Charakterisierung eines neuartigen Knochenersatzmaterials auf PLGA-Basis hinsichtlich Immunreaktivität, Zytokompatibilität und physikalischen Eigenschaften

Introduction: Bone graft substitutes are becoming increasingly important in regenerative medicine. Polylactide-co-glycolide (PLGA) is already widely used as an established synthetic biomaterial in medical care, often in the form of microparticles or placeholders loaded with antibiotics or immunoactive cells for topical antibiotic therapy and release of regenerative cells in a defect zone. The aim of this study was to characterise a new form of PLGA for its physical properties, immunological signature and ytocompatibility. This material should allow the use of PLGA in the form of a porous membrane to cover large bone defects. Material and methods: The PLGA mixture was prepared in the form of scaffolds and membranes. A biomechanical analysis of the material for fracture strength, flexural rigidity and its diffusion capacity was performed. The scaffolds were seeded with bone marrow stem cells (BMC and MSC). MTT assay was used to determine the lifespan and viability of the cells on the scaffold surface. The cells were examined for osteogenic differentiation by PCR analysis. A whole blood stimulation assay followed by comprehensive evaluation of the secretome using a Proteome Profiler assay was performed to record the immunological signature. Results: The material showed low mechanical stability. The PLGA membrane was permeable for proteins up to 11.4 kDa. A steady degeneration of the material in an aqueous environment was observed. Secretome analysis of the whole blood stimulation assay revealed an immunological signature characteristic of the PLGA membrane with activation of proinflammatory factors. Cell survival on the scaffold surface decreased consistently during the acquisition period, while cell viability on the well bottom increased. No significant osteogenic differentiation of stem cells was detected. Discussion: The rapid degeneration of the material in an aqueous environment negatively affected both membrane stability and cell adhesion to the scaffolds. The material neither had a toxic effect on the cells nor did it induce osteogenic differentiation. Analysis of the immune signature suggested an early and strong inflammatory reaction after implantation of the material. Conclusion and outlook: While the PLGA mixture presented does not have the mechanical properties of a weight-bearing bone substitute, it can still be successfully loaded with stem cells that can be targeted for release in the defect zone after implantation. Stimulating a strong immune response can be particularly helpful in the early healing phase. Further in vivo studies on animal models are necessary to optimise possible therapeutic applications.Einleitung: Knochenersatzmaterialien gewinnen in der regenerativen Medizin immer weiter an Bedeutung. Polylactid-co-Glycolid (PLGA) wird als etabliertes synthetisches Biomaterial bereits vielseitig in der medizinischen Versorgung eingesetzt, häufig in Form von Mikropartikeln oder Platzhaltern beladen mit Antibiotika oder immunaktiven Zellen zur topischen Antibiotikatherapie und Freisetzung von regenerativen Zellen in einer Defektzone. Ziel dieser Studie war die Charakterisierung einer neuen Darbietungsform von PLGA auf ihre physikalischen Eigenschaften, ihre immunologische Signatur und Zytokompatibilität. Dieses Material soll den Einsatz von PLGA in Form einer porösen Membran zur Abdeckung von großen Knochendefekten ermöglichen. Material und Methoden: Das PLGA-Gemisch wurde in Form von scheibenförmigen Prüfkörpern und Membranen aufbereitet. Es wurde eine biomechanische Analyse des Materials auf Bruchfestigkeit, Biegesteifigkeit und seine Diffusionskapazität durchgeführt. Die Scaffolds wurden mit Knochenmarkstammzellen (BMC und MSC) besiedelt. Mittels MTT-Tests wurde die Lebensdauer und die Viabilität der Zellen auf der Prüfkörperoberfläche ermittelt. Die Zellen wurden durch PCR-Analyse auf osteogene Differenzierung untersucht. Zur Erfassung der immunologischen Signatur erfolgte ein Vollblutstimulationstest mit anschließender umfassender Auswertung des Sekretoms mittels Proteom Profiler-Analyse. Ergebnisse: Das Material wies eine geringe mechanische Stabilität auf. Die PLGA-Membran zeigte sich für Proteine bis 11,4 kDa durchlässig. Es konnte eine stetige Degeneration des Materials in wässrigem Milieu festgestellt werden. In der Sekretom-Analyse des Vollblutstimulationstests zeigte sich eine für die PLGAMembran charakteristische immunologische Signatur mit Aktivierung von proinflammatorischen Faktoren. Das Zellüberleben auf der Prüfkörperoberfläche nahm während des Erfassungszeitraums konstant ab, während die Zellviabiliät auf dem Wellboden stieg. Es konnte keine signifikante osteogene Differenzierung der Stammzellen festgestellt werden. Diskussion: Die schnelle Degeneration des Materials in wässriger Umgebung beeinflusste sowohl die Stabilität der Membran als auch die Zelladhäsion auf den Scaffolds negativ. Das Material wirkte dabei weder toxisch auf die Zellen, noch induzierte es eine osteogene Differenzierung. Die Analyse der Immunsignatur ließ eine frühe und starke Entzündungsreaktion nach Implantation des Materials vermuten. Schlussfolgerung und Ausblick: Während das vorgelegte PLGA-Gemisch nicht die mechanischen Eigenschaften eines gewichttragenden Knochenersatzstoffes aufweist, so lässt es sich dennoch erfolgreich mit Stammzellen beladen, die nach Implantation gezielt in der Defektzone freigesetzt werden können. Die Anregung einer starken Immunantwort kann gerade in der frühen Heilungsphase hilfreich sein. Weitere in vivo-Untersuchungen am Tiermodell sind notwendig zur Optimierung möglicher therapeutischer Anwendungen

Early Immune Response in Foreign Body Reaction Is Implant/Material Specific

The design of novel biomaterials should directly influence the host-immune system and steer it towards high biocompatibility. To date, new implants/materials have been tested for biocompatibility in vitro in cell cultures and in vivo in animal models. The current methods do not reflect reality (cell cultures) or are very time-consuming and deliver results only after weeks (animal model). In this proof-of-concept study, the suitability of a Whole Blood Stimulation Assay (WBSA) in combination with a Protein Profiler Array (PPA), as a readily available and cost-effective screening tool, was investigated. Three different biomaterials based on poly(lactic-co-glycolic acid (PLGA), calcium sulphate/-carbonate (CS) and poly(methyl methacrylate) (PMMA) were exposed to native whole blood from three volunteers and subsequently screened with a PPA. Individual reproducible protein profiles could be detected for all three materials after 24 h of incubation. The most intense reaction resulted from the use of PLGA, followed by CS. If even marginal differences in implants can be reflected in protein profiles, the combination of WBSA and PPA could serve as an early biocompatibility screening tool in the development of novel biomaterials. This may also lead to a reduction in costs and the amount of animal testing required