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Es gibt klinische Hinweise, dass die Frakturheilung bei polytraumatisierten Patienten gestört ist. Eine der Ursachen könnte die posttraumatische systemische Inflammation darstellen. Das Thoraxtrauma ist eines der häufigsten und zugleich kritischsten Begleitverletzungen, da es verglichen mit anderen Verletzungen zu einer stärkeren systemischen Inflammation führt. Diese systemische Inflammation ist gekennzeichnet durch die Freisetzung von pro inflammatorischen Zytokinen, einer starken Aktivierung der Komplementkaskade und einer dadurch hervorgerufenen Überaktivierung von Immunzellen, was zu einer Schädigung von Organen führt, die initial nicht vom Trauma betroffen waren. Daher stellte sich in dieser Arbeit die Frage, ob die posttraumatische systemische Inflammation der Grund für die klinisch beobachtete Frakturheilungsverzögerung bei polytraumatisierten Patienten darstellt. Des Weiteren wurde der therapeutische Ansatz verfolgt, die Frakturheilungsstörung nach schwerem Trauma durch die Immunmodulation der systemischen Inflammation mittels eines spezifischen C5aR Antagonisten aufzuheben. In Ratten wurde eine Femurosteotomie erzeugt und mittels eines Fixateurs externe stabilisiert. Die Hälfte der Tiere erhielt ein stumpfes Thoraxtrauma. Den Tieren wurde postoperativ Blut entnommen, um die systemische Inflammation nachzuweisen. Um die Frakturheilung nach Thoraxtrauma zu untersuchen, wurden die Kalli nach einer Heilungszeit von 35 Tagen biomechanisch sowie strukturell durch mikrocomputertomographische Messungen und Histomorphometrie analysiert. Um die C5a-vermittelte systemische Inflammation zu inhibieren und somit die Frakturheilung zu verbessern, erhielt eine weitere Tiergruppe unmittelbar und 12 h nach dem Thoraxtrauma einen spezifischen C5aR Antagonisten. Diese Arbeit konnte zeigen, dass das stumpfe Thoraxtrauma und die resultierende systemische Inflammation zu einer drastischen Frakturheilungsverzögerung führte, was durch eine signifikant verminderte Biegesteifigkeit in Verbindung mit einem signifikant kleineren Kallus mit schlechterer Knochenstruktur und weniger neugebildetem Knochen im Frakturspalt gezeigt werden konnte. Die Immunmodulation mittels eines C5aR-Antagonisten konnte den negativen Effekt des stumpfen Thoraxtraumas auf die Frakturheilung vollständig aufheben, möglicherweise durch die Normalisierung der Anzahl und/oder Funktion von Immun- und Knochenzellen lokal im Frakturheilungsgebiet. C5a stellt daher ein therapeutisches Ziel zur Vermeidung von Frakturheilungsstörungen polytraumatisierter Patienten dar.

Die Behandlung zerstörter Gewebe- und Organstrukturen nach akuten Verletzungen oder chronischen Krankheitsverläufen hat sich zu einer enormen Belastung für das heutige Gesundheitswesen entwickelt. Neue Konzepte der Geweberekonstruktion durch Tissue Engineering führten in den letzten Jahren zu einer erheblichen Verbesserung der Behandlungsmöglichkeiten. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Charakterisierung einer genaktivierten Fibrinmatrix zur lokalen Expression des Wachstumsfaktors epidermal growth factor (EGF). Das Konzept beinhaltet die gemeinsame Applikation autologer Keratinozyten und nicht-viraler Genvektoren mit PEI in Form einer injizierbaren Fibrinkleberzubereitung. Durch Variationen von PEI-Struktur, N/P-Ratio und dem Zusatz des abschirmenden Hüllpolymers P6YE5C wurde das Transfektionsverhalten unterschiedlicher Genvektorformulierungen in der Fibrinmatrix untersucht. Durch den Einsatz von fluoreszenzmarkierten Genvektoren wurde der Transfektionsverlauf innerhalb der Matrix visualisiert und dokumentiert. Größere Mengen ungeschützter Genvektoren führten in Fibrin trotz ihres toxischen Potentials zu hohen Genexpressionen. Ein protektiver Effekt durch den Zusatz des schützenden Hüllpolymers P6YE5C schien in Fibrin als nicht zwingend notwendig. Daraufhin wurde ein möglicher Einfluss der Fibrinmatrix auf Genvektorformulierungen untersucht. Erste Vorversuche in Zellkultur zeigten eine Steigerung des Transfektionspotentials nicht-viraler Genvektoren mit PEI nach Vorinkubation mit einer Fibrinogen-Lösung. Aus der Perspektive einer kommerziellen Anwendung heraus wurde ein lagerungsfähiges Lyophilisat aus genaktiviertem Fibrinogen entwickelt, das zum Versuchszeitpunkt als Fibrinklebervorstufe mit Wasser rehydratisiert und gemeinsam mit Thrombin zur Herstellung der genaktivierten Fibrinmatrix eingesetzt werden konnte. Der Einsatz des schützenden Hüllpolymers P6YE5C hatte dabei einen entscheidenden Einfluss auf die unmittelbare Verfügbarkeit der eingesetzten Genvektoren. Für die Regeneration von Knochenbrüchen bleibt dagegen der Einsatz medizinischer Implantate von entscheidender Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wird in einem weiteren Ansatz die Entwicklung und Charakterisierung genaktivierter Polymerfilme aus PDLLA und PLGA zur Beschichtung medizinischer Implantate beschrieben. Die neue Grenzfläche zwischen Implantat und Knochenstruktur soll zur lokalen Transfektion und Expression therapeutischer Gene dienen. Dafür wurden nicht-virale Genvektoren lyophilisiert und als Dispersion in organischen Lösungen der Polymere PDLLA und PLGA auf resistente Oberflächen aufgetragen und getrocknet. Die Besiedelung der verbliebenen Polymerfilme mit Zellen führte über den direkten Kontakt mit genaktivierten Polymerstrukturen zur Expression des eingesetzten Gens. Durch Variation von Polymer- und Genvektormenge wurde anhand der gemessenen Genexpressionen sowie der metabolischen Aktivität transfizierter Zellen das System optimiert. Die Bestimmung der Transfektionseffizienz sowie des Freisetzungsverhaltens formulierter Genvektoren diente zur Charakterisierung der genaktivierten Polymeroberflächen aus PDLLA und PLGA. Trotz struktureller Ähnlichkeiten der eingesetzten Filmbildner zeigte sich das Freisetzungsverhalten aus PDLLA gegenüber PLGA abhängig der eingesetzten Polymer- und Genvektormengen. Das Beschichtungsprinzip konnte ebenfalls für die Aktivierung von Folien aus Aluminiumlegierung eingesetzt werden und führte zur Expression des therapeutischen Gens bone morphogenic protein-2 (BMP-2). Die Verwendung von Poly-[Tyrosincarbonaten] als strukturelle Alternative zu PDLLA bzw. PLGA führte zu keiner Genexpression. Hohe medizinische Anforderungen und individuelle Interaktionen einzelner Matrixkomponenten machen genaktivierter Biomaterialien zu komplexen Applikationsformen der regenerativen Medizin. Kleinste Veränderungen im komplexen Verbund aus Matrixstrukturen, Genvektoren und Zielzellen können drastische Effekte im Gesamtsystem verursachen. Abhängig von Indikation und Materialeigenschaften müssen die Formulierungen individuell angepasst und optimiert werden. Wird dieser Arbeitsaufwand investiert, bietet der Einsatz genaktivierter Biomaterialien gegenüber herkömmlichen Behandlungsformen großes therapeutisches Potential.

Unter dem Aspekt der Darstellung kindlicher Skelettmetastasen sollten kernspintomographische Ganzkörper-Untersuchungen in der STIR-Sequenz mit den Befunden aus der Skelettszintigraphie retrospektiv verglichen werden. Dazu werteten zwei unabhängige erfahrene Beobachter die Aufnahmen aus je 22 Ganzkörper-STIR-Magnetresonanztomographien bzw. Skelettszintigraphien aus, die jeweils während eines Gesamtzeitraumes von 30 Monaten an elf Patienten entstanden waren. Direkt korreliert wurden die Untersuchungen der Ganzkörper-STIR-MRT bzw. der Skelettszintigraphien, die jeweils innerhalb eines Zeitintervalls von maximal drei Wochen stattgefunden hatten. Die Kinder im Alter zwischen einem und 15 Jahren befanden sich aufgrund ihrer malignen Grunderkrankung (4 Rhabdomyosarkome, 2 Osteosarkome, 1 Ewing-Sarkom, 1 PNET, 1 undifferenziertes Sarkom, 1 Malignes Lymphom, 1 T-Zell-Lymphom) in stationärer Behandlung bzw. Nachbehandlung. Das Protokoll der Ganzkörper-STIR-MRT umfasste das gesamte Skelett, nicht abgebildet waren die distalen Abschnitte der Extremitätenknochen. Die Beurteilung der ossären Einzelläsionen erfolgte unter dem Gesichtspunkt „positiv“ bzw. „negativ“ in Bezug auf eine mögliche Knochenmetastase. In analoger Weise wurden die STIR-MRT und Szintigraphien getrennt voneinander ausgewertet. Ein Herd wurde in der Ganzkörper-STIR-MRT bei Vorliegen einer pathologischen fokalen Signalhyperintensität als positiv bewertet. In der Skelettszintigraphie galt die fokale Mehrspeicherung des Radiopharmakons als Kriterium für einen positiven Befund. Die Ergebnisse der einzelnen Modalitäten wurden zusätzlich im Rahmen einer kombinierten Befundung bewertet. In den Fällen mit diskrepanten Untersuchungsergebnissen wurde im Konsens aufgrund des höheren Wertes der diagnostischen Sicherheit entschieden. Als Goldstandard dienten die Verlaufskontrolle über sechs Monate und der histologische Nachweis. Die Gesamtzahl aller beschriebenen Knochenherde lag bei 118 Läsionen. Die Sensitivität der Ganzkörper-STIR-MRT lag mit 89 % deutlich über der Sensitivität der Skelettszintigraphie (50%). Dagegen betrug die Spezifität der Ganzkörper-STIR-MRT nur 48 %, während sie bei der Skelettszintigraphie einen Wert von 75% erreichte. Durch die kombinierte Befundung konnte die Spezifität auf 87% verbessert werden. Falsch-negative Befunde der Ganzkörper-STIR-MRT beruhten auf patienten- bzw. technisch bedingten Bildartefakten im Bereich der Wirbelsäule, in zwei Fällen war die erschwerte Beurteilbarkeit der Knochenstruktur im Rippenthorax die Ursache für eine Fehlinterpretation. Signalanhebungen durch unspezifische intraossäre ödematöse Veränderungen, entzündliche Prozesse, Epiphysenfugen und schichtführungsabhängige Gelenkanschnitte führten zu falsch-positiven MRT-Befunden. Die falsch-negativen Befunde der Skelettszintigraphie waren auf den initialen Befall des Knochenmarks bzw. auf eine noch fehlende Kortikalisbeteiligung zurückzuführen. Entzündlich bedingte, posttraumatische, postoperative sowie durch Fehlbelastung induzierte ossäre Mehrspeicherungen waren die Hauptursachen der falsch-positiven skelettszintigraphischen Befunde. Die Ganzkörper-STIR-MRT erbrachte nach den vorgelegten Ergebnissen bei vergleichbarem Zeitaufwand und fehlender Strahlenexposition gegenüber der Skelettszintigraphie eine deutlich höhere Sensitivität bei der Detektion ossärer Metastasen; sie erscheint damit geeignet für ein Knochenmetastasen-Screening bei Kindern mit maligner Grunderkrankung.