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Mechanische Stimulation

In Deutschland erleiden jährlich mehr als 1 Million Menschen einen Knochenbruch, von denen mehr als 10 Prozent nicht adäquat ausheilen und so die durchschnittliche Liegedauer der Patienten erhöht. Eine Möglichkeit der Therapie verzögerter Knochenbruchheilungen ist die Anwendung von gepulsten Ultraschallwellen mit niedriger Intensität (LIPUS). LIPUS ist von der FDA als nicht-invasive und nichtionisierende Therapie zur Heilung verschiedener Knochenbrüche zugelassen.Zahlreiche in-vivo-Studien bestätigen die wohltuende Wirkung und das knochenregenerative Potential.

Jedoch konnten in zahlreichen in vitro Studien die Fragen zu den Mechanismen der Effekte von LIPUS bislang noch nicht vollständig beantwortet werden. Hauptgründe dafür sind die Verwendung planar konstruierter Ultraschall-Wandler. Diese verursachen Schwierigkeiten bei der Wiedergabe der Stimulationsbedingungen und sind anfällig für verschiedene unerwünschte physische Artefakte.

In unseren experimentellen Arbeiten verwenden wir ein neuartiges "focused low intensity pulse" System (FLIPUS) welches eine direkte und exakte Applikation der gewünschten Dosis und gleichmäßige Anregung der zu stimulierenden Zellen gewährleistet.

Schematic representation of SAM500 cell stimulation set-up used for in-vitro FLIPUS experiments in 24- well cell-culture plates.

In ersten Experimenten konnte ein zuverlässiges System zur homogenen in vitro Stimulation knochenassoziierter Zellen etabliert werden. Mit einer Frequenz von 3,6 MHz, einer Pulswiederholung von 100 Hz, 10.000 Zyklen und einer Intensität (ISPTA ) von 20.9 mW/cm2 konnte, kultiviert unter suboptimalen Bedingungen, eine gesteigerte Proliferation von Ratten-MSCs (mesenchymale Stammzellen) und eine gesteigerte Expression knochenassoziierter Marker unter osteogenen Kultivierungsbedingungen erzielt werden.

Die Stimulation von MC3T3-Zellen der Maus führte zu einer Hochregulierung der early response-Gene und zu synergistischen Effekten auf die Phosphoryllierung von SMAD regulierten Transkriptionsfaktoren, wenn die Zellen mit BMP-2 co-stimuliert wurden. Weitere, noch nicht veröffentlichte Studien zeigen stimulierende Effekte auf die osteogene Differenzierung mesenchymaler Stammzellen in Abhängigkeit von ihrem Alter. So wirkten unterschiedliche LIPUS-Intensitäten in unterschiedlicher Stärke auf die Zellen.

Das Setup könnte ebenso für in vivo Stimulation und auch als Bild-gebendes Verfahren eingesetzt werden.