Monitoring of osteoclast formation and activity on different scaffolds for bone replacement by means of microscopy
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde versucht, den Einfluss geometrischer Eigenschaften von Scaffolds für den Knochenersatz, der sogenannten Scaffoldarchitektur auf die Bildung und Aktivität von Osteoklasten zu bestimmen und die Möglichkeit zu eruieren, ob diese Prozesse mittels der Scaffoldarchitektur in bestimmtem Umfang steuerbar sind. Wir haben festgestellt, dass der Einfluss der Eigenschaften des verwendeten Materials über den Einfluss der Architektur weitestgehend hinausgeht. Wir versuchten, die verschiedenen Scaffoldarchitekuren zusätzlich auf den Einfluss der jeweiligen Materialzusammensetzung zu prüfen. So wurde beispielsweise die ursprünglich geplante Faserarchitektur noch mit Beschichtungen von Kollagen als auch von Hydroxylapatit (HAP) erweitert. HAP bildete so eine gemeinsame Komponente aller Scaffoldvarianten, wobei im Projekt vorgesehen calciumphosphatfreien Varianten mitgeführt wurden. Dabei zeigte sich am Beispiel der Gelatine-(HAP)-Kompositschäume in den Cokulturuntersuchungen (Modulation 4), dass das Verhältnis von Osteoblasten zu Osteoklasten durch die Hydroxylapatit-Beimischungen regulierbar wird. Die starke Materialabhängigkeit wurde generell festgestellt und schloss die Scaffoldarchitektur als dominierende Einflussgröße aus. In weiteren Arbeiten, die auf der Basis der vorliegenden Resultate geplant sind, sollen die Einflüsse jenseits der geometrischen und morphologischen Eigenschaften in vitro ausreichend von den anderen Einflüssen abgetrennt werden. Eine Gutachterin bzw. ein Gutachter des Projektantrages betonte die Bedeutung der in vitro-Osteoklastogenese für diese Untersuchungen. Das überstieg die ursächlich für diese Fragestellung vorgesehene Bearbeitungszeit, erwies sich jedoch als sehr hilfreich und beeinflusste erheblich das Resultat der Projektbearbeitung. Tatsächlich konnten wir zeigen, dass die Osteoklastenmodulationen in vitro einen dominierenden Einfluss auf die Resultate haben und dass Rückschlüsse aus den in vitro-Ergebnissen auf die in vivo-Situation gegenwärtig schwer zu ziehen sind. Die meisten Modulations/Material/Architektur-Kombinationen, auch solche aus nur zwei der genannten Bereiche bestehenden, ergeben stark divergierende Resultate. So zeigten wir sehr differenziert, dass eine unpassende Modulation zu irrelevanten Ergebnissen führen kann. Für zukünftige Untersuchungen stehen aus unserer Sicht folgende auf jeweils unterschiedliche Prozesse der Osteoklastogenese und Aktivität anwendbare Modulationen zur Verfügung: Modulation (3): M-CSF/RANKL-induzierte Osteoklastogenese aus Monozyten, die direkt auf den Scaffolds durchgeführt wird, wobei die Fusion von mononuklearen Monozyten zu mehrkernigen Osteoklasten im Vordergrund steht. Hier lässt sich die Eignung von Architektur und Material, die Fusion der Zellen zu stimulieren, am besten charakterisieren. Modulation (4): Osteoblasten-induzierte Osteoklastogenese in Cokultur. Die Cokultur brachte im Rahmen der Projektbearbeitung keine zufriedenstellenden Resorptionsergebnisse, jedoch sind osteoklastäre als auch osteoblastäre Differenzierung erfolgreich verlaufen. Somit kommt die Cokultur durch den Verzicht auf die Verwendung von die Osteoklastenbildung induzierenden Zytokinen M-CSF und RANKL den Zustand in vivo am nächsten. Besonders zur Darstellung des Crosstalk der beiden Zelltypen und dessen materialabhängigen Regulation ist dies aus unserer Sicht ein unverzichtbares Mittel zur Biomaterialcharakterisierung. Modulation (5): Vorgereifte Präosteoklasten. Die Verwendung von reifen Präosteoklasten für Resorptionsuntersuchungen wurde im Rahmen der Projektbearbeitung erfolgreich etabliert. Wir empfehlen sie als Methode für zukünftige Resorptionsstudien an Biomaterialien. Dadurch, dass die Osteoklastogenese selbst auf speziellem Zellkulturmaterial erfolgt, kann diese naturgemäß nicht untersucht werden. Es wird eine Trennung der Fusion von Monozyten und der Bildung der Osteoklasten herbeigeführt. So fokussiert sich diese Methode auf den Einfluss der Scaffoldarchitektur und der Materialzusammensetzung auf die Resorptionsaktivität. Nicht nur die verbesserte Resorptionsleistung der vorgereiften Osteoklasten ist von Vorteil, sondern auch eine bessere Quantifizierbarkeit der Resultate. Die einheitlichere Osteoklastenpopulation ist für standardisierte Tests eindeutig besser geeignet. Der Einfluss von Architektur und Material auf die Fusion der Monzyten zu Osteoklasten kann demgegenüber vorteilhafterweise mit der Modulation (3) untersucht werden, die Wechselwirkung der von Osteoklastenvorläufern und reifen Osteoklasten einerseits mit Osteoblasten andererseits (in Anlehnung an den cross talk in der basic multicellular unit BMU) mit der Modulation (4), der Cokultur. Diese Resultate bieten eine gute Basis, die verschiedenen Einflussfaktoren, die neben der Scaffoldarchitektur eine Rolle spielen voneinander zu trennen, was eine Voraussetzung für das angestrebte in vitro-Monitoring der Osteoklastenbildung und –aktivität ist.
Publications
- Organically modified hydroxyapatite (ormoHAP) nanospheres stimulate the differentiation of osteoblast and osteoclast precursors: a co-culture study. Biomedical Materials 14.3 (2019): 035015
Heinemann, Christiane; Heinemann, Sascha; Rößler, Sina; Kruppke, Benjamin; Wiesmann, Hans-Peter; Hanke, Thomas
(See online at https://doi.org/10.1088/1748-605X/ab0fad)
