Charakterisierung der adsorbierten Proteinschicht auf orthopädischen Biomaterialien und regenerative Effekte nach dem ersten Patientenkontakt

• Antragstellerin: Dr. Andrea Sowislok
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 528251468

Knochenersatzmaterialien und metallische Implantate sind Biomaterialien, die am Knochen des Menschen eingesetzt werden und dort Funktionen des Stütz- und Bewegungsorgans übernehmen (Endoprothesen, Platten, Marknägel etc.). Bei der sog. zementfreien Verankerung dieser Werkstoffe kommt es zu einer direkten Interaktion mit dem knöchernen Implantatlager und damit zur Beeinflussung des lokalen Knochenumbaus (Regeneration, Resorption). Für eine Einheilung mit frühzeitiger Wiederbelastung ist die rasche Stimulation der Knochenneubildung an der Biomaterialgrenzfläche eine Grundvoraussetzung. Die lokalen humoralen und zellulären Mechanismen in situ, die nach dem ersten intraoperativen Knochenkontakt bis hin zur belastungsstabilen Osseointegration ablaufen, sind komplex und im Detail noch nicht vollständig aufgeklärt. Sie folgen einer Stringenz aus Proteinadsorption, zellulärer Migration, Proliferation, Biomineralisation und sich anschließenden Knochenumbauprozessen. Die genaue Kenntnis über die Zusammensetzung der Proteinschicht, die bereits innerhalb weniger Minuten in situ an das Biomaterial adsorbiert, kann dazu beitragen, die anschließende Reaktion der knöchernen Mikroumgebung auf die Biomaterialoberfläche zu verstehen und vorherzusagen. In der Literatur wird initial die Adsorption von Plasmaproteinen an das Biomaterial beschrieben. Diese Annahme konnten wir in Vorarbeiten bereits dadurch wiederlegen, dass in dem Proteom der an Hüftschäften adsorbierten Proteine hauptsächlich intrazelluläre Proteine gebunden wurden und nur 9% der gefundenen Proteine dem Plasmaproteom zugeordnet werden konnten. Auch eine Inkubationszeit im Minutenbereich ist für die Qualität und Quantität dieser Proteinschicht nicht relevant. Unterschiede in der Proteinzusammensetzung konnten hauptsächlich auf unterschiedlichen Implantatoberflächen gefunden werden. Diese Ergebnisse legen nahe, dass sich die adsorbierte Proteinschicht auf unterschiedlichen Materialien verändert. Jedoch ist bisher unbekannt, ob es möglicherweise ein „Grund-Implantom“ gibt, dass patienten- und materialunspezifisch ist. Auch der Einfluss auf die Proteinzusammensetzung einer deutlichen Verlängerung der Inkubationszeit und einer Erniedrigung der Temperatur wurde bisher noch nicht genauer untersucht. Dieses soll in diesem Antrag durch die Einführung einer experimentellen Zwischenstufe zwischen Patient und Labor realisiert werden. Zusätzlich soll untersucht werden, ob die an das Biomaterial adsorbierten Proteine die osteogene Differenzierung von mesenchymalen Stromazellen (MSCs) stimulieren und so möglicherweise die Osseointegration fördern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Marcus Jäger