Calciumsulfat/Hydroxylapatit vermittelte kontrollierte Freisetzung von BMP-2 und Zoledronsäure verbessert die Wirbelsäulenfusion im Rattenmodell

Abstract-Text deutsch

Einleitung: Spinale Fusionen werden zur Behandlung verschiedener Pathologien eingesetzt. Bei 25-35% der Patienten tritt allerdings ein Fusionsversagen ein. Der Wachstumsfaktur BMP-2 wurde für die Unterstützung spinaler Fusionen zugelassen, ist aber zugleich ein starker Induktor der Osteoklasten-basierten Knochenresorption. Dies führt zu einer verminderten Knochenqualität. Darüber hinaus ist das klinisch zugelassene Trägermaterial (resorbierbarer Kollagenschwamm), welches zur Abgabe von rhBMP-2 verwendet wird, suboptimal und verursacht eine vorzeitige Freisetzung des Proteins. Unsere Studien zeigten eine positive kumulative Wirkung auf die Knochenregeneration, wenn BMP-2 und Zoledronsäure (ZA) von einem optimierten CaS/HA-Scaffold im Ratten-Femurdefektmodell freigesetzt wurden. Ziel dieser Studie ist es daher zu zeigen, dass die lokale Anwendung von BMP-2 und ZA vorteilhaft für die Wirbelsäulenfusion ist. Methoden: In Abhängigkeit vom implantierten Material wurde die Studie in 7 Gruppen aufgeteilt (I. CaS/HA, II. CaS/HA + BMP-2, III. CaS/HA + systemisch ZA, IV. CaS/HA + lokal ZA, V. CaS/HA + BMP-2 + systemisch ZA, VI. CaS/HA + BMP-2 + lokal ZA, VII. Leerdefekt. Für den Versuch wurden 132 männliche Wistar-Ratten (Alter 8 Wochen) eingesetzt (n = 12 nach 3 Wochen und n = 10 nach 6 Wochen pro Gruppe, Tierversuchsnr. 25-5131/474/38). Es wurde eine posterolaterale, intertransversale Wirbelsäulenfusion bei L4 bis L5 bilateral durchgeführt, und gruppenabhängig Scaffolds implantiert. Nach 3 Wochen und nach 6 Wochen wurden μCT- und histologische Analysen durchgeführt. Für die statistische Auswertung zwischen den Gruppen wurden one way-ANOVA und Tukeys Post-hoc-Test eingesetzt. Ergebnisse: Die μCT-Auswertung zeigte die besten Ergebnisse der Wirbelsäulenfusion, wenn die CaS/HA-Scaffolds mit BMP-2 und lokaler ZA funktionalisiert wurden (Abbildung 1). Die CaS/HA + BMP-2 + lokal ZA-Gruppe hatte im Vergleich mit allen anderen Gruppen nach 3 Wochen das größte Knochenvolumen und nach 6 Wochen das größte Knochenvolumen und die höchste Knochendichte (Abbildung 2). Auch die histologischen Schnitte bestätigten den höchsten Grad der knöchernen Fusion in der CaS/HA + BMP-2 + lokal ZA Gruppe. Diskussion: Das CaS/HA-basierte Knochenersatzmaterial, funktionalisiert mit BMP-2 und ZA, verbesserte die Knochenbildung und das damit einhergehende Fusionsergebnis. Das CaS/HA-Biomaterial kann als idealer Träger von BMP-2 und ZA angesehen werden und möglicherweise als Alternative zu autologem Knochen für die Unterstützung spinaler Fusionen verwendet werden. Abbildung 1: Mikro-CT-Auswertung der Wirbelsäulenfusion. Repräsentative 3D-Rekonstruktionen nach 3 und 6 Wochen. Das rote # und das rosa # zeigen den L4- bzw. L5-Querfortsatz. Das rote * und rosa * kennzeichnen die Lamina von L4 bzw. L5. Maßstabsstäbe = 2 mm. Abbildung 2: Knochenvolumen und Knochenmineraldichte nach 3 und 6 Wochen, quantifiziert mittels Mikro-CT. Die Daten werden als Mittelwert ± SD dargestellt. *P < 0,05.

Abstract-Text englisch

Introduction: Spinal surgery aiming to fuse segments can be used to treat various pathologies, but fusion failure occurs in 25-35%. Bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) is approved by FDA for spinal fusion, but it is also a strong inducer of osteoclast-based bone resorption, leading to a reduced net bone formation and limiting its clinical application in spinal fusion. In addition, the FDA-approved carrier (absorbable collagen sponge) used to deliver rhBMP-2 is sub-optimal and causes pre-mature release of the protein. Our recent study showed an excellent and cumulative effect on bone regeneration when both BMP-2 and zoledronic acid (ZA) were co-delivered from an optimized CaS/HA scaffold in a rat critical-size femoral defect model. Therefore, the aim of this study is to show whether local application of BMP-2 and ZA released from a resorbable CaS/HA scaffold is favorable for spinal fusion. Methods: Based on the treatment i.e., implant type, 7 groups were set up in this study (I. CaS/HA, II. CaS/HA + BMP-2, III. CaS/HA + systemic ZA, IV. CaS/HA + local ZA, V. CaS/HA + BMP-2 + systemic ZA, VI. CaS/HA + BMP-2 + local ZA, VII. Blank (previous study of our group)). This in vivo study was performed on 132, 8-week-old male Wistar rats (n = 12 at 3 weeks and n = 10 at 6 weeks per group, animal protocol no. 25-5131/474/38). A posterolateral intertransverse process spinal fusion at L4 to L5 was performed bilaterally by implanting group dependent scaffolds (see above). At 3 weeks, 12 animals per group, and at 6 weeks 10 animals per group were euthanized for µCT and histological analyses. One-way ANOVA and Tukey´s post-hoc test were used for statistical analysis between the groups. Results: µCT evaluation showed better spinal fusion results when the CaS/HA scaffolds were functionalized with BMP-2 and local ZA compared to other groups. The CaS/HA + BMP-2 + local ZA group had higher bone volume at 3 weeks, and higher bone volume and bone mineral density at 6 weeks. (Figure 1). In line with this, histological images revealed more new bone formation in CaS/HA + BMP-2 + local ZA than other groups (Figure 2). Discussion: The CaS/HA-based biomaterial functionalized with bioactive molecules rhBMP-2 and ZA enhanced bone formation and concomitant fusion outcome. The CaS/HA biomaterial can be used as an ideal carrier of BMP-2 or ZA and the CaS/HA biomaterial with rhBMP-2 and ZA can potentially be used as an off-the-shelf alternative to autograft bone for spinal fusion. Figure 1: Micro-CT evaluation of spinal fusion. Representative 3D reconstructions at 3 and 6 weeks. The red # and pink # indicated the L4 and L5 transverse process, respectively. The red * and pink * indicated the L4 and L5 lamina, respectively. Scale bars = 2 mm. Figure 2: Bone volume and bone mineral density at 3 and 6 weeks, quantified in all treatment groups using micro-CT. Data are presented as means ± SD. *P < 0.05.