due to these foreign body cells, a
      local inflammatory reaction on the operation side could not
      be excluded. Furthermore, cellcounts were performed to
      evaluate the adequacy of the implants as a leading compound
      for cell invasion. No significant differences were seen
      between the groups after four weeks. After eight and twelve
      weeks a difference between PLLA and negative control was
      seen. In PLLA-group, there were more cells. The same is true
      for the Tutobone© group. However, these differences were not
      significant. PLLA therefore seems to be an adequate leading
      structure for the invasion of cells and maybe is superior to
      negative control. Histological sections were performed in
      order to quantify the rate of new formed bone. In every
      group, there was a significant increase of new formed bone
      between four and twelve weeks except to the negative control
      group. However there was now significant difference between
      the groups, although there was a difference of 20% between
      negative control and Tutobone© at 12 weeks. More bone was
      formed in the PLLA group compared to the negative control but
      less bone when compares to Tutobone©. Hence there was no
      advantage for PLLA over Tutobone or negative control. The
      radiological examinations support these findings. Therefore,
      the hypothesis, that PLLA does not act osteoinductively, can
      be confirmed. Immunohistological staining against COL1A1,
      Osteocalcin, BMP-2 and SMAD5 were performed and positive
      cells were counted. While in the negative control group low
      counts were measured, in the Tutobone© group, after a
      decrement from four to eight weeks, there was a maximum of
      positive cells at twelve weeks. In the PLLA group, this was
      contrary. After eight weeks there was a peak, which fell down
      to values under those of the negative control after twelve
      weeks. This could be associated with the downregulation of
      osteoblast genes by PLLA, which had been proofed by in vitro
      experiments before. In summary, a good biocompatibility of
      PLLA-nanofibres without local or systemic signs of
      inflammatory reaction could be seen. There were significantly
      higher cell counts compared to negative control group, yet
      without apposition of new bone. This lack of osteoinductivity
      was confirmed by immunohistological staining.
description: Ziel dieser Studie war es, die
      Biokompatibiltät und mögliche osteoinduktive Eigenschaften
      von Poly-L-Lactid Nanofasern am standardisierten
      Kalottendefektmodell der Ratte zu testen. Dazu wurden 90
      Ratten der Gattung Sprague Dawley in drei Versuchsgruppen
      unterteilt: Leerkontrollen, Kontrollgruppe (Tutobone©-Chips)
      und PLLA-Fasern. Den Ratten wurden zwei 5mm messende
      kreisrunde Kalottendefekte mit einem Trepanationsbohrer
      gesetzt und anschließend entweder leer belassen oder mit
      Tutobone© bzw. PLLA-Implantaten befüllt. Nach vier, acht und
      zwölf Wochen wurden je 10 Tiere aus den Gruppen entnommen und
      sowohl radiologisch als auch laborchemisch und
      (immun)histologisch untersucht. In der laborchemischen
      Untersuchung zeigten sich keine Hinweise auf eine anhaltende
      Entzündungsreaktion. Anhand der alkalischen Phosphatase wurde
      ein bestehender Knochenanbau nachgewiesen, durch Messung des
      CRPs eine systemwirksame Abstoßungsreaktion ausgeschlossen.
      Es zeigten sich keine relevanten statistisch signifikanten
      Unterschiede der Laborwerte zwischen den Gruppen, zudem war
      keine Erhöhung der Entzündungsparameter zu verzeichnen. Eine
      systemisch wirksame Abstoßungsreaktion konnte somit nicht
      nachgewiesen werden.In den Standardfärbungen durch HE und
      Masson-Goldner Färbung konnte ebenfalls kein Nachweis einer
      lokalen Entzündungsreaktion mit Invasion Granulozyten,
      Lymphozyten oder Auflockerung des Gewebes aufgezeigt werden.
      Die PLLA Präparate waren jedoch insgesamt von vielen Zellen
      durchsetzt. Als Eigenheit stellten sich mehrkernige
      Riesenzellen ohne Granulombildung dar, welche am ehesten als
      Fremdkörperriesenzellen zu interpretieren sind. Eine lokale
      Entzündungsantwort im Defektbereich konnte somit nicht sicher
      ausgeschlossen werden. Des Weiteren wurden die Zellzahlen im
      Defektbereich gemessen, um die Eignung der Präparate als
      Leitstruktur für die Zellinvasion zu überprüfen. Hierbei
      stellten sich nach vier Wochen keine signifikanten
      Unterschiede in den Gruppen heraus, nach acht und zwölf
      Wochen wurde aber ein Unterschied zwischen den
      Negativkontrollen und PLLA deutlich. In der PLLA-Gruppe waren
      zu diesem Zeitpunkt signifikant mehr Zellen vorhanden als in
      der Negativgruppe. Gleiches galt im Vergleich zur
      Tutobone©-Gruppe. Diese Unterschiede waren jedoch nicht
      signifikant. PLLA scheint demnach in vivo eine adäquate
      Leitstruktur für die Invasion von Zellen zu sein und ist
      einer Negativkontrolle wohlmöglich überlegen. Um die
      Knochenneubildung zu quantifizieren, wurden histologische
      Schnitte in der Mitte der Defekte angefertigt und der neu
      gebildete Knochen in das Verhältnis zur Defektfläche gesetzt.
      Dabei war bei der Tutobone- und PLLA-Gruppen eine
      signifikante Zunahme der Knochenneubildung zwischen vier und
      zwölf Wochen zu sehen, nicht jedoch in der Leerdefektgruppe.
      Es war dennoch zum Zeitpunkt zwölf Wochen zwischen den
      Gruppen kein signifikanter Unterschied festzustellen, wenn
      auch der Unterschied zwischen Tutobone© und Negativkontrolle
      20% betrug. In der PLLA-Gruppe wurde mehr Knochen als in der
      Leerkontrolle gebildet, hingegen jedoch weniger als in der
      Tutobone© Gruppe. Bei fehlender statistischer Signifikanz
      konnte somit kein Vorteil für PLLA im Vergleich zur
      Negativkontrolle oder Tutobone© aufgezeigt werden. Die
      Ergebnisse der histologischen Untersuchung wurden durch
      gleichzeitig durchgeführte radiologische Evaluation der
      Defektstellen unterstützt. Damit konnte die Hypothese, dass
      PLLA nicht osteoinduktiv wirkt, durch einen in vivo Versuch
      unterstützt werden. Immunhistologische Färbungen wurden
      sowohl für Kollagen1A1 als auch für Osteocalcin, BMP-2 und
      SMAD5 angefertigt und die Zellen ausgezählt, welche sich auf
      den jeweiligen Antikörper hin positiv darstellten. Während in
      der Negativkontrolle insgesamt konstant niedrige Werte
      erzielt wurden, kam es in der Tutobone©-Gruppe, nach einem
      Abfall der positiven Zellen von vier auf acht Wochen, nach
      zwölf Wochen zu hohen Werten. In der PLLA-Gruppe kam es nach
      acht Wochen zu Höchstwerten, welche im Anschluss nach zwölf
      Wochen auf Werte unter derjenigen der Negativkontrolle
      fielen. Dies könnte mit der bereits in vitro nachgewiesenen
      Downregulation osteoblastärer Gene durch PLLA im Zusammenhang
      stehen. Zusammenfassend konnte eine gute Biokompatibiltät von
      PLLA-Nanofasern ohne Zeichen einer lokalen oder systemisch
      wirksamen Entzündungsreaktion festgestellt werden. Es wurde
      eine erhöhte Zellzahl im Vergleich zur Negativkontrolle
      nachgewiesen, es fand jedoch keine signifikant erhöhte
      Knochenneubildung statt. Diese fehlende Osteoinduktivität
      bestätigte sich zudem in den immunhistochemischen
      Färbungen.