Biologische Aktivität metallischer Abriebpartikel und Metallionen in vitro und in vivo

Die aseptische Endoprothesenlockerung ist der häufigste Revisionsgrund und wird vor allem durch eine Gewebereaktion auf Abriebpartikel verursacht. Im beantragten Projekt soll geklärt werden, inwieweit sich Abriebpartikel von gängigen Hüftendoprothesen mit einer Metall-Metall und Keramik-Polyethylen-Gleitpaarung in ihrer biologischen Aktivität sowohl in vitro als auch in vivo unterscheiden. Dafür werden Abriebpartikel der Gleitpaarungen Metall-Metall und Keramik-Polyethylen in speziellen Abriebsimulatoren erzeugt. Es erfolgt eine morphologische Charakterisierung und Aufreinigung der generierten Abriebpartikel (Metall und Polyethylen als Referenz) inklusive Eliminierung von Endotoxinen. Im Anschluss werden verschiedene humane Zelltypen (Monozyten, Makrophagen, Osteoblasten) mit den Metall- und Polyethylen-Partikeln sowie vergleichend mit reinen Metall-Ionen, welche in einer Korrosionsmesszelle als Resultat von Korrosionsvorgängen generiert werden, kultiviert.Im Fokus der in-vitro Untersuchungen steht die Analyse zell- und molekularbiologischer Effekte in Abhängigkeit der Materials, Art und Topographie der Abriebprodukte. Hierbei sollen zum Beispiel die Vitalität und Proliferation humaner primärer Osteoblasten und Makrophagen, die Apoptose- bzw. Nekroserate, die Quantifizierung aktivierter Zytokine und die Expression von OPG und sRANKL nach Kontakt mit den Partikeln und Metall-Ionen bestimmt werden. In einem zweiten Schritt werden die Abriebpartikel in einem etablierten Tiermodell eingesetzt. Die Partikel werden in murine Knie appliziert und die lokalen Reaktionen intravitalmikroskopisch analysiert. Des Weiteren werden die lokalen sowie systemischen inflammatorischen Reaktionen histologisch und immunhistochemisch untersucht und mit den in vitro Ergebnissen verglichen.Damit soll ein grundlegendes Verständnis für die unterschiedlichen Reaktionen im Rahmen des Inflammationsprozesses auf Polyethylen-, Metallpartikel und Metallionen erzielt werden. Da der zeitliche Verlauf der Immunreaktionen bislang ungeklärt sind, sollen dann in einem Folgeprojekt die verschiedenen Abriebpartikel sowie Metallionen hinsichtlich ihrer biologischen Aktivität zu unterschiedlichen Zeitpunkten evaluiert werden. Die Erkenntnisse des beantragten Projektes können in die zukünftige Entwicklung neuer Strategien zur Vermeidung der partikel-induzierten aseptischen Endoprothesenlockerung, beispielsweise über Material- und Oberflächenoptimierung sowie Blockierung bestimmter Signalwege, einfließen.

DFG-Verfahren Sachbeihilfen

Ehemalige Antragstellerin Professorin Dr. Sandra Utzschneider, bis 3/2016