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Methodenartikel

Biologische Verträglichkeit Profil auf Biomaterialien für Knochenregeneration

12.7K Aufrufe

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DOI:

10.3791/58077

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16. November 2018

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Die Anzahl der neue Biomaterialien für die Reparatur von großen Knochenläsionen entwickelt wird laufend erweitert, mit dem Ziel zu verbessern, Knochenheilung und Komplikationen im Zusammenhang mit Knochentransplantation überwinden. Hier präsentieren wir Ihnen eine multidisziplinäre Strategie zu Testzwecken vorklinischen Biokompatibilität von Biomaterialien für die Knochen-Reparatur.

Zusammenfassung

Großen Pseudarthrose Knochenbrüche sind eine große Herausforderung in der orthopädischen Chirurgie. Obwohl Auto und allogene Knochentransplantate ausgezeichnet zur Heilung solcher Läsionen sind, gibt es mögliche Komplikationen mit deren Einsatz. So entwickeln die Materialwissenschaftler synthetische, biokompatible Biomaterialien um diese Probleme zu überwinden. In dieser Studie stellen wir eine multidisziplinäre Plattform für die Bewertung der Biomaterialien für Knochen-Reparatur. Wir kombinieren Fachwissen aus Knochenbiologie und Immunologie, einschließlich in-vitro- Osteoklasten (OC) und Osteoblasten (OB) Assays und in Vivo Mausmodelle der Knochen-Reparatur, Immunogenität und Allergenität Plattform zu entwickeln. Wir zeigen, wie die Experimente durchführen, Zusammenfassung der Ergebnisse und Bericht über Biomaterial Biokompatibilität. Insbesondere haben wir OB Lebensfähigkeit, Differenzierung, und Mineralisierung und OC Lebensfähigkeit und Differenzierung im Rahmen der β-Tricalcium Phosphat (β-TCP) Festplatten getestet. Wir testeten ebenfalls einen β-TCP/Kollagen (β-TCP/C)-Schaum ist ein handelsübliches Material klinisch für Knochen-Reparatur in eine kritische Größe calvarial Knochen-defekt-Maus-Modell verwendet, um festzustellen, die Auswirkungen auf die frühe Phase der Knochenheilung. In parallelen Experimenten haben wir immun und allergische Reaktionen bei Mäusen ausgewertet. Unser Ansatz erstellt eine biologische Verträglichkeit Profil von Knochen Biomaterial mit einer Reihe von Parametern für die Vorhersage der Biokompatibilität von Biomaterialien für die Knochenheilung und Reparatur bei Patienten erforderlich.

Einleitung

Knochen-Reparatur ist ein komplexer Prozess, der mit Hämatombildung, Entzündung beginnt, Kallus, Bildung und dann Umbau1,2. Knochenregeneration Potenzial ist jedoch beschränkt auf die Größe der Knochenbruch1,3. Zum Beispiel große Knochenbrüche verursacht durch ein Trauma, Krebs oder Osteoporose können nicht heilen und Pseudarthrose Knochenbrüche bezeichnet werden. Diese Knochenveränderungen erfordern oft Behandlung gesunde physiologische Knochen Reparatur und Regeneration zu fördern. Derzeit Autotransplantation und Allograft Knochen-Transplantation ist....

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Protokoll

Die Verfahren wurden mit BALB/c Mäusen nach allen Richtlinien für die Pflege und Verwendung von Labortieren des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft und Forschung getan und wurden genehmigt vom Ausschuss für die Ethik des Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung.

1. primäre Maustaste OB Kultur

  1. OB Isolierung von Neugeborenen Maus Calvaria mit enzymatischen Verdauung
    1. Einschläfern Sie 1 – 2 Tage alten neugeborenen Welpen (insgesamt 60) durch Enthauptung und legen Sie die Köpfe in einer Petrischale mit sterilem 1 x Phosphat-gepufferte Kochsalzlösung (PBS).
    2. Halten Sie den K....

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Ergebnisse

Um β-TCP für seine Wirksamkeit als Biomaterial für Knochen-Reparatur zu beurteilen, haben wir in Vitro und in Vivo screening-Verfahren verwendet. Erstens haben wir die OB-Antworten auf die β-TCP-Festplatten im Vergleich zu Grundlinie mittlere allein Kontrollen gemessen. Abbildung 2 zeigt OB Rentabilität als Reaktion auf β-TCP-Festplatten auf 7 bis 14 Tage der Kultur. Zellviabilität gemessen von metabolisch aktiven Zellen in der Kultur-Brunne.......

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Diskussion

Hier zeigen wir einen multidisziplinären Ansatz für die präklinische Bewertung der Biokompatibilität für repräsentative Biomaterialien für die Knochenregeneration und Reparatur entwickelt. Wir testeten die Antworten der OBs, OCs, und die in Vivo heilende Reaktion in einer kritischen Knochendefekt Modell bei Mäusen als auch in Vitro und in Vivo Immunantworten. Wir wollten zeigen, wie die Assays arbeiten und fassen die Daten und Schlussfolgerungen aus der Untersuchung von Biomaterialien. Wir zeig.......

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

Dieses Forschungsprojekt wird finanziell von der Europäischen Union siebten Rahmenprogramms (RP7/2007-2013) unter Grant Agreement Nr. 263363.

....

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Biomaterials
β-Tricalciumphosphat-Scheiben (β-TCP, 14 mm)Die Scheiben wurden in einem Muffelofen bei einer Temperatur von 1150 μC gesintert. Eine detaillierte Beschreibung der Produktion findet sich in Zimmer et al. (doi: 10.1002/jbm.a.34639). Die Proben wurden vor der Verwendung in Zellkulturen UV-bestrahlt (15 min für jede Seite).
Orthovita Vitoss Schaum (β-TCP/C Schaum)Orthovita2102-1405
Maus Osteoblastenkultur
Alizarin Red SSigma-AldrichA5533
ALP Assay Puffer (2x) pH 10,4200 mM Glycin, 2 mM Magnesiumchlorid, 2 mM Zinkchlorid in Reinstwasser auflösen und auf pH 10 einstellen.
Knochenwachstumsmedium (BGM)α-MEM + 10 % hitzeinaktiviertes FBS + 1 % Penicillin/Streptomycin
Zelllysepuffer: CyQuant Zelllysepuffer 20x KonzentratThermo ScientificC7027Verdünnen Sie den konzentrierten Zelllysepuffer 20-fach in Reinstwasser.
Reagenz für die Zellviabilität: Presto Blue Reagenz für die Lebensfähigkeit von ZellenInvitrogen, Thermo Fisher ScientificA13261
Kollagenase Typ IV aus Clostridium histolyticumSigma-AldrichC5138
DC Protein Assay Kit IIBio Rad5000112DC Protein Assay Kit enthält Reagenz A, Reagenz B, Reagenz S und BSA für den Referenzstandard. Für Reagenz A' fügen Sie 20 µ L Reagenz S bis 1000 &Mikro; L Reagenz A. 
Dimethylsulfoxid (DMSO)Sigma-AldrichD8418Sterilfilter DMSO vor dem Gebrauch. 
Dispase II (neutrale Protease, Grad II)Roche4942078001
EnzCheck Phosphatase Assay Kit für alkalische Phosphatase-Aktivität Invitrogen, Thermo Fisher ScientificE12020EnzCheck Phosphatase Assay Kit enthält 6,8-Difluor-4-methylumbelliferylphosphat (DiFMUP), N,N-Dimethylformamid und 6,8-Difluor-7-hydroxy-4-methylcumarin (DiFMU). 
Fötales Rinderserum (FBS)Sigma-AldrichF7524
Formalinlösung neutral gepuffert 10%Sigma-AldrichHT501128
GlycinSigma-AldrichG8898
Hexadecylpyrdinium (Cetylpyridinium)-chlorid-MonohydratSigma-AldrichC9002
L-Ascorbinsäure 2-phosphat SesquimagnesiumsalzhydratSigma-AldrichA8960
Magnesiumchlorid-HexahydratSigma-AldrichM2670
MEM alpha medium (α-MEM)Gibco Life Technologies 11900-073
Osteogenes Mineralisationsmedium (MM)α-MEM + 10 % hitzeinaktiviertes FBS + 1 % Penicillin-Streptomycin + 50 & Mikro; g/mL Ascorbinsäure + 5 mM β-Glycerophosphat
Penicillin-Streptomycin  Sigma-AldrichP4333
Phosphatgepufferte Kochsalzlösung 1x (PBS) pH 7,4Gibco, Thermo Fisher Scientific 
Sigmafast BCIP/NBTSigma-AldrichB5655
Trypsin-EDTA (0,5%), kein Phenolrot (10x)Gibco, Thermo Fisher Scientific 15400054Verdünnen Sie die konzentrierte Stammlösung 10-fach in 1x PBS.
Tween20Sigma-AldrichP1379
Reinstwasser: Zellkulturwasser pyrogenfreiVWRL0970-500
Waschpuffer0,05 % Tween20 bis 1x PBS.
ZinkchloridSigma-Aldrich1.08816
β-Glycerophosphat DinatriumsalzhydratSigma-AldrichG5422
24-Well-SuspensionskulturplatteGreiner bio-one662102
24-Well-GewebekulturplatteGreiner bio-one662160
50 mL konisches RöhrchenGreiner bio-one227261
96-Well-SchwarzplatteGreiner bio-one655076
96-Well-KlarplatteGreiner bio-one655001
Zentrifuge: VWR Mega Star 600RVWR
CO2-Inkubator: HeraCell 240Thermo Scientific
Cryovial 2 mLGreiner bio-one122263
Einweg-Filtereinheit FP30/0,2 CA-SGE Healthcare Life Sciences Whatman10462200Für die Sterilfiltration von Enzymlösungen.
Flachbettscanner: Epson Perfection 1200 PhotoEpson
Infinite M200 Pro Mikroplatten-ReaderTecan
Mikrozentrifugenröhrchen: Eppendorf Röhrchen Safe-Lock 0,5 mLVWR20901-505
Mikrozentrifugenröhrchen: Eppendorf Tube Safe-Lock 1,5 mLVWR21008-959
Shaker Swip (orbital und horizontal)Edmund Bühler 
Schüttel-Inkubator GFL3032GFL 3032
Einmalpipette: SerumpipetteGreiner bio-one612301
Sterile Instrumente (Schere, Pinzette, gebogene Pinzette)
Gewebekulturplatte (10 cm)Greiner bio-one664960
Maus-Osteoblasten-Osteoklasten-Co-Kultur
1α,25- Dihydroxyvitamin D3Sigma-Aldrich179361000x konzentrierter Stamm (10 & Mikro; M in Ethanol 100%)
AcetonVWR Chemicals22065.327
Knochenwachstumsmedium (BGM)α-MEM + 10% hitzeinaktivierte FBS + 1% Penicillin-Streptomycin
Destilliertes WasserCarl Roth3478.4
Ethanol (100% vol/vol)VWR Chemicals20821.365
Ethanol (70% vol/vol)VWR Chemicals93003.1006
Schnelles rotviolettes LB-SalzSigma-AldrichF3381
Fötales Rinderserum (FBS)Sigma-AldrichF7524
Formalinlösung neutral gepuffert 10%Sigma-AldrichHT501128
MEM alpha Medium (α-MEM)Gibco Life Technologies11900-073
N,N-DimethylformamidSigma-AldrichD4551
Naphthol AS-MXphosphat Sigma-AldrichN4875
Osteoklasten-Differenzierungsmedium (DM)α-MEM + 10% hitzeinaktiviertes FBS + 1% Penicillin-Streptomycin + 1 nM 1,25-(OH)2-Vitamin D3 + 1 µ M Prostaglandin E2 
Penicillin-Streptomycin Sigma-AldrichP4333
Phosphatgepufferte Kochsalzlösung 1x (PBS) pH 7,4Gibco, Thermo Fisher Scientific 
Prostaglandin E2 (PGE2)Cayman Chemical Company90030161000x konzentrierter Stamm (1 mM in Ethanol 100%)
Natriumacetat-TrihydratSigma-AldrichS7670
Natriumtartrat zweibasisches DihydratSigma-AldrichS8640
Sterile Instrumente (Schere, Pinzette, Skalpell)
TRAP Puffer pH 5,040 mM Natriumacetat, 10 mM Natriumtartrat in Reinstwasser auflösen und auf pH 5 einstellen.
Reinstwasser: Zellkulturwasser pyrogenfreiVWRL0970-500
24-Well-SuspensionskulturplatteGreiner bio-one662102
24-Well-GewebekulturplatteGreiner bio-one662160
50 mL konisches RöhrchenGreiner bio-one227261
Zentrifuge: VWR Mega Star 600RVWR
CO2-Inkubator: HeraCell 240Thermo Scientific
Diamond Wafering-Klinge (10,2 cm x 0,3 cm)Bühler
Isomet NiedriggeschwindigkeitssägeBühler
Petrischale (6 cm)Greiner bio-one628,161
Glasflasche mit Schraubverschluss 20 mLCarl RothEXY4.1
Sterile Einwegspritze 1 mLHenry Schein Animal Health9003016
Einwegpipette: SerumpipetteGreiner bio-one612301
Sterile Nadel: Injektionsnadel RW 27 G x 3/4''HenrySchein Animal Health9003340
Maus Schädelbad Defektmodell
Analgesie: Buprenorphin (Bupaq)Richter Pharma AG
Anästhesie: Ketamin (Ketamidor), Xylazin (Rompun)Richter Pharma AG/Bayer HealthCare
Kaltsterilisationsmittel: SafeSept MaxHenry Schein Animal Health9882765
Ethanol (70% vol/vol)VWR Chemicals93003.1006
Augensalbe: VitA POS 5 gUrsapharm
Normal Kochsalzlösung (0,9% Natriumchloridlösung)Fresenius Kabi
Phosphatgepufferte Kochsalzlösung 1x (PBS) pH 7,4Gibco, Thermo Fisher Scientific 
Povidon-Jodlösung: Braunol 1000 mLB. Braun3864154
Roti-Histofix 4,5% gepuffertes FormalinCarl Roth2213.6
Gewebekleber: Histoacryl 5 x 0,5 mL B. Braun Surgical1050060
Persönliche Schutzausrüstung: OP-Handschuhe, Mütze und Maske, KittelHenry Schein Animal Health 1045073, 1026614, 9009062, 370406
Sterile Instrumente (Skalpell, Schere, Pinzette, Nadelhalter)
Sterile Nadeln: Injektionsnadeln RW 27 G x 3/4'' und 30 G x 1/2'' Henry Schein Animal Health 9003340, 9003630
sterile Einwegspritze 1 mLHenry Schein Animal Health9003016
Heizplatte: PhysitempRothacher MedicalTCAT-2LV
Sterile MulltupferHenry Schein Animal Health220192
Steriles Einwegskalpell (Figur 20)Henry Schein Animal Health9008957
Chirurgischer/zahnmedizinischer Bohrer: Implantmed SI-923W& H Dentalwerk Bü rmoos GmbH16929000
Handstück Typ S-IIW& H Dentalwerk Bü rmoos GmbH30056000
Trephine, Durchmesser 4 mmHager& Meisinger GmbH229040
Bewässerungsschlauch-Set 2,2 mW& H Dentalwerk Bü rmoos GmbH4363600
Periostlift 2 mm / 3 mmHenry Schein Animal Health472683
Nicht resorbierbares Nahtmaterial: Polyester grün, DS19, met. 1.5, USP 4/0 75 cmHenry Schein Animal Health300715
In vitro Immunantworten
Anästhesie zur Euthanasie: Ketamin (Ketamidor), Xylazin (Rompun)Richter Pharma AG/Bayer HealthCare
Zellproliferation ELISA, BrdU (kolorimetrisch) Assay KitSigma-Aldrich11647229001Das Kit enthält BrdU-Markierungslösung, Fixierungslösung (FixDenat), Anti-BrdU-Antikörperlösung, Waschpuffer und Substratlösung.
Concanavalin A (ConA)MP Biomedicals150710
Nährmedium SplenozytenRPMI-Medium + 10 % hitzeinaktiviertes FBS + 1 % Penicillin-Streptomycin-Lösung + 0,1 % Gentamicin + 0,2 % ß-Mercaptoethanol + 1 % nicht-essentielle
Aminosäuren Ethanol (70 % vol/vol)VWR Chemicals93003.1006
Fötales Rinderserum (FBS)Gibco, Thermo Fisher Scientific& nbsp;
GentamicinGibco, Thermo Fisher Scientsp;
Maus IL-1β ELISA Auf die Plätze, fertig, los!Invitrogen, Thermo Fisher Scientific88-7013-88
Maus IL-2 ELISA MAX StandardBioLegend431001
Maus IL-4 ELISA MAX StandardBioLegend431101
Maus INF-γ ELISA MAX StandardBioLegend430801
Lösung für nicht-essentielle AminosäurenGibco, Thermo Fisher Scientific 
Penicillin-Streptomycin Gibco, Thermo Fisher Scient 
Phosphatgepufferte Kochsalzlösung 1x (PBS) pH 7,4Gibco, Thermo Fisher Scientific 
Lysepuffer für rote Blutkörperchen (RBC): BD Pharm LyseBD Bioscience555899
RPMI 1640 Medium, HEPESGibco, Thermo Fisher Scientific 52400025
β-MercaptoethanolGibco, Thermo Fisher Scientific 
konisches 50-ml-RöhrchenGreiner bio-one227261
96-Well-GewebekulturplatteGreiner bio-one655180
Zentrifuge: VWR Mega Star 600RVWR
Zellsieb 40 & Mikro; mBD Bioscience352340
Infinite M200 Pro Mikroplatten-ReaderTecan
Sterile Einwegspritze 1 mLHenry Schein Animal Health9003016
Sterile chirurgische Instrumente (Pinzetten, Objektträger<
stark>Intraperitoneales Modell mit hohem Durchsatz
Anästhesie: Ketamin (Ketamidor), Xylazin (Rompun)Richter Pharma AG/Bayer HealthCare
Kaltsterilisationsmittel: SafeSept MaxHenry Schein Animal Health9882765
Ethanol (70% vol/vol)VWR Chemicals93003.1006
Augensalbe: VitA POS 5 gUrsapharm
Maus IL-1β ELISA Auf die Plätze, fertig, los!Invitrogen, Thermo Fisher Scientific88-7013-88
Maus IL-2 ELISA MAX StandardBioLegend431001
Maus IL-4 ELISA MAX StandardBioLegend431101
Phosphatgepufferte Kochsalzlösung 1x (PBS) pH 7,4Gibco, Thermo Fisher Scient 
Povidon-Jodlösung: Braunol 1000 mLB. Braun3864154
Shandon Rapid-Chrome Kwik-Diff FärbekitThermo Scientific9990700Für die differentielle Zellzahl.
Heizplatte: PhysitempRothacher MedicalTCAT-2LV
Hämozytometer: Neubauer-KammerCarl RothPC72.1
Nicht resorbierbares Nahtmaterial: Ethibond Excel 4-0Ethicon6683H
Resorbierbares Nahtmaterial: PolysorbCovidienSL-5628
Shandon-Zentrifuge für CytopsinThermo Scientific
Sterile Einmalspritze 1 mLHenry Schein Animal Health9003016
Sterile MulltupferHenry Schein Animal Health220192
Sterile Nadeln: Injektionsnadeln RW 27 G x 3/4'' und 25 GHenry Schein Animal Health9003340, 420939
Sterile chirurgische Instrumente (Skalpell, Schere, Pinzette, Nadelhalter)
Trypanblaue Lösung 0,4Gibco, Thermo Fisher Scientific 15250061
Subchronisches subkutanes Modell
Anästhesie: Ketamin (Ketamidor), Xylazin (Rompun)Richter Pharma AG/Bayer HealthCare
Kältesterilisator: SafeSept MaxHenry Schein Animal Health9882765
Ethanol (70% vol/vol)VWR Chemicals93003.1006
Augensalbe: VitA POS 5 gUrsapharm
Phosphatgepufferte Kochsalzlösung 1x (PBS) pH 7,4Gibco, Thermo Fisher Scientific 
Povidon-Jodlösung: Braunol 1000 mLB. Braun3864154
Roti-Histofix 4,5% gepuffertes FormalinCarl Roth2213.6
Heizplatte: PhysitempRothacher MedicalTCAT-2LV
Nicht resorbierbares Nahtmaterial: Ethibond Excel 4-0Ethicon6683H
Persönliche Schutzausrüstung: chirurgisch Handschuhe, Mütze und Maske, KittelHenry Schein Animal Health1045073, 1026614, 9009062, 370406
Sterile Einwegspritze 1 mLHenry Schein Animal Health9003016
Sterile MulltupferHenry Schein Animal Health220192
Sterile Instrumente (Skalpell, Schere, Pinzette, Nadelhalter)
Sterile Nadel: Injektionsnadeln RW 27 G x 3/4'' Henry Schein Tiergesundheit9003340, 420939
10010023100100231001002310500064157500371114005015140122100100233135001010010023%10010023

Referenzen

  1. Einhorn, T. A., Gerstenfeld, L. C. Fracture healing: mechanisms and interventions. Nature Reviews Rheumatology. 11 (1), 45-54 (2015).
  2. Marsell, R., Einhorn, T. A. The biology of fracture healing. Injury. 42 (6), 551-555 (2011).
  3. Cooper, G. M., et al.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tags

BiomaterialienKnochenregenerationOsteoblasten-ViabilitätOsteoklasten-DifferenzierungAlizarin-Rot-S-Färbungkritischer KalvariendefektBeta-TricalciumphosphatIn-vitro-AssaysIn-vivo-MausmodelleImmunogenitätstestsAllergenitätsbewertung