Reduktion von Tierversuchen zur Testung von Knochenersatzmaterialien durch ein Zellkulturverfahren unter mechanischer Stimulation (RedStim)

Große Knochendefekte können durch Knochentransplantate erfolgreich therapiert werden. Dabei finden neben Transplantaten von anderen Stellen des eigenen Körpers (Autografts), Transplantaten von Spendern (Allografts) und Knochenmaterial tierischen Ursprungs (Xenografts) auch synthetische Knochenersatzmaterialien, z.B. diverse Formen von Keramiken, Anwendung. Von den Knochenersatzmaterialien wird eine Vielzahl von Funktionen erwartet. Dazu gehören die Gewährleistung der mechanischen Primärstabilität nach Implantation sowie die Biokompatibilität, die Osteokonduktivität und die Osteoinduktivität des Materials. Langfristig soll es zu einem Umbau (Remodeling) bzw. Abbau (Resorption) des Knochenersatzmaterials kommen, damit körpereigenes Gewebe an der Defektstelle entstehen kann.

Präklinische Materialuntersuchungen in Zellkulturen sind eine Möglichkeit, um ungeeignete Materialien noch vor dem Tierversuch auszusortieren und das Verhalten von synthetisch erzeugten Materialien zu optimieren. Bisher erfolgen diese Überprüfungen meist ohne mechanische Belastung und beschäftigen sich mit biochemischen Parametern und Resorption, obwohl der Einfluss lokaler Dehnung für Osteoblasten und Osteoklasten in vitro bereits nachgewiesen wurde.

Ein Zellkultur Prüfaufbau, der zudem in der Lage ist, reproduzierbare zyklische Zug- und Druckspannungen bzw. -dehnungen auf Versuchsträger aus synthetischem Knochenersatzmaterial aufzubringen, wird es ermöglichen, den Einfluss der mechanischen Stimulation auf das Resorptionsverhalten grundsätzlich zu untersuchen. Dadurch wird die präklinische Testung von Knochenersatzmaterialien deutlich aussagekräftiger und die notwendige Zahl von Tierversuchen kann nachhaltig reduziert werden.

Stichworte

• Knochenersatz

Publikationen

• Nagel-Heyer, Stephanie and Goepfert, Christiane and Feyerabend, Frank and Petersen, Jan Philipp and Adamietz, Peter and Meenen, Norbert M and Pörtner, Ralf: Bioreactor cultivation of three-dimensional cartilage-carrier-constructs. Bioprocess and biosystems engineering, 27(4): S. 273--280, 2005. , DOI: 10.1007/s00449-005-0419-z
• Janssen, Rolf and Nagel-Heyer, Stephanie and Goepfert, Christiane and Prtner, Ralf and Toykan, Derya and Krummhauer, Oliver and Morlock, Michael and Adamietz, Peter and Meenen, Norbert M and Kriven, Waltraud M and Kim, Dong-Kyu and Tampieri, Anna and Celotti, Giancarlo: Calcium Phosphate Ceramics as Substrate for Cartilage Cultivation. Ceramic Engineering and Science Proceedings , 25(4): S. 523-528, 2004. , DOI: 10.1002/9780470291191.ch79
• Nagel-Heyer, S and Janssen, Rolf and Goepfert, C and Adamietz, P and Meenen, N M and Pörtner, R: Cartilage Cultivation on a Calcium Phosphate Ceramic in a Bioreactor System. Key Engineering Materials, 264-268: S. 2119--2122, 2004. , DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.264-268.2119
• Hsu HH, Schimek K, Marx U, Pörtner R: Measurement and Simulation of Permeation and Diffusion in 3D Tissues with the Prospective to Characterize Skin Models. InTech, Rijeka, Croatia, , 2018