Biomaterials with a Bioactive Coating, for Application in Bone Tissue Engineering

De implantaten van de toekomst – extreme botbreuken

Is het mogelijk om de menselijke limieten te verleggen met behulp van nieuwe technologieën? Botgenezing is een dynamisch proces dat het lichaam in staat stelt zichzelf te herstellen. Desondanks zijn er limieten gesteld aan de genezingsmogelijkheid. Wanneer een extreme breuk van het bot wordt vastgesteld, zijn hulpmiddelen nodig om het skelet te genezen. In deze context worden verschillende biologisch afbreekbare materialen onderzocht, waaronder synthetische polymeren, die kunnen dienen als implantaten.

Een implantaat biedt mechanische ondersteuning aan ter hoogte van een breuk. Bovendien laat het de groei van botcellen over zijn oppervlak toe. Dit is echter onvoldoende om een volledige genezing te verkrijgen. Onderzoekers over de hele wereld zijn dan ook op zoek naar een mogelijke combinatie van verschillende systemen, zoals het materiaal van een implantaat, groeifactoren en/of stamcellen, die botgenezing kunnen versnellen. Groeifactoren zijn proteïnen die een rol spelen in de communicatie tussen specifieke cellen en op die manier bijbehorende processen activeren. Het bindingsvermogen van groeifactoren met het oppervlak van een implantaat is echter minimaal. Dit probleem kan opgelost worden door middel van een deklaag waarin groeifactoren geïncorporeerd kunnen worden. De IMBM-groep van het onderzoeksinstituut LMGP aan Grenoble INP (Frankrijk) is actief bezig met de optimalisatie van een dergelijk biologisch platform dat op eender welk implantaat geplaatst kan worden.

Biologisch platform

Het biologisch platform werd aangebracht op het oppervlak van een poly(melkzuur-co-glycolzuur) (PLGA) implantaat (figuur 1). De opbouw ervan bestaat uit een afwisselende afzetting van elektrisch geladen biopolymeren (figuur 1). De elektronische interacties tussen een positief geladen laag, poly(L-lysine), en een negatief geladen laag, hyaluronzuur, zorgen voor een stapsgewijze opbouw van een meerlagig platform. De stabiliteit van het biopolymeerplatform werd versterkt door de vorming van covalente bindingen. Afhankelijk van de hoeveelheid gevormde covalente bindingen wordt de stijfheid van het biologisch platform gecontroleerd.  De stijfheid speelt een rol in het vrijlatingsmechanisme van de geïncorporeerde groeifactoren, in dit geval het bot morfogenetisch proteïne-2 (BMP-2). BMP-2 stimuleert de vorming van nieuwe botcellen. Deze groeifactor is overigens positief geladen in fysiologische omstandigheden (pH 7,4), waardoor een sterke interactie met het biologisch platform wordt waargenomen. De vrijlating van BMP-2 wordt namelijk gecontroleerd door de aanwezige waterstofbruggen en elektronische interacties met het negatief geladen hyaluronzuur.

Modelexperiment:  extreme breuk dijbeen

Het vemogen van het voorgestelde systeem om een botbreuk te genezen, werd getest aan de hand van een modelexperiment. Een breuk van 6 mm werd nagebootst in het dijbeen van een rat. Het biologische platform werd afgezet op beide zijden van een holle PLGA cilinder. Deze werd gefixeerd ter hoogte van de breukzone. Gedurende 8 weken werd het effect van twee parameters – BMP-2 dosis en stijfheid van het biopolymeerplatform –geanalyseerd met betrekking tot de genezing van de breuk.

Zoektocht naar optimale omstandigheden

Uit een voorafgaand experiment, waarbij klassieke micro-computertomografie (micro-CT) werd gebruikt, was duidelijk dat zowel te lage als te hoge BMP-2 dosissen een negatief effect hebben op het botgenezingsproces. Bij te lage BMP-2 dosis was de breuk onvolledig geheeld. Daarentegen, bij te hoge BMP-2 dosis werd herhaaldelijk een ongecontroleerde cystevorming waargenomen. Een cyste is de verharding van een met bloed gevulde holte. Deze wordt gevormd als gevolg van de ontsteking die voortkomt uit de botbreuk. Dit kan een nefast effect hebben op de uiteindelijke stabiliteit van het gevormde bot. Daarnaast werden eveneens biologische platformen met een te hoge stijfheid geëlimineerd. De stabiliteit ervan verzwakte sneller waardoor ze minder perspectief boden voor een langdurige bewaring.

Hoge resolutie synchrotronstraling micro-CT analyse

In het Europese centrum voor synchrotronstraling (ESRF) kunnen X-stralen binnen een breed energiespectrum opgewekt worden. X-straling met een specifieke energie kan hieruit geselecteerd worden. Dit laat toe om het faseverschil van licht na interactie met een object te meten. Deze configuratie biedt een hogere signaal-ruisverhouding dan een meting gebaseerd op absorptie contrast. Bovendien is de golflengte van licht invers gekoppeld aan de energetische waarde. De geselecteerde hoog energetische X-stralen hebben dus een zeer korte golflengte. Hierdoor kunnen objecten, zoals de ruimtelijke organistatie van de botstructuur, met een grotere resolutie bestudeerd worden.

Genezing van de breuk

De hoeveelheid BMP-2 geïncorporeerd in het biopolymeerplatform had de grootste invloed op het genezingsproces van de breuk. Dit was voornamelijk zichtbaar door een verhoogde botgroei aan de buitenkant van de PLGA cilinder. De stijfheid van het biopolymeerplatform had weinig of geen invloed op de hoeveelheid nieuw gevormd bot in de breukzone. Daarentegen werd wel een verschil in botstructuur opgemerkt aan de binnenkant van de cilinder (figuur 2). Een hogere stevigheid van het platform resulteerde in een betere ontwikkeling van een netwerk van botstructuren binnen de PLGA cilinder. De ontwikkeling van een dergelijk poreus netwerk is vooral van belang in de beginfase van botgenezing. Het ondersteunt de ingroei van bloedvaten die de nodige voedingsstoffen leveren voor de verdere ontwikkeling van het bot.

Toekomstvisie

De resultaten van deze studie, met betrekking tot het botgenezingsproces, waren zeer hoopgevend. De botgroei in de zone van de extreme breuk werd aanzienlijk bevorderd met behulp van het biologisch platform. Echter, vooraleer nieuwe medische technologieën op de markt kunnen verschijnen is er nood aan voldoende data. Bijkomende preklinische studies (modelexperimenten op dieren) zijn dus noodzakelijk. Het vermogen van het biologisch platform om botbreuken te herstellen, zal verder onderzocht worden in een groter dier, namelijk in de onderkaak van een varken. Overigens zal onderzocht worden hoe het gehele systeem (biologisch platform in combinatie met PLGA implantaat) zich gedraagt ten opzichte van levend weefsel. Het is immers van belang dat het geen ontstekingsproces activeert waardoor een mogelijke afstoting van het implantaat zou kunnen optreden. Indien deze bijkomende studies de positieve resultaten van de huidige studie bevestigen, dan zijn de belangrijkste stappen gezet richting de commercialisering voor toepassingen in heelkundige ingrepen.