Knochenregeneration von akuten Critical-size-Defekten in der Mandibula des Göttinger Minischweins durch die kombinierte Freisetzung von rhBMP-2 und rhVEGF165 aus einem PDLLA/CaCO3-Komposit

Bone regeneration of acute critical-size defects in the mandible of the Goettingen minipig by the combined release of rhBMP-2 and rhVEGF165 from a PDLLA/CaCO3 composite.

by Jan Alexander Klenke
Doctoral thesis
Date of Examination:2023-07-04
Date of issue:2023-06-15
Advisor:PD Dr. Philipp Kauffmann
Referee:PD Dr. Philipp Kauffmann
Referee:Prof. Dr Arndt Schilling
Referee:Prof. Dr. Jörg Wilting
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9928

 

 

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Abstract

English

The present study was designed to clarify whether the combined release of the growth factors rhBMP-2 and rhVEGF165 from PDLLA/CaCO3 composite material results in equivalent new bone formation to loading the carrier materials with rhBMP-2 alone. Here, we investigated whether the combined release of the cytokines allowed for dose reduction of rhBMP-2. For the present study, the PDLLA/CaCO3 carrier scaffold was combined with 800 µg rhBMP-2 in the first comparison group and with a combination of 400 µg rhBMP-2 and 50 µg rhVEGF165 in a dose ratio of 8:1 in the second, in addition to the control group. In the Göttingen minipig animal model, CSD defects were placed in the mandible of 18 animals, provided with the comparative materials and examined histomorphometrically after four and 13 weeks. The newly formed total tissue area, the mineralized bone area and the relative bone area were analyzed. In addition to confirming that the selected defect size is demonstrably CSD in the Göttingen minipig, the results describe that the sustained release of 400 µg rhBMP-2 and 50 µg rhVEGF165 from the carrier material induced effective new bone formation. After four and after 13 weeks, the comparison group with dual release showed increased new bone formation and bone density compared to the other groups and confirmed effective regeneration of the defect. In conclusion, the results of this study show that the controlled, sustained release of WF from a carrier material can effectively contribute to the regeneration of bone tissue, that PDLLA/CaCO3 is biocompatible and, with the dose ratio of 8:1 (BMP:VEGF), suitable for the combined release of WF. Addition of the angiogenic cytokine rhVEGF165 to rhBMP-2 allowed dose reduction of rhBMP-2. In summary, the applied study model is a well-suited method for testing KEM in tissue engineering due to the localization of the CSD with regard to expected complications and the bone physiological properties similar to humans.
Keywords: bone regeneration; growth factor

German

Die vorliegende Untersuchung sollte klären, ob durch die kombinierte Freisetzung der Wachstumsfaktoren rhBMP-2 und rhVEGF165 aus PDLLA/CaCO3-Kompositmaterial eine äquivalente Knochenneubildung zu der Beladung der Trägermaterialien mit rhBMP-2 allein erfolgt. Dabei wurde untersucht, ob die kombinierte Freisetzung der Zytokine eine Dosisreduktion von rhBMP-2 zulässt. Für die vorliegende Studie wurde das PDLLA/CaCO3-Trägergerüst neben der Kontrollgruppe in der ersten Vergleichsgruppe mit 800 µg rhBMP-2 und in der zweiten mit einer Kombination von 400 µg rhBMP-2 und 50 µg rhVEGF165 in einem Dosisverhältnis von 8:1 verbunden. In dem Göttinger Minipig-Tiermodell wurden in 18 Tieren CSD Defekte im Unterkiefer gesetzt, mit den Vergleichsmaterialien versorgt und nach vier und 13 Wochen histomorphometrisch untersucht. Analysiert wurden die neu gebildete gesamte Gewebefläche, die mineralisierte Knochenfläche und die relative Knochenfläche. Neben der Bestätigung, dass es sich bei der gewählten Defektgröße nachweislich um CSD im Göttinger Minischwein handelt, beschreiben die Ergebnisse, dass die verzögerte Freisetzung von 400 µg rhBMP-2 und 50 µg rhVEGF165 aus dem Trägermaterial eine effektive Knochenneubildung induzierte. Nach vier und nach 13 Wochen zeigte die Vergleichsgruppe mit der dualen Freisetzung gegenüber den anderen Gruppen eine erhöhte Kno-chenneubildung und Knochendichte und bestätigte eine effektive Regeneration des Defektes. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Untersuchung, dass die kontrollierte, verzögerte Freisetzung von WF aus einem Trägermaterial effektiv zur Regeneration von Knochengewebe beitragen kann, dass PDLLA/CaCO3 biokompatibel und mit dem Dosisverhältnis von 8:1 (BMP:VEGF) geeignet für die kombinierte Freisetzung der WF ist. Durch die Addition des angiogenen Zytokin rhVEGF165 zum rhBMP-2 wurde eine Dosisreduktion des rhBMP-2 ermöglicht. Das angewandte Studienmodell ist zusammenfassend aufgrund der Lokalisation der CSD in Hinblick auf zu erwartenden Komplikationen und der dem Menschen ähnlichen knochenphysiologischen Eigenschaften ein gut geeignetes Verfahren zur Austestung von KEM im Tissue Engineering.
Schlagwörter: Knochenregeneration; Wachtumsfaktor
 
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