Osteogenese unter dem Einfluß ionisierender Bestrahlung in vitro

Zusammenfassung

Die postoperative Bestrahlung ist als wirksames Prinzip zur Prävention heterotoper Ossifikationen nach Implantation einer Endoprothese allgemein anerkannt. Über den Einfluß der Bestrahlung in dieser Indikation auf die Proliferation von reifen Osteoblasten und ihrer potentiellen Vorläuferzellen ist dagegen noch wenig bekannt. Ebenso ist noch weitgehend unklar, wie die Matrixsynthese und deren sekundäre Mineralisation bei bereits vorhandenen Knochenzellen durch die Bestrahlung beeinflußt werden. Wir untersuchten deshalb die Wirkung von unterschiedlichen Dosen ionisierender Bestrahlung auf die oben genannten Teilschritte der Osteogenese in einem etablierten Zellkultursystem an Zellen der juvenilen Ratte. Die Strahlenwirkung auf Calvarienosteoblasten, Fibroblasten und stromale Knochenmarkszellen wurde mittels Koloniebildungstest, MTT-Vitalitätstest, Zellzählung, Bestimmung des zel lulären Proteingehalts und der Aktivität der alkalischen Phosphatase sowie der In-vitro-Mineralisation quantifiziert. Ionisierende Bestrahlung führt zu einer dosisab hängigen Suppression der klonogenen Aktivität aller untersuchten, mitotisch aktiven Zellen. Die metabolische Aktivität sowie die Matrixsynthese sind nicht vermindert. Ebenso werden die Expression der alkalischen Phosphatase und die In-vitro-Mineralisation nach Erreichen einer höheren Zelldichte nicht erkennbar gestört. Die In-vitro-Ergebnisse legen eine Hemmung der Invivo-Osteogenese in ihrer frühen Phase entsprechend dem zytostatischen Effekt der Bestrahlung nahe. Eine postoperative Bestrahlung nach endoprothetischem Gelenkersatz zur Prophylaxe heterotoper Ossifikationen muß deshalb so früh wie möglich erfolgen. Die Homöostase des normalen, orthotopen Knochens scheint durch örtliche Niedrigdosisbestrahlung dagegen wenig beeinträchtigt zu werden.

Abstract

Irradiation is a well established therapeutical concept to prevent heterotopic ossification after Joint replacement. The influence of irradiation on proliferation of mature osteoblasts and their potential osteoprogenitors, matrix formation and mineralization are not well known in this setting. We therefore studied the effect of different doses of ionizing irradiation on the several steps of Osteogenesis in vitro, using cells isolated from the juvenile rat. A colony forming test, the MTT-viability assay, a cell count, measurement of the cellular protein content and alkaline Phosphatase activity, as well as determination of in vitro mineralisation have been applied to calvarian osteoblasts, fibroblasts and stromal bone marrow cells. Irradiation results in a dose-dependent suppression of clonogenic activity in all mitotically active cells, but metabolic activity and matrix synthesis were not impaired. In dense cultures alkaline Phosphatase expression and in vitro mineralisation were not significantly affected by irradiation. Our experimental in vitro data suggest that irradiation inhibits the initial phase of in vivo Osteogenesis due to the cytostatic effect. Postoperative irraditation after THR must therefore take place as early as possible. The homoeostasis of normal, orthotopic bone does not seem to be severely affected by local low-dose irradiation.

Schlüsselwörter

Osteogenese - ionisierende Bestrahlung - Mitogenese - alkalische Phosphatase - In-vitro-Mineralisation

Key words

Osteogenesis - ionising irradiation - mitogenesis - alkaline phospatase - in vitro mineralisation