Weltweit werden jedes Jahr über 2 Mio. Gelenke durch eine Total- oder
Hemiendoprothese ersetzt. Nach Implantation einer Hüftendoprothese kommt es in
den ersten drei Monaten zum Knochenverlust von bis zu 14%. In der Folge treten
bei vielen Patienten Prothesenlockerungen oder Infektionen auf, die einen
erneuten Eingriff unabwendbar machen. Wechseloperationen sind mit größerem
Blutverlust, längerer Eingriffsdauer und einer Zunahme von Komplikationen
verbunden, die auch die Mortalität erhöhen. Die demographischen Daten sprechen
weltweit für eine Zunahme der Indikationen für Gelenkersatz. Schätzungen
zufolge wird die Zahl der häufig benötigten Prothesenoperationen in
Deutschland jährlich um 3-5% ansteigen. Ein volkswirtschaftlicher
Kostenanstieg und die psychologische Belastung für die Patienten sind mögliche
Folgen. Schlecht einheilende Prothesen, periprothetische Frakturen und
Implantatlockerung mit anschließender Revision machen eine Optimierung der
Implantateinheilung notwendig. Osteoinduktive Zytokine sind seit Urist‘
Entdeckung der BMPs erforscht worden. BMP-2 und BMP-7 sind klinisch zugelassen
und werden als rekombinant hergestellte Proteine verabreicht. Ein anderer
Ansatz in der Applikation ist die Gentherapie. Dazu wird das für den
Wachstumsfaktor kodierende Gen in das Zielgewebe eingeschleust. Die Zellen
exprimieren das therapeutische Protein unmittelbar im Zielgewebe und somit
örtlich und zeitlich limitiert. Für die klinische Anwendung bei der
unzementierten Endoprothetik wäre diese Form des Gentransfers optimal, da
hauptsächlich der Peri-Implantatknochen als Zielgewebe betroffen ist und die
unerwünschten Nebenwirkungen reduziert werden könnten. In der Gentherapie
werden die nicht-viralen Vektoren kontinuierlich verbessert. Eine
Neuentwicklung sind sogenannte COPROGs. Dabei wird die DNA, kodierend für den
Wachstumsfaktor BMP-2, mit dem häufig verwendeten PEI (Polyethylenimin)
komplexiert und von einem Schutzpolymer umhüllt. In einer tierexperimentellen
Studie wurden 64 Kaninchen (New Zealand White Rabbit) in 4 Gruppen aufgeteilt
und beidseitig an der Tibia mit Implantation eines Titannagels operiert.
Gruppe I galt als Kontrollgruppe mit einfacher Implantation des Titannagels.
Gruppe II war die erste Versuchsgruppe mit zusätzlicher
Fibrinkleberapplikation. Gruppe III stellte die zweite Versuchsgruppe dar mit
Implantatimplantation und kombinierter Fibrinkleber- BMP-2-Plasmid
Applikation. Für die Sicherheitsuntersuchung, d.h. insbesondere zum Ausschluss
einer systemischen Transfektion, diente die Gruppe IV. Einziger Unterscheid
zur Gruppe III war, dass das Plasmid für ein Reportergen anstelle von BMP-2
kodiert. Untersucht wurden in den Gruppen I-III zwei Behandlungszeiträume, 28
oder 56 Tage. In der Gruppe IV gab es vier Untersuchungszeitpunkte, 3,7,28
oder 56 Tage. In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse der
biomechanischen Untersuchungen der Tiere aus den Gruppen I-III vorgestellt.
Dazu wurde der push-out Test verwendet. Es erfolgte eine zusätzliche
Bestimmung der Blut- und Serumparameter bei allen Tieren und eine
radiographische Analyse der postoperativ und post mortem erstellten
Röntgenbilder. Die statistisch ausgewerteten Daten zeigten eine signifikante
Zunahme der Implantateinheilung in der Kontrollgruppe von Tag 28 zu Tag 56.
Dies war auch bei der BMP-Plasmid Gruppe zu erkennen, jedoch war wie bei der
Fibringruppe der Unterscheid von Tag 28 zu Tag 56 nicht signifikant. Der
Vergleich der Gruppen untereinander zeigte keinen signifikanten
Einheilungsunterschied zwischen der Kontroll- und der Fibringruppe an beiden
Untersuchungszeiträumen. Die BMP-2-Applikation resultierte in einer
verminderten biomechanischen Festigkeit des Implantats im Knochen beim push-
out Test. Die Auswertung der Röntgenbilder zeigte eine generelle Zunahme der
Knochendicke, die jedoch nicht mit der biomechanischen Festigkeit korrelierten
Die bestimmten Blut- und Serumparameter blieben gruppenübergreifend im Verlauf
unauffällig. Bedeutsam war die durch den Nachweis des Reportergens in
verschiedenen Organen gewonnene Erkenntnis, dass eine systemische Transfektion
stattgefunden hatte. Dieser Aspekt muss Gegenstand weiterer Forschung sein.
Möglicherweise wurde der Fibrinkleber inklusive BMP-2 Genvektor durch den
intramedullären Druck bei der Applikation des Implantats in den Markraum aus
diesem herausgepresst und konnte sich über die Blutbahn systemisch verteilen.
Die prinzipielle Anwendbarkeit von Fibrinkleber wurde gezeigt, da kein
retardierender Effekt auf die Einheilungsdauer und keine verminderte
Festigkeit festgestellt wurde. In diesem Versuch war der Gentransfer des BMP-2
Plasmids im neu entwickelten nicht-viralen Vektor mit Fibrinkleber als
Trägermaterial zwar erfolgreich, brachte jedoch keine biomechanischen
Vorteile. Im Gegenteil zeigten die biomechanischen Resultate, dass das
Implantat in der BMP-2-Versuchsgruppe verglichen mit der Fibrin Versuchsgruppe
und der Kontrollgruppe deutlich schlechter inkorporiert wurde. Diese
Erkenntnis kontrastiert das bisherige Verständnis der biologischen Wirkung von
BMP-2, einem Protein mit stark osteoinduktivem Potential. In der
Frakturheilung zeigen BMPs eine deutliche Stimulation der Heilungsprozesse.
Eine mögliche Erklärung für den negativen Effekt von BMP-2 bei der
Implantateinheilung könnte eine unterschiedliche Knochenbildung sein. Im
vorliegenden Im vorliegenden Versuch geschah das Knochenwachstum direkt um das
Implantat, anders als im Frakturmodell, wo Knochenbildung über die
Zwischenstufe der Knorpelbildung geschieht. Die Ergebnisse der noch nicht
abgeschlossenen histologischen Untersuchung werden weitere Erkenntnisse
bringen und das Bild vervollständigen. Um die komplexe biologische Wirkung von
BMP-2 auf die Knochenheilung und die ihr zugrunde liegenden Mechanismen
aufzuschlüsseln, bedarf es weiterer Forschung mit dem Ziel, neue und sichere
Behandlungsstrategien für die klinische Anwendung zu entwickeln.More than 2 million joint are replaced each year by use of a total- or hemi
endoprosthesis. Up to 14% of bone substance is lost after implantation.
Consecutive periprosthetic fractures, infections or implant loosening is a
possible consequence. Revision of the prosthesis implies a greater surgical
risk with possible blood loss and higher mortality. Demographic data shows an
increased need for operations involving the replacement of joints. Recombinant
growth factors are frequently used in research and clinical application or
regeneration of tissues and cells. Since the genetic code of most growth
factors is known, genetic manipulation of cells in order to express a certain
growth factor, is an attractive alternative tot he application of recombinant
growth factors. Not only for economic reasons but also to maintain a constant
level of an effective dosis of the protein over a longer time period by only
one application. The effect of locally applied plasmids encoding for Bone
Morphogenetic Protein-2 (BMP-2) on implant ingrowth was studied. A non-viral
vector and fibrin glue as carrier was used in a non weight bearing model. 48
animals were divided in 2 groups with postoperative time periods of 28 (A) and
56 days (B). Each group consisted of 3 subgroups (SG 1-3 A/B, 8 animals each),
each receiving a different application. In anaethsia both tibiae of the
animals were reamed in anterograde direction. The reamed tibiae were not
filled in the first subgroup(SG 1), filled with fibrin glue (SG 2) or filled
with fibrin glue plus a copolymer protected gene vector (COPROG) carrying the
BMP-2 encoding plasmid (SG 3). After filling the tibia a titanium nail
diameter was inserted in anterograde direction. The the position was then
controlled radiographically. A further 12 rabbits received fibrin glue
carrying COPROG combined in this case with the Luciferase marker-gene, as part
of a safety study. They also were divided in subgroups. After 28 and 56 days
(4, 7 and 28 days in the marker-gene group respectively) animals were
sacrificed. Both tibiae were explanted, one for histological analysis (not
part of this dissertation), the other one for biomechanical testing. For
biomechanical testing we used an approved push out device4 to measure the peak
force needed to loosen the nail from the bone. The peak force was set in ratio
to the largest possible area of the bone-implant interface. In the marker gene
groups (not part of this dissertation) the bone was opened and the endosteum
removed for testing using an ELISA assay. Additional Specimens were taken from
brain, lung, liver, testicles and muscle tissue. Statistical tests were
conducted using the Mann-Whitney-U-Test. The results of the biomechanical
testing showed significantly lower shear strength in subgroup 3 at both
timepoints. The difference between group 1and 2 was not significant in either
of the timepoints. In the histological analysis the fibrin/BMP-2-plasmid group
showed less bone-implant contact than both other groups and thus support the
results of the biomechanical testing. In the additional safety study traces of
the Luciferase marker gene were found in 22/24 tibiae at all timepoints. 15/72
specimens of ectopic organs were also positive. A preference could be found
for lung and testicles. Muscle tissue was affected least. In this
investigation it could be proven that a gene transfer using the non-viral gene
vector COPROG and fibrin glue as a carrier works. Anyway the biomechanical and
histological results showed signifigantly less implant incorporation when a
BMP-2 plasmid was used compared to the two control groups and one fibrin
group. These findings are in contrast to the presently preexisting notion that
BMP-2 has a strong osteogenic potential. In the literature hardly any clinical
experience exists for BMP-2 to support implant incorporation. The inhibitory
effect might be model-related but could as well indicatecurrently unknown
effects of BMP-2. One explanation might be, that these effects could be based
upon the different mechanisms of bony implant incorporation where bone is
formed directly without formation of cartilage and fracture healing where bone
develops secondary from cartilage tissue. Which is supported by data showing
greater expression of BMP-2 in a cartilage than a bone environment. The
positive testing for Luciferase in organs outside the local application demand
further investigation. It can be hypothesized that fibrin glue carrying the
vector entered the blood vessels due to the increased intramedullary pressure
during application of the nail. To further elucidate the mechanisms underlying
the promotion of bone formation more research is needed. The molecular
characterization of the BMP-2 signal transduction cascade could yield more
knowledge about how to safely and effectively use therapeutic gene therapy in
impleant growth
