Nukleus pulposus-Verdau mittels Chondroitinase oder Papain? Evaluation biomechanischer Effekte sowie ein neuer Organkulturansatz für die In-vitro-Prüfung von Biomaterialien

Abstract-Text deutsch

Einleitung

In den 80er und 90er Jahren gehörte die Chemonukleolyse mittels Enzymen wie Chondroitinase ABC (ChABC) oder Chymopapain zu den verbreiteten Therapieoptionen für weiche Bandscheiben(BS)-Vorfälle [1]. Heute werden diese Enzyme zur künstlichen Degeneration von Tier-BS verwendet und könnten auch für In-vitro-Experimente – z.B. von Biomaterialien (Bmat) – zum Einsatz kommen. Jedoch wurden bisher die biomechanischen Effekte und die strukturellen Veränderungen des enzymatischen Verdaus in der BS wenig untersucht. Ziel der Studie war es bovine BS mittels Enzymverdau künstlich zu degenerieren und nach Bmat-Injektion bezüglich Verteilung in der BS und biomechanischem Verhalten zu vergleichen.

Material/Methode

In 3 von 4 Gruppen (n=6) boviner Schwanz-BS wurden 1U ChABC, 13U Papain oder PBS injiziert, die BS 7 Tage inkubiert (6% O2, 37°C) und danach komplex belastet, um die Flüssigkeitsaufnahme der Inkubation auszugleichen. Die 4. Gruppe wurde als Kontrolle frisch getestet und nicht inkubiert. Nach Injektion eines röntgendichten Hydrogels in alle BS wurde dessen Verteilung mittels µCT dargestellt. Der Bewegungsumfang (ROM) und die BS-Höhe wurden vor und nach Enzymbehandlung, nach Belastung und nach Injektion für alle Gruppen bestimmt. Statistik: Mann-Whitney-U, Friedman, Benjamini-step-up (p≤0,05).

Ergebnisse

Papain verdaute BS zeigten nach Inkubation eine Kavität im Nukleus wohingegen die BS der anderen Gruppen zumindest makroskopisch intakt blieben. Nach Inkubation und Belastung nahm die Höhe der enzymbehandelten BS signifikant ab (p≤0,009) und deren ROM zu (p≤0,026) (Abb 1). In enzymverdaute BS konnte signifikant mehr Bmat injiziert werden als in nicht Enzym behandelte (Abb 2A, p=0,002). Das injizierte Bmat stellte für ChABC- und Papain-BS die ursprüngliche BS-Höhe (p≤0,015) und den ROM (p≤0,037) wieder her (Abb 2B/C). µCT und anschließende Makroskopie zeigten fragmentierte Bmat-Bereiche für ChABC und eine homogenere Bmat-Verteilung für Papain.

Diskussion

Beide Enzyme führen zu makroskopisch unterschiedlichen Resultaten aber bzgl. ROM-Zunahme und BS-Höhenabnahme zu ähnlichen biomechanischen Eigenschaften. Die zusätzlichen Kavitäten in der Papain-Gruppe ähneln Strukturveränderungen menschlicher BS nach BS-Vorfall oder Nukleotomie [2]. ChABC-induzierter Matrixabbau simuliert eher altersbedingte Degenerationsmuster ohne Kavitäten. Da in ChABC und Papain verdaute BS gleich viel Bmat injiziert werden kann, kann hypothesiert werden, dass die Enzyme gleichermaßen den BS-Druck reduzieren. Diese Ergebnisse haben unser Verständnis von den biomechanischen und morphologischen Auswirkungen des ChABC- und Papain-Verdaus verbessert sowie die Wahl passender Enzyme für verschiedene In-vitro-Tests mit Bmat-Injektion erleichtert. Danksagung: iPSpine (825925)

[1] Wardlaw 2016 [2] Wilke et al. 2013

Abstract-Text englisch

Introduction

In the 1980s and 1990s, chemonucleolysis using enzymes such as chondroitinase ABC (ChABC) or chymopapain was one of the common therapeutic options for soft herniations of the intervertebral disc (IVD) [1]. Nowadays, these enzymes are used for artificial degeneration of animal IVDs and could also be used for in vitro experiments (e.g. with biomaterials (Bmat)). However, the biomechanical effects and structural changes of enzymatic digestion in the IVD have been investigated rarely. The aim of this study was to artificially degenerate bovine tail discs using enzyme digestion and to compare them after Bmat injection with respect to distribution in the IVD and biomechanical behavior.

Material/Method

In 3 of 4 groups (n=6), bovine tail discs were injected with 1U ChABC, 13U papain or PBS, the IVDs were incubated for 7 days (6% O2, 37°C) and then complex loaded to compensate the cell culture medium swelling. The 4th group was freshly tested as a control and not incubated. After injection of a radiopaque hydrogel into all IVDs, its distribution was visualized by µCT. Range of motion (ROM) and disc height were determined before and after enzyme treatment, after loading, and after injection for all groups. Statistics: Mann-Whitney-U, Friedman, Benjamini-step-up (p≤0.05).

Results

Papain digested IVDs showed a cavity in the nucleus after incubation whereas IVDs from the other groups remained at least macroscopically intact. After incubation and loading, the disc height of enzyme-digested IVDs significantly decreased (p≤0.009) and their ROM increased (p≤0.026) (Fig1). Significantly more Bmat could be injected into enzyme-digested IVDs than into non-enzyme treated IVDs (Fig2 A/B, p=0.002). The injected Bmat restored the intact disc height (p≤0.015) and ROM (p≤0.037) for ChABC and papain IVDs (Fig 1). µCT and subsequent macroscopy revealed fragmented Bmat regions for ChABC and a more homogeneous Bmat distribution for papain (Fig2 C).

Discussion

Both enzymes lead to macroscopically different results but similar biomechanical properties regarding ROM increase and disc height decrease. The additional cavities in the papain group mimic structural changes seen in human IVDs after prolapse or nucleotomy [2]. ChABC-induced matrix degradation more closely simulates age-related degeneration patterns without cavities. Since equal amounts of Bmat can be injected into ChABC and papain digested IVDs, it can be hypothesized that the enzymes equally reduce intradiscal pressure. These results have improved our understanding of the biomechanical and morphological effects of ChABC and papain digestion, as well as facilitated the selection of appropriate enzymes for various in vitro tests involving Bmat injection. Acknowledgments: iPSpine (825925).

[1] Wardlaw 2016 [2] Wilke et al. 2013