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Titel: Impact of magnesium based degradable alloys on a coculture model of osteoblast and osteoclast
Sonstige Titel: Einfluss von magnesiumbasierenden abbaubaren Legierungen auf ein Kokulturmodell von Osteoblasten und Osteoklasten
Sprache: Englisch
Autor*in: Behr, Steven
Schlagwörter: Kokultur; abbaubare Biomaterialien; coculture; degradable biomaterials
GND-Schlagwörter: Osteoblast; Osteoclast; Magnesium; Silber; Gadolinium; Zellkultur
Erscheinungsdatum: 2020
Tag der mündlichen Prüfung: 2020-04-29
Zusammenfassung: 
The currently available non-degradable implant materials may cause side effects like a stress shielding effect or an allergic reaction of patients to foreign implant materials. Finally, some of the non-degradable materials cannot remain in the body and must be removed via a second surgery. In order to counteract these undesired side effects, the degradable implant materials have already proven their effectiveness in the past. However, before new alloy materials can be tested and applied in vivo, a thorough in vitro investigation of these alloys is necessary. In order to create physiological osseous in vitro conditions as close as possible to in vivo (bone), a coculture of primary cells was established and applied in this study. The coculture consisted of peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and human umbilical cord perivascular cells (HUCPV). The investigation of different experimental conditions has shown that at a ratio of 1:100 (HUCPV:PBMC), was optimal to obtain a differentiated coculture of osteoblasts and osteoclasts within 28 days. Based on this coculture, the aim of the study was to investigate the effects of different magnesium-based alloys. The reaction of the coculture to these alloys was investigated by different cellular, enzymatic and molecular assays. In addition, the function of osteoblasts was monitored by the formation of hydroxyapatite and the function of osteoclasts was demonstrated by a resorption assay. For a more comprehensive investigation, the alloys were examined in 3 different ways. Firstly (i), the reaction of the coculture to the corresponding ions (magnesium chloride, silver nitrate and gadolinium chloride) was investigated. Thus, it could be shown that the gadolinium ions increase the formation of hydroxyapatite. In addition, (ii) the different alloys were degraded in cell culture medium to prepare extract and the behaviour of the coculture was monitored in the presence of these extracts. The investigation of the Mg-8Ag alloy has shown that silver in high concentrations had a toxic effect on the coculture. Finally (iii), the coculture was applied directly to the materials (Mg-Pure, Mg-2Ag and Mg-10Gd) and incubated to determine, whether the cells could settle on these alloys despite degradation stress, grow, and whether direct contact with the material influenced the behaviour of the cells. The enhancing effect of gadolinium, both as a salt and as an extract, on mineralisation, is assumed to be mediated via the calcium sensing receptor found on both osteoblasts and osteoclasts. Calcium sensing receptor provides an affinity to positively charged ions and is an important component of bone homeostasis. By using a phospholipase C inhibitor, an important component of the calcium sensing receptor dependent pathway was inhibited and the influence of gadolinium on the formation of the calcium sensing receptor dependent pathways demonstrated by reducing hydroxyapatite formation.
In addition, Mg-Pure and magnesium-silver alloys have also been shown to interact with the calcium sensing receptor. This interaction led to an inhibition of the receptor signal. Nevertheless, a positive effect on bone formation of both magnesium and silver ions remained, indicating other implicated pathways. Indeed, magnesium positively influenced bone growth via the transient receptor potential cation channel 7 / phosphoinositide 3-kinase pathway. Furthermore, silver via the increased formation of reactive oxygen species supported alkaline phosphatase expression. Finally, a combination of the three materials magnesium, silver and gadolinium could be useful to combine their positive properties.

Die derzeit verfügbaren, nicht abbaubaren Implantationsmaterialien können Nebenwirkungen wie einen Spannungsabschirmungseffekt (Stressshielding) oder eine allergische Reaktion der Patienten auf die körperfremden Implantatmaterialien hervorrufen. Schlussendlich können die nichtabbaubaren Materialien teilweise nicht im Körper verbleiben und müssen in einer zweiten Operation wieder entommen werden. Um diesen unerwünschten Nebeneffekten entgegenzuwirken, haben sich die abbaubaren Implantatmaterialien bereits in der Vergangenheit bewährt. Bevor jedoch neue Legierungsmaterialien in vivo getestet und angewendet werden können, ist eine gründliche in vitro Untersuchung dieser Legierungen notwendig. Um dabei physiologische knöcherne in vitro Bedingungen zu schaffen, die möglichst nahe an den in vivo Bedingungen (Knochen) sind, wurde in dieser Studie eine Kokultur von Primärzellen etabliert und angewendet. Die Kokultur bestand aus den Mononukleären Zellen des Blutes (Peripheral blood mononuclear cells; PBMC) und den mesenchymalen Stammzellen der menschlichen Nabelschnur (Human umbilical cord perivascular cells; HUCPV). Die Untersuchung verschiedener experimenteller Bedingungen hat gezeigt, dass ein Verhältnis von 1:100 (HUCPV:PBMC) optimal ist, damit die Zellen sich innerhalb von 28 Tagen zu einer Kokultur aus Osteoblasten und Osteoklasten entwickeln.
Ausgehend von dieser Kokultur war es das Ziel der Studie, die Auswirkungen verschiedener auf Magnesium basierender Legierungen zu untersuchen. Die Reaktion der Kokultur auf diese Legierungen wurde durch verschiedene zelluläre, enzymatische und molekulare Assays untersucht. Darüber hinaus wurde die Funktion der Osteoblasten durch die Bildung von Hydroxylapatit verfolgt und die Funktion der Osteoklasten durch einen Resorptionstest nachgewiesen.
Für eine umfassendere Untersuchung wurden die Legierungen auf 3 verschiedene Arten untersucht. Zunächst (i) wurde die Reaktion der Kokultur auf die entsprechenden Ionen (Magnesiumchlorid, Silbernitrat und Gadoliniumchlorid) untersucht. Dabei konnte bereits gezeigt werden, dass die Gadoliniumionen die Bildung von Hydroxylapatit erhöhen. Zusätzlich wurden (ii) die verschiedenen Legierungen in Zellkulturmedium zur Herstellung der Magnesiumextrakte inkubiert und das Verhalten der Kokultur in Gegenwart dieser Extrakte überwacht. Die Untersuchung der Mg-8Ag Legierung hat gezeigt, dass Silber in hohen Konzentrationen eine toxische Wirkung auf die Kokultur hat. Schließlich (iii) wurde die Kokultur direkt auf die Materialien (Mg-Pure, Mg-2Ag Mg-10Gd) aufgebracht und inkubiert, um festzustellen, ob die Zellen sich trotz Abbaustress auf diesen Legierungen absetzen und wachsen können sowie ob der direkte Kontakt mit dem Material das Verhalten der Zellen beeinflusst.
Es wird angenommen, dass die verstärkende Wirkung von Gadolinium, sowohl als Salz als auch als Extrakt, auf die Mineralisierung über den Calcium Sensing Receptor vermittelt wird, der sowohl auf Osteoblasten als auch auf Osteoklasten zu finden ist. Der Calcium Sensing Receptor besitzt eine Affinität zu positiv geladenen Ionen und ist ein wichtiger Bestandteil der Knochenhomöostase. Durch die Verwendung eines Phospholipase C Inhibitors wurde eine wichtige Komponente des Calcium Sensing Receptor abhängigen Signalwegs gehemmt und der Einfluss von Gadolinium auf die Bildung der Calcium Sensing Receptor abhängigen Signalwege durch die Reduzierung der Hydroxylapatitbildung nachgewiesen.
Darüber hinaus wurde auch gezeigt, dass Mg-Pure und Magnesium-Silber Legierungen mit dem Calcium Sensing Receptor interagieren. Diese Interaktion führt zu einer Hemmung des Rezeptorsignals. Dennoch blieb ein positiver Effekt auf die Knochenbildung sowohl von Magnesium- als auch von Silberionen erhalten, was auf andere implizierte Wege hinweist. Tatsächlich beeinflusste Magnesium das Knochenwachstum über den Transient Receptor Potential Cation Channel 7 / Phosphoinositide 3-kinase positiv. Darüber hinaus unterstützte Silber über die vermehrte Bildung reaktiver Sauerstoffspezies die Expression der alkalischen Phosphatase. Schließlich könnte eine Kombination der drei Materialien Magnesium, Silber und Gadolinium sinnvoll sein, um deren positive Eigenschaften zu kombinieren.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/8397
URN: urn:nbn:de:gbv:18-104664
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Willumeit-Römer, Regine (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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