Hydroxyapatite-Based Scaffold Combined with 2 Polydeoxyribonucleotide (PDRN) Promotes Bone Regeneration in 3 a Rat Calvarial Critical-Size Defect Model

Wenn ein Knochen bricht, weiß der Körper normalerweise genau, wie er ihn reparieren kann. Er schickt Zellen an die Stelle, baut eine vorübergehende Brücke und modelliert diese langsam zu festem, solidem Knochen um. Doch dieses natürliche Reparatursystem hat eine Grenze. Wenn ein Stück Knochen gänzlich fehlt – etwa durch eine schwere Verletzung, die Entfernung eines Tumors oder einen Geburtsfehler – kann der Körper die Lücke nicht von selbst überbrücken. Der Raum bleibt leer und ist lediglich mit weichem Narbengewebe gefüllt, was die Struktur schwach und instabil hinterlässt. Jahrzehntelang haben Chirurgen versucht, dies zu lösen, indem sie gesunden Knochen aus einem anderen Teil des Körpers des Patienten entnahmen und in das Loch transplantierten. Dies funktioniert zwar, erfordert jedoch einen zweiten chirurgischen Eingriff, verursacht Schmerzen an der Entnahmestelle und bietet oft nicht genügend Material für große Lücken. Dies hat Wissenschaftler dazu getrieben, nach synthetischen Alternativen zu suchen: Materialien, die als temporäres Gerüst dienen können, um die körpereigenen Zellen dazu zu leiten, den fehlenden Knochen wieder aufzubauen, ohne dass ein zweiter Eingriff notwendig ist.

Die Herausforderung besteht darin, ein Material zu finden, das mehr tut, als nur den Raum zu füllen. Ein guter Ersatz muss porös genug sein, um das Einwachsen von Blutgefäßen und Zellen zu ermöglichen, und er muss chemisch ähnlich genug zum natürlichen Knochen sein, um die Akzeptanz des Körpers zu fördern. Ein vielversprechender Kandidat ist eine Keramik aus Hydroxyapatit, demselben Mineral, das unseren Knochen seine Härte verleiht. Eine Keramik allein kann jedoch steif sein und sich nur langsam in das lebende Gewebe integrieren. Um dies zu verbessern, haben Forscher begonnen, biologische Moleküle beizumischen, die als Signale fungieren und den Zellen helfen, schneller zu wachsen und das Gewebe effektiver zu reparieren. Ein solches Molekül ist Polydeoxyribonukleotid oder PDRN, eine aus DNA gewonnene Substanz, die nachweislich hilft, Wunden zu heilen und den Blutfluss zu stimulieren. Die große Frage war, ob die Kombination dieses biologischen Signals mit einer spezifischen Art von Knochengerüst besser funktionieren würde als die Verwendung entweder nur eines der beiden Stoffe, und ob die Textur des Gerüsts selbst eine Rolle spielt.

Ein Team von Forschern am Seoul National University Hospital ging diese Frage an, indem sie verschiedene Kombinationen in einem kontrollierten Tiermodell testeten. Sie erzeugten ein präzises, kreisförmiges Loch im Schädel von dreißig Ratten. Dieses Loch war groß genug, dass es niemals von selbst heilen würde, wodurch die schwierigen „kritischen Größenlücken“ nachgeahmt wurden, wie sie bei menschlichen Patienten vorkommen. Die Forscher unterteilten die Ratten in fünf Gruppen. Eine Gruppe erhielt keine Behandlung und diente als Basislinie, um zu zeigen, was passiert, wenn nichts unternommen wird. Die anderen vier Gruppen erhielten einen synthetischen Knochentransplantat, jedoch mit unterschiedlichen Inhaltsstoffen. Zwei Gruppen erhielten einen Block aus dem Keramikmaterial, während die anderen zwei Gruppen ein Keramik erhielten, das mit Kollagen gemischt war – einem Protein, das das weiche Grundgerüst unserer Knochen bildet. Innerhalb dieser Paare erhielt eine Gruppe die Keramik allein und die andere die mit PDRN-Lösung getränkte Keramik.

Über einen Zeitraum von acht Wochen beobachteten die Forscher, wie der Knochen heilte. Sie verwendeten hochauflösende 3D-Bildgebung, um exakt zu messen, wie viel neuer Knochen entstanden war, um das Loch zu füllen. Die Ergebnisse zeigten einen deutlichen Unterschied zwischen den Gruppen. Die Ratten, die keine Behandlung erhielten, zeigten fast keinen neuen Knochen; das Loch blieb größtenteils mit Weichgewebe gefüllt. Die Ratten, die allein die Keramikblöcke erhielten, schnitten besser ab und füllten etwa die Hälfte des Raums mit neuem Knochen. Die Ratten, die die mit PDRN gemischte Keramik erhielten, schnitten noch besser ab, aber die dramatischste Verbesserung kam von der Gruppe, die die kollagenhaltige Keramik zusammen mit PDRN erhalten hatte. In dieser Gruppe füllte der neue Knochen fast drei Viertel des Defekts aus, was eine signifikant höhere Menge als in jeder anderen Gruppe war.

Die Forscher untersuchten unter dem Mikroskop auch die Qualität des neuen Knochens. In der Gruppe mit den besten Ergebnissen war der neue Knochen nicht nur ein zufälliges Durcheinander von Zellen; er hatte sich zu einer reifen, geschichteten Struktur organisiert, die dem gesunden, erwachsenen Knochen sehr ähnlich sieht. Dies deutet darauf hin, dass die Kombination aus dem Kollagen-Gerüst und dem PDRN-Signal nicht nur das Wachstum beschleunigt, sondern auch dabei half, dass der Knochen ordnungsgemäß reifte. Die Studie fand heraus, dass das Kollagen im Gerüst wahrscheinlich eine Schlüsselrolle spielte. Während der Keramikblock allein eine ordentliche Plattform für das Knochenwachstum war, schien die Kollagen-Version eine bessere Umgebung für die Wirkung des PDRN zu schaffen. Es scheint, dass das Kollagen half, das biologische Signal an Ort und Stelle zu halten und es effektiver mit den Zellen interagieren zu lassen, die versuchten, den Knochen wieder aufzubauen.

Diese Forschung legt nahe, dass der Erfolg einer Knochenreparaturbehandlung nicht nur von den verwendeten Inhaltsstoffen abhängt, sondern davon, wie diese zusammengesetzt sind. Das bloße Hinzufügen eines Heilungsmoleküls zu einem Standardgerüst lieferte nicht die besten Ergebnisse. Stattdessen erzeugte die spezifische Kombination aus einem kollagenbasierten Gerüst und dem PDRN-Signal einen synergistischen Effekt, bei dem das Ganze größer war als die Summe seiner Teile. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass für schwierige Knochendefekte die Verwendung eines Gerüsts, das die natürliche Proteinstruktur des Knochens nachahmt, kombiniert mit einem biologischen Signal zur Wachstumsstimulation, eine leistungsstarke Alternative zur Entnahme von Knochen aus dem eigenen Körper bieten könnte. Obwohl diese Ergebnisse bei Ratten beobachtet wurden und weitere Tests erforderlich sind, um zu bestätigen, wie dies beim Menschen funktioniert, weist die Studie einen klaren Weg für die Entwicklung besserer Materialien auf, die dem Körper helfen, seine hartnäckigsten Verletzungen zu heilen.