Investigation of the Impact of Magnesium Implants on the Proteomes of Bone Cells and Bone Tissue

Abstract

Bio-absorbable magnesium (Mg)-based implants offer various superiorities over conventional implants as they get degraded during corrosion thereby avoiding a removal surgery. Furthermore, the osteoinductive properties of Mg and its corrosion products may improve bone formation. In this study, the response of osteoblasts and bone tissues towards Mg-implants and conventional implants at proteome level was compared. In the first part of this study, the impact of magnesium and titanium implants on the proteomes of cultured osteoblasts was studied via label-free quantification proteomics. The data show: firstly the number of regulated proteins in the presence of Mg-discs was higher than Ti- compared to control; and secondly Mg- implant may be advantageous for bone remodeling & fracture healing. Furthermore, regulation of 3 proteins in response to Mg-discs was advantageous for cell viability. However, one protein was up-regulated in cellular response to oxidative stress. Overall, the impact of Mg on osteoblasts is more advantageous than the response to Ti regarding bone healing and cell viability. In the second part of this study, the effect of Mg-implants on the proteome of mice bone tissue was compared to steel (S)-implant as a control in 7, 14, 21, and 133 days after implantation. The extraction of proteins from formalin-fixed plastic embedded- bone sections was performed according to a novel method, followed by label-free quantification proteomics. The results showed a higher change in the proteome of mice bone in response to Mg- compared to S-implants two weeks after implantation. Many of the regulated proteins in the presence of Mg-implants compared to S-implants have a positive effect on bone formation while a few negatively regulate bone formation. Some of the proteins related to inflammatory reaction were significantly regulated after 14 days. After 133 days there was no difference any more compared to the control. In contrast coagulation factor X (FX) was down-regulated in the group of Mg-implant mice even after 133 days, after the Mg-implants have disappeared. This phenomenon should be addressed in future experiments.

Bioresorbierbare, Magnesium- (Mg-)basierte Implantate bieten verschiedene Überlegenheit gegenüber herkömmlichen Implantaten, da sie während der Korrosion abgebaut werden, wodurch eine operative Entfernung des Implantats vermieden wird. Mg-Implantate und seine Korrosionsprodukte haben osteoinduktive Eigenschaften, die für die Knochenheilung vorteilhaft sein könnte. In dieser Studie wurde die Reaktion von Knochenzellen (hier Osteoblasten) und Knochengeweben auf bioresorbierbaren sowie konventionellen Implantaten auf der Proteomebene verglichen, um die Frage zu beantworten, welchen systemischen Einfluss Mg-Implantate und seine Korrosionsprodukte auf Knochengewebe hat. Im ersten Teil dieser Studie wurde der Einfluss von Magnesium- und Titan- Implantaten auf kultivierte Osteoblasten untersucht. Die Proteine wurden aus den Zellen extrahiert mit einer markierungsfreien quantitativen Proteomanalyse analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahl der regulierten Proteine in Gegenwart von Mg-Implantaten höher lag als die von Ti-Implantaten und dass das Mg-Implantat die Regenerierung des Knochengewebes unterstützt. Darüber hinaus sind 3 regulierte Proteine bei Mg-Implantaten für die Zellviabilität vom Vorteil. Allerdings wurde ein Protein beim zellulären oxidativen Stress hochreguliert. Insgesamt ist der Einfluss von Mg-Implantaten im Vergleich zu Ti-Implantaten auf Osteoblasten vorteilhafter bezüglich der Knochenheilung und der Zellviabilität. Im zweiten Teil dieser Studie wurde die Wirkung von Mg-Implantaten auf das Proteom des Mäuse-Knochengewebes mit der Wirkung von Stahl- (Steel/St)-Implantaten als Kontrolle in 7, 14, 21 und 133 Tage nach dem Implantieren verglichen. Die Proteinextraktion aus formalin-fixierten, kunststoff-eingebetteten Knochenschnitten erfolgte mit einer neu entwickelten Methode. Die Proteome wurden mit einer markierungsfreien Methode quantifiziert. Nach zwei Wochen zeigten die Mäuseknochen mit Mg-Implantaten eine deutlich größere Veränderung als die Mäuseknochen mit St-Implantaten. Viele der durch die Anwesenheit von Mg regulierten Proteine haben einen positiven Effekt auf die Knochenbildung, während die Zahl der regulierten Proteine klein ist, die mit einer für die Knochenbildung ungünstigen Eigenschaft assoziiert sind. Die Konzentrationen einiger Proteine mit Funktionen im Bereich von Entzündungsreaktionen waren nach 14 Tagen signifikant verändert. Nach 133 Tagen wurden von diesen Proteinen keine Unterschiede mehr gemessen. Die Konzentration des Koagulationsfaktor X (FX) war in der Gruppe der Mg-Implantat-Mäuse zu allen Zeitpunkten signifikant erniedrigt. Diese Beobachtung muss in zukünftigen Experimenten genauer untersucht werden, um sicher zu stellen, dass von Mg-Implantaten keine unerwünschten Wirkungen ausgehen.