Integration vs. Desintegration – Die Rolle der Membran in der gesteuerten Knochenregeneration

Eine Fallstudie von Sarah Al-Maawi und Shahram Ghanaati

In der Oral- und Kieferchirurgie wird die gesteuerte Knochenregeneration (GBR) sehr häufig angewendet, um bei mangelndem Knochenangebot die Insertion dentaler Implantate vorzubereiten bzw. zu ermöglichen.

Dieses Konzept hat sich in den letzten Jahrzehnten als eine zuverlässige Behandlungsmethode mit langfristigen klinischen Erfolgen etabliert [1]. Die GBR-Technik sieht vor, applizierte Knochenersatzmaterialien mithilfe einer Membran gegen das umgebende Gewebe abzugrenzen, um dem Augmentat ausreichend Raum für die Knochenregeneration zu bieten und das Einwachsen schnellproliferierenden Weichgewebes zu verhindern [2]. Die Verwendung von Membranen ist auf Behandlungskonzepte der Parodontologie aus den neunziger Jahren zurückzuführen [3,4]. Diese oft nicht resorbierbaren „Folien“, auf Basis von Polytetrafluorethylen [PTFE], beinhalten den Nachteil, dass sie durch einen zusätzlichen chirurgischen Eingriff wieder entfernt werden müssen [5].

Mit dem Fortschritt der Biomaterialforschung wurde das Angebot verwendbarer Materialien durch unterschiedliche resorbierbare Membranen und Matrices, häufig auf Kollagenbasis, umfänglich ergänzt [6]. Aufgrund ihres ubiquitären Vorkommens und ihrer biologischen Vorteile eignen sich diese Materialien besonders für die klinische Anwendung.

Bedingt durch die sich immer weiterentwickelnden Materialien, chirurgischen Techniken und komplizierteren Anwendungen stellt sich die Frage, ob die vielen auf dem Markt befindlichen Membranen den Ansprüchen bezüglich Stabilität, Funktionalität und Biokompatibilität gerecht werden.

Aktuelle Forschungsergebnisse

An der Klinik für Mund- Kiefer- und Plastische Gesichtschirurgie (MKPG) des Universitätsklinikums der Goethe-Universität, Frankfurt am Main (Direktor: Prof. Dr. mult. Robert Sader), werden genau diese klinkrelevanten Zusammenhänge seit mehr als zehn Jahren unter der Leitung von Prof. Dr. mult. Shahram Ghanaati (stellvertretender Klinikdirektor und Leiter des Forschungslabors) in einem Forschungsteam bestehend aus praktizierenden Klinikern und Naturwissenschaftlern im FORM-Lab (Frankfurt Orofaci- al Regenerative Medicine, Forschungslabor der MKPG) erforscht. In einer systematischen translationalen Forschungskette, be- stehend aus in vitro-, in vivo- und klinischer Forschung, beschäftigt sich das Team mit den Mechanismen der biomaterialbasierten Regeneration und möglichen Immunreaktionen [7].

Die materialinduzierte Gewebeantwort hat einen enormen Einfluss auf die Geweberegeneration

Das Hauptaugenmerk der durchgeführten Untersuchungen liegt auf dem Verständnis der Gewebeantwort auf kollagenbasierten Membranen und Matrices unterschiedlicher Herkunft im Vergleich zu den nicht resorbierbaren Membranen auf PTFE- Basis. Sowohl in unterschiedlichen in vivo- als auch in klinischen Studien konnte nachgewiesen werden, dass die biomaterialinduzierte Gewebeantwort einen enormen Einfluss auf den Verlauf des Heilungs- und Regenerationsprozesses hat [7]. Dabei konnte die Funktionsweise der resorbierbaren kollagenbasierten Membranen aufgeschlüsselt werden [8].

Die Daten der letzten zehn Jahre zeigen, dass die hervorgerufene Zell- und Immunantwort nicht nur vom applizierten Material (synthetisch oder natürlich) abhängt. Weitere wichtige Einflussfaktoren sind neben den physikalischen und chemischen Eigenschaften auch die unterschiedlichen Herstellungsprozesse der Biomaterialien. Zu den mitentscheidenden Parametern gehören unter anderem die Materialdicke, Quervernetzung, Faserdicke, Porosität, Hydrophilie, Polarität, Oberflächenbeschaffenheit, strukturelle Zusammensetzung und das Absorptionsverhalten. Diese Eigenschaften entstehen während der Prozessierung und Herstellung des Biomaterials und werden durch die Reinigungsverfahren und Sterilisationsverfahren entscheidend beeinflusst [9].

Mehr als 100 unterschiedliche Biomaterialien auf das Degradationsmuster untersucht

Im FORM-Lab wurden bereits mehr als 100 unterschiedliche Biomaterialien systematisch untersucht. Dabei wurde das Regenerationsmuster der Biomaterialien auf Zellebene aufgeschlüsselt, was zum Verständnis des Degradationsmusters unterschiedlicher kollagenbasierter Materialien und der Funktionsweise nicht resorbierbarer Membranen führte.

Interessanterweise stellen nicht resorbierbare Membranen auf PTFE-Basis eine eher passive physikalische Barriere dar und erhalten ihre okklusive Funktion über einen langen Zeitraum hinweg (mehr als 180 Tage) [8,10]. Dabei wird diese Membranart durch die induzierte Zellreaktion inflammatorischer Zellen eingekapselt und isoliert (Abb. 1a)[8]. Je nach Oberflächenbeschaffenheit bilden sich an der Membranoberfläche unterschiedliche Kapselstrukturen (dünn und locker oder dick und dicht), die wiederum unterschiedlich stark an der Oberfläche der Membran haften können. Die Qualität und Struktur der gebildeten Kapsel ist für die Klinik von hoher Bedeutung. Sie ist mitentscheidend, ob sich die nicht resorbierbare Membran schwer oder einfach wieder entfernen lässt.

Die Zellreaktion und die daraus resultierenden Regenerations- bzw. Degradationsmuster auf resorbierbare, vor allem auf kollagenbasierte Membranen und Matrices, zeigt gänzlich andere Mechanismen. Entscheidend ist dabei die physikalisch chemische Beschaffenheit des entsprechenden Biomaterials [8,11].

Initial akkumulieren inflammatorische Zellen auf der Oberfläche der Membran oder Matrix [12-14]. Hierbei handelt es sich zunächst um physiologisch agierende mononukleäre Zellen wie Leukozyten, Monozyten, Makrophagen, Lymphozyten und später Fibroblasten [12–14]. Da die Materialien eine gewisse Porosität und Resorbierbarkeit aufweisen, wandern die Zellen je nach Ma- terialbeschaffenheit unterschiedlich schnell in das Material ein und besiedeln zunächst seine oberflächennahen Bereiche [15].

Kollagenmembranen gleicher biologischer Herkunft zeigen unterschiedliche Zellreaktionen

Kollagenmembranen gleicher biologischer Herkunft (porzines Kollagen) verursachen teilweise unterschiedliche Zellreaktionen, die vor allem durch die Prozessierung der Oberfläche erklärbar sind [8,12,16,17]. Durch die Oberflächenbeschaffenheit des Materials, das unter Umständen als Fremdkörper erkannt wird, können aus den akkumulierten Makrophagen sogenannte multinukleäre Riesenzellen entstehen [7]. Untersuchungen haben nachgewiesen, dass biomaterialinduzierte multinukleäre Riesenzellen Fremdkörperzellen ähneln und ein hohes proinflammatorisches Potenzial besitzen [18–20].

Bedingt durch die Bildung dieser multinukleären Riesenzellen weisen eine Vielzahl der untersuchten Materialien ein anderes Regenerationsmuster auf als solche, die keine multinukleäre Riesenzellbildung verursachen [14].

Durch klinische Studien bestätigte Ergebnisse

Durch den beschriebenen Integrationsprozess behalten Kollagenmembranen und -matrices, die keine multinukleäre Riesenzellen induzieren, ihre initiale Struktur für etwa 60 Tage und werden sukzessive in das Implantationsbett eingebaut. Dieses Regenerationsmuster konnte sowohl in vivo als auch in klinischen Studien bestätigt werden.

In einer klinischen Studie wurde die nicht quervernetzte dreidimensionale Kollagenmatrix Mucograft (Geistlich Pharma AG) für Vestibulumplastiken ehemaliger Tumorpatienten eingesetzt [22]. Nach sechs bis acht Monaten zeigte die Matrix sehr gute funktionelle und ästhetische Ergebnisse. Die histologische Untersuchung der im Rahmen der Studie gewonnenen Proben zeigte das beschriebene Integrationsmuster [22]. Nach acht Monaten konnte die Matrix in den Proben nachgewiesen werden und zeigte nur mononukleäre Zellen, die zum Einbau der Matrix in das umliegende Gewebe beigetragen haben [22].

Vergleichbare Ergebnisse bezüglich der Materialintegration in das Umgebungsgewebe wurden in einer klinischen Studie beobachtet, bei der die resorbierbare Kollagenmembran Bio-Gide (Geistlich Pharma AG) zur Sinuslift Augmentation eingesetzt wurde [23].