In vitro Methoden zur Knochentestung 3.0: Kaum ist das 3D-Test-System „invitroBone“ für Knochenersatzmaterialien, Knochenimplantate und Materialien im Knochenkontakt etabliert, forschen wir bereits an der Zukunft.
Zwei neue Ansätze stammen aus dem vom BMBF geförderten Projekt „MedSiN-Implant“: Beim BoneContactAssay werden etablierte Knochengewebekulturen aus dem ivBone-System nach 35 Tagen in Kontakt mit Implantatmaterialien gebracht. Im Assay zur antibakteriellen Wirkung von Oberflächen werden Knochenzellen in Konkurrenz zu Vertretern der wichtigsten Bakteriengruppen gebracht. In zellbiologischen Untersuchungen erforschen wir die Kommunikation und das Wachstum der beiden Hauptknochenzellarten, Osteoblasten und Osteoklasten.
Im Rahmen des MedSiN-Projektes sollten Keramikimplantate, die permanent im Körper verbleiben, bezüglich ihres Einwachsverhaltens getestet werden. Besonders wichtig ist hier das initiale Anwachsen an den benachbarten Knochen – je schneller eine sichere Verbindung entsteht, desto sicherer können fehlende Anbindungen, sog. „non-unions“, des Implantates an den Knochen vermieden werden. Dieser Test konnte bisher nur im Tierversuch gemacht werden – mit Ergebnissen, die teilweise wenig über den Erfolg im Menschen aussagen. Um hier einen reproduzierbaren, definierten und ausführlichen analysierbaren Test zu entwickeln, muss die Reaktion eine etablierten Knochengewebes auf eine neue Kontaktfläche in vitro nachempfunden werden. Dabei ist eine hochmoderne Bioreaktortechnik, die zukünftig auch mechanische Stimulierung zulässt, unerlässliche Voraussetzung.
Hierzu werden auf Referenzmaterial wie im invitroBone System Knochenzell-Cokulturen etabliert. Nach 7-tägiger Vorkultur der ST-2 Zellen mit Wachstumsfaktoren kommen RAW 264.7 Zellen hinzu, dann wird im Bioreaktor noch einmal 28 Tage kultiviert. Die von den osteoblastär differenzierten ST-2 Zellen produzierten Wachstumsfaktoren, vor allem RANKL, stimulieren die Bildung von Osteoklasten aus der Monozytenzelllinie. Sicherlich spielt hier auch der direkte Zell-Zell-Kontakt eine Rolle.
Anschließend werden je zwei Standardmaterialien in einer speziell angefertigten Silikonhalterung im BoneContact-Bioreaktor platziert. Das zu untersuchende Implantat wird so zwischen beide Knochenzellkulturen platziert, dass ein direkter Kontakt stattfindet. Dabei wurde die Strömung so optimiert, dass entweder ein indirekt vom Blut versorgter oder ein aktiv von Blut durchströmter Defekt simuliert werden kann. Nun wird für weitere 35 Tage inkubiert.
Da hierbei die Zellen über 70 Tage kultiviert werden, muss deren Wachstum sorgfältig einreguliert werden. Auch eine gezielte Lenkung der Strömung im neuen BoneContact-Bioreaktor ist wichtig. Dann erhält man histologische Schnittbilder wie im Bild dargestellt. Sehr gut lässt sich erkennen, wie die auf den Normkulturen links und rechts etablierten Knochengewebekulturen von den Seiten in das zu Beginn leere Scaffold einwachsen.