Überwindung gestörter Knochenregeneration bei Diabetes

Knochendefekte von kritischer Größe sind in der Oralen Chirugie vor allem dann besonders anspruchsvoll, wenn die Heilung durch Grunderkrankungen beeinträchtigt ist. Dies ist bei PatientInnen mit Diabetes der Fall, deren Zahl stark am Ansteigen ist. Genau bei diesen PatientInnen besteht ein Bedarf die Knochenbildung durch neue Strategien zu fördern. Wir verfolgen hier eine neuartige Strategie, mit dem Ziel die Knochenregeneration bei DiabetierInnen zu verbessern, in dem wir Knochenersatzmaterial mit pro-angiogenen small molecules kombinieren. Diese Strategie basiert auf zwei Argumenten: (i) Die Angiogenese ist das Fundament der Knochenbildung (ii) Die Angiogenese ist bei Diabetikern gestört. Pro-angiogene Strategien mit rekombinanten Wachstumsfaktoren sind teuer und die Moleküle sind empfindlich gegenüber Abbau. Wir nutzen deshalb stabile small molecules: Prolylhydroxylase (PHD)- Inhibitoren. Diese Moleküle stimulieren die Angiogenese und unterstützen damit die Knochenregeneration. PHD-Inhibitoren fördern auch die Wundheilung im diabetischen Tiermodell. Die wiederholte Anwendung der PHD-Inhibitoren, wie sie in diesen Modellen durchgeführt wurde, ist für die Oralen Chirurgie aber nicht angemessen. Wir planen daher einen One-Step-Ansatz in dem PHD- Inhibitoren zusammen mit Knochenersatzmaterialien eingesetzt werden. Wir planen die Kombination von Knochenersatzmaterial mit PHD-Inhibitoren im Hinblick auf die Fähigkeit, VEGF in vitro zu fördern zu optimieren um so die Knochenregeneration zu steigern - speziell in Anbetracht der kompromittierten Heilung in einem diabetischen Modell. Um dieses Ziel zu erreichen, verfolgen wir zwei spezifische Ziele: Spezifisches Ziel 1: Wahl der geeignetsten Kombination von PHD-Inhibitoren mit Knochenersatzmaterial um die VEGF Produktion in vitro zu steigern. Die PHD-Inhibitoren Dimethyloxaloylglycin, Desferrioxamin, L-Mimosin und Kobaltchlorid werden auf anorganische Knochenersatzmaterialien gefriergetrocknet. Das beste Ergebnis erzielt die Kombination bei welcher der PHD-Inhibitor langsam aus anorganischem Knochenersatzmaterial freigesetzt wird und eine maximale Steigerung von VEGF in parodontalen Fibroblasten bewirkt. Dieser Teil des Projekts wird in Ann Arbor, MI, USA durchgeführt werden. Die zwei Kombinationen an PHD-Inhibitoren mit Knochenersatzmaterial welche das beste Ergebnis erzielen, werden dann in einem Knochenregeneration Modell getestet. Hierzu bietet mir Prof. Giannobile die Möglichkeit in seinem Labor in Ann Arbor, MI, USA, an einem laufenden Projekt zur Knochenregeneration mitzuarbeiten. Diese Praxis wird mir bei der Durchführung der kommenden In-vivo-Studie für das spezifinsche Ziel 2 in Wien, Österreich, von immensem Nutzen sein. Spezifisches Ziel 2: Einfluss der Kombinationen von PHD-Inhibitoren mit anorganischen Knochenersatzmaterial auf die Knochenregeneration im diabetischen Schädelkalotten-Defektmodell. Die PHD-Inhibitoren werden auf anorganischen Knochenersatzmaterial gefriergetrocknet und der Einfluss auf die Knochenregeneration in einem Schädelkalotten-Defektmodell bei diabetischen Ratten getestet. Die Knochenregeneration wird durch Mikro- Computertomographie, Histologie und Histomorphometrie beurteilt. Dieser Teil des Projekts wird in Wien, Österreich, durchgeführt. Zusammengefasst wird unsere Studie dazu beitragen, die Knochenregeneration unter diabetischen Bedingungen zu verbessern. Diese "proof-of-Concept"-Studie wird so in Zukunft dazu Beitragen die Behandungsstrategien von diabetischen PatientInnen in der Oralen Chirurgie zu verbessern.

Knochendefekte von kritischer Größe stellen in der Oralen Chirurgie vor allem dann eine besonders anspruchsvolle Situation dar, wenn die Heilung durch Grunderkrankungen beeinträchtigt ist. Dies ist bei PatientInnen mit Diabetes der Fall und deren Zahl ist stark am Steigen. Genau bei diesen PatientInnen besteht ein Bedarf, die Knochenbildung durch neue Strategien zu fördern. In diesem Projekt verfolgten wir eine neuartige regenerative Strategie, mit dem Ziel die Knochenheilung bei DiabetikerInnen zu verbessern, indem wir Knochenersatzmaterial mit pro-angiogenen Prolylhydroxylase-Inhibitoren kombinieren. Diese Strategie basiert auf zwei Argumenten: (i) Die Angiogenese ist das Fundament der Knochenbildung (ii) Die Angiogenese ist bei Diabetikern gestört. Pro-angiogene Strategien mit rekombinanten Wachstumsfaktoren sind teuer. Weiters sind diese Moleküle auch empfindlich gegenüber Abbau. Wir nutzen hier deshalb stabile Prolylhydroxylase-Inhibitoren. Diese Moleküle stimulieren Angiogenese und unterstützen damit die Knochenregeneration in präklinischen Studien und fördern auch die Wundheilung im diabetischen Tiermodell. Die wiederholte Anwendung der Prolylhydroxylase-Inhibitoren, wie sie in diesen Modellen durchgeführt wurde, ist für die Orale Chirurgie jedoch nicht angemessen. Deshalb verfolgten wir hier eine One-Step-Strategie in der Prolylhydroxylase-Inhibitoren zusammen mit Biomaterialien eingesetzt werden. Wir untersuchten die Kombination von Knochenersatzmaterial und Kollagenmembranen mit Prolylhydroxylase-Inhibitoren im Hinblick auf die Fähigkeit, die Produktion von pro-angiogenen Vascular Endothelial Growth Factor in oralen Zellen zu fördern. Es zeigte sich in Bioassays mit oralen Zellen, dass die von Knochenersatzmaterialen und Kollagenmembranen freigesetzten Prolylhydroxylase-Inhibitoren die proangiogene Kapazität behalten. Eine schnellere Freisetzung von Prolylhydroxylase-Inhibitoren wurde bei Kollagenmembranen festgestellt. Simulierung der in vivo Situation, wo Knochenersatzmaterialien im Knochendefekt in der fibrinhaltigen Matrix des Blutklots eingebettet sind, zeigen, dass hier die Freisetzung der Prolylhydroxylase-Inhibitoren noch weiter verlängert wird. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass die Prolylhydroxylase-Inhibitoren die katabole Aktivität von oralen Zellen sowie den Knochen-abbauenden Osteoklasten hemmen können. Basierend auf diesen Ergebnissen haben wir den Effekt von Knochenersatzmaterial, welches mit Prolylhydroxylase-Inhibitoren beladenen wurde, auf die Bildung von Blutgefäßen und die Knochenheilung im diabetischen Rattenmodell untersucht. Es zeigt sich, dass der Prolylhydroxylase-Inhibitor Dimethyloxaloylglycine die Dicke der einsprossenden Blutgefäße fördert, die Knochenheilung aber unverändert lässt. Desferrioxamine zeigte keine signifikanten Effekte.Zusammengefasst trägt unsere Studie zur Entwicklung neuer Therapiestrategien bei, welche die Knochenregeneration unter diabetischen Bedingungen verbessern. Im Zuge dieses Projektes konnten wir weiters neue Ex-Vivo 3-D-Kultur-Modelle etablieren, die in Zukunft unserem Verständnis der zellulären Mechanismen der Regeneration von oralen Gewebe beitragen werden. Das gewonnene Wissen und Know-How wird damit die Entwicklung von neuen personalisierten Behandlungsansätzen, speziell für diabetische Patienten vorantreiben.