A histological evaluation of the involvement of Bio-Oss® in osteoblastic differentiation and matrix synthesis
Eine histologische Auswertung des Einflusses von Bio-Oss® auf die Differenzierung von Osteoblasten und auf die Matrix Synthese
Abstract
enAbstract: This study was designed to investigate the responses of bone cells to a deproteinized bovine bone material, Bio-Oss® (Geistlich-Pharma, Wolhunsen, Switzerland), which was grafted in artificial bone defects of rat femurs. Standardized bone defects in the cortical bone of the right femurs were grafted with Bio-Oss® particles. Narrow penetrations were prepared on the bottom of the cavity, enabling osteogenic cells to migrate from the bone marrow. A defect in the left femur without Bio-Oss® was used as a control. The treated femurs were histochemically examined at 1, 3, 5, 7, and 14 days after the operation. At day 1, no osteogenic migration into the cavities occurred in either the control or experimental groups. At day 3, alkaline phosphatase (ALPase) immunohistochemistry showed a migration of the positive cells at the bottom of the cavities of the experimental groups, but not in the control ones. At day 5, new bone formation was recognized at the bottom of the cavity of both groups. In the experimental group, ALPase-positive cells were localized on Bio-Oss® and/or on the thin bone matrix that covered this material. The superficial layer of Bio-Oss® underlying the newly formed bone exhibited osteocalcin immunoreactivity. Transmission electron microscopy revealed osteoblasts depositing bone matrices – including collagen fibers – on the surface of Bio-Oss®. At days 7 and 14, woven bone occupied the previous cavities of both control and experimental groups, accompanied by osteoclasts. Thus, Bio-Oss® appears to serve as a scaffold for osteogenic cells as well as to promote osteoblastic differentiation and matrix synthesis.
Résumé
frCette étude a été effectuée afin d'analyser les réponses des cellules osseuses à un matériau bovin déprotéiné, le Bio-Oss® (Geistlich, Suisse) qui a été greffé dans des lésions osseuses artificielles au niveau des fémurs de rats. Des lésions osseuses standardisées de l'os cortical des fémurs droits ont été greffées avec des particules de Bio-Oss®. Des pénétrations étroites ont été préparées au fond de la cavité permettant aux cellules ostéogéniques de migrer à partir de la moelle osseuse. Une lésion dans le fémur gauche sans Bio-Oss® a été utilisée comme contrôle. Les fémurs traités étaient histochimiquement examinés un, trois, cinq, sept et quatorze jours après l'opération. Au jour 1, aucune migration ostéogénique n'était apparue dans les cavités ni dans les contrôles, ni dans les groupes expérimentaux. Au jour 3, l'immunohistochimie de la phosphatase alcaline (ALPase) a montré une migration des cellules positives à la base des cavités dans le groupe expérimental mais pas dans le contrôle. Au jour 5, une néoformation osseuse était aperçue dans le bas de la cavité des deux groupes. Dans le groupe expérimental des cellules positives ALPase étaient localisées sur le Bio-Oss® et/ou sur la fine matrice osseuse qui recouvrait ce matériau. La couche superficielle de Bio-Oss® sous-jacente à l'os néoformé exhibait une immunoréaction à l'ostéocalcine. La microscopie électronique à transmission a révélé des ostéoblastes déposant les matrices osseuses-incluant les fibres collagène-sur la surface du Bio-Oss®. Aux jours 7 et 14, de l'os spongieux occupait les anciennes cavités tant dans le groupe contrôle qu'expérimental, accompagné d'ostéoclastes. Le Bio-Oss® paraît donc servir d'échafaudage aux cellules ostéogéniques ainsi que de promoteur à la différenciation ostéoblastique et à la synthèse de la matrice.
Zusammenfassung
deDiese Studie wurde entwickelt, um die Antwort von Knochenzellen auf ein deproteiniertes bovines Knochenmaterial, Bio-Oss® (Geistlich-Pharma, Wohlhusen, Schweiz), zu untersuchen, welches in artifizielle Knochendefekte am Femur bei Ratten transplantiert wurde. Bio-Oss® Partikel wurden in standardisierte Knochendefekte im kortikalen Knochen des rechten Femurs transplantiert. Am Boden der Defekte wurde enge Perforationen präpariert, um die Migration von osteogenen Zellen aus dem Knochenmark zu ermöglichen. Ein Defekt im linken Femur wurde als Kontrolle ohne Bio-Oss® belassen. Die behandelten Femure wurden 1,3,5,7, und 14 Tage nach der Operation histochemisch untersucht. Nach 1 Tag fand weder bei der Test- noch bei der Kontrollgruppe eine osteogene Migration in die Kavitäten statt. Nach 3 Tagen konnte mittels alkalischer Phosphatase (ALPase) Immunohistochemie bei der Testgruppe eine Migration von positiven Zellen am Boden der Kavitäten nachgewiesen werden, während bei der Kontrollgruppe nichts stattfand. Nach 5 Tagen konnte bei beiden Gruppen am Boden der Defekte eine Knochenneubildung gesehen werden. Bei der Testgruppe waren die ALPase-positiven Zellen auf dem Bio-Oss® und/oder auf der dünnen Matrix, welche das Material bedeckte, zu finden. Die oberflächliche Bio-Oss® Schicht, welche unter dem neu gebildeten Knochen lag, zeigte Osteocalcin Immunoreaktivität. Das Transmissionselektronenmikroskop zeigte Osteoblasten, welche Knochenmartrix inklusive Kollagenfasern auf der Bio-Oss® Oberfläche ablagerten. Nach 7 und 14 Tagen waren die früheren Kavitäten sowohl bei der Kontroll- als auch bei der Testgruppe mit Geflechtknochen, begleitet von Osteoklasten, ausgefüllt. Bio-Oss® scheint als Gerüst für osteogene Zellen zu dienen und es scheint die osteoblastische Differenzierung und die Matrix Synthese zu fördern.
Resumen
esEste estudio se diseñó para investigar la respuesta de las células óseas a un material óseo bovino desproteinizado, Bio-Oss® (Geistlich-Pharma, Wohlhunsen, Switzerland), que fue injertado en defectos óseos de fémures de ratas. Se injertaron defectos óseos artificiales en la cortical de los fémures derechos con partícula de Bio-Oss®. Se prepararon penetraciones estrechasen el fondo de la cavidad, permitiendo a las células osteogénicas emigrar desde la médula ósea. Se uso de control un defecto en el fémur izquierdo sin Bio-Oss®. Los fémures tratados se examinaron histoquimicamente a los días 1, 3, 5, 7, y 14 tras la operación. Al día 1, no ocurrió migración osteogénica hacia las cavidades ni el los grupos de control ni en los experimentales. Al día 3, la inmunohistoquímica de la fosfatasa alcalina (ALPase) mostró una migración de células positivas en el fondo de las cavidades en los grupos experimentales, pero no en los de control. Al día 5, se reconoció formación de nuevo hueso en el fondo de la cavidad de ambos grupos. En el grupo experimental, las células ALPase positivas se localizaron en el Bio-Oss® y/o en la fina matriz ósea que cubrió este material. La cubierta superficial de Bio-Oss® bajo el hueso neoformado exhibió inmunorreactividad a la ostocalcina. La microscopía electrónica de transmisión reveló osteoblastos depositando matrices óseas – incluyendo fibras colágenas – en la superficie del Bio-Oss®. En los días 7 y 14, el hueso esponjoso ocupó las cavidades previas de los grupos tanto de control como experimental, acompañado de osteoclastos. De este modo, Bio-Oss® parece servir como estructura para las células osteogénicas al igual que para promover la diferenciación osteoblástica y la síntesis de la matriz.
