Transforming growth factor-β1 incorporated in calcium phosphate cement stimulates osteotransductivity in rat calvarial bone defects
Abstract
enAbstract: Bone regeneration of the alveolar crest around dental implants is an important factor in the success of implant use. Calcium phosphate cement can be used as a bone substitute and applied clinically as a paste to fill micro- and macroscopic bone defects. We have shown earlier that the intermixing of the recombinant human transforming growth factor-β1 (rhTGF-β1) in hardening calcium phosphate cement stimulated osteoblastic differentiation of rat primary bone cells in vitro. The aim of the present study was to examine whether the similar enrichment with rhTGF-β1 affects the replacement of calcium phosphate cement by bone (osteotransduction) in calvarial critical size defects (csd) of adult rats. Two bone defects of 5 mm diameter were created bilaterally in each skull of 10 adult male rats. Both defects were filled with 53 mg of calcium phosphate cement without rhTGF-β1 (control) at one side, and with 10 or 20 ng rhTGF-β1 at the other side. After 8 weeks, defects with surrounding skull were analysed histologically and histomorphometrically. The addition of rhTGF-β1 in the cement increased the amount of bone in rat skull defects. This finding coincidences with our in vitro observations, that intermixing of rhTGF-β1 in calcium phosphate cement stimulates bone cell differentiation. Addition of rhTGF-β1 stimulated bone formation as indicated by an increased bone volume of 50% and an increased bone/cement contact of 65%, in comparison to control defects with cement without rhTGF-β1. In addition, rhTGF-β1 reduced the remaining volume of cement, by 11% at 10 ng rhTGF-β1, and by 20% at 20 ng rhTGF-β1 in the cement. Defect closure was not affected. We conclude that the intermixing of rhTGF-β1 in a fast-setting calcium phosphate cement stimulates bone growth and the osteotransduction of the cement. For bone regeneration procedures around endosseous implants, calcium phosphate cement with rhTGF-β1 might be an appropriate combination for early osseointegration and implant use.
Résumé
frLa régénération osseuse du rebord alvéolaire autour des implants dentaires est un facteur important dans le succès de l’utilisation de l’implant. Le phosphate de calcium peut être utilisé comme substitut osseux et appliqué cliniquement comme une pâte comblant les lésions osseuses micro- et macroscopiques. L’apport du facteur de croissance recombinant humain β1 (rhTGF-β1) dans cette pâte peut stimuler la différentiation ostéoblastique des cellules osseuses primaires du rat, in vitro. Le but de l’étude présente a été d’examiner si un enrichissement semblable avec rhTHG-β1 affectait le remplacement du phosphate de calcium par de l’os (ostéotransduction) dans les lésions du calvaria de rats adultes. Deux lésions osseuses de 5 mm de diamètre ont été créées bilatéralement dans chaque crâne de dix rats mâles. Les lésions ont été remplies avec 53 mg de phosphate de calcium sans rhTGF-β1 (contrôle) d’un côté et avec 10 ou 20 ng rhTGF-β1 de l’autre côté (test). Après huit semaines ces lésions ont été analysées histologiquement et histomorphométriquement. L’addition de rhTGF-β1 augmentait la quantité d’os dans ces lésions. Cette découverte coïncide avec des observations précédentes in vitro signalant que le mélange avec du rhTGF-β1 augmentatit la différentiation de la cellulose osseuse. L’ajout de rhTGF-β1 stimulait la formation osseuse comme l’indiquent l’augmentation du volume osseux de 50% et un contact os-cément de 65% en comparaison avec les lésions contrôles. De plus, le rhTGF-β1 réduisait le volume restant de pâte de 11% avec 10 ng de rhTGF-β1 et de 20% avec 20 ng de rhTGF-β1. La fermeture de la lésion n’était pas affectée. Le mélange de rhTGF-β1 dans le phosphate de calcium stimule donc le croissance osseuse et l’ostéotransduction dans la pâte. Pour les processus de régénération osseuse autour des implants endo-osseux le phosphate de calcium contenant du rhTGF-β1 pourrait être une combinaison appropriée pour une ostéointégration et une utilisation précoces des implants.
Zusammenfassung
deDie Regeneration des Alveolarknochens um Zahnimplantate ist ein entscheidender Faktor bei der erfolgreichen Anwendung von Implantaten. Kalciumphosphatzement gilt als Knochenersatzmaterial und wird klinisch als Paste zur Füllung von mikro- und makroskopischen Knochendefekten eingesetzt. Früher schon hatten wir in vitro gezeigt, dass das Einmischen von einem synthetisierten menschlichen Wachstumsfaktor β1 (rhTGF-β1) in einen aushärtenden Phosphatzement die Osteoblastendifferenzierung aus Progenitorzellen der Ratte stimulieren. Das Ziel dieser Studie war zu untersuchen, ob eine ähnliche Anreicherung mit rhTGF-β1 den Ersatz von Kalziumphosphatzement mit Knochen (Osteotransduktion) bei Schädeldefekten kritischer Grösse bei erwachsenen Ratten beeinflusst. Bei jeder von 10 männlichen Ratten wurden beidseits in die Schädelkalotte zwei Knochendefekte von 5 mm Durchmesser präpariert. Beide Defekte wurden gefüllt mit 53 mg Kalziumphosphatzement, ohne rhTGF-β1 (Kontrollseite) auf der einen und mit 10 ng beziehungsweise 20 ng rhTGF-β1 versetzt auf der anderen Seite. Acht Wochen später wurden die Defekte mit den umliegenden Schädelanteilen histologisch und histomorphometrisch untersucht. Der Zusatz von rhTGF-β1 zum Zement steigerte den Knochenanteil in den Defekten der Rattenschädel. Diese Untersuchungsergebnisse stimmten mit unseren in vitro Beobachtungen überein, dass nähmlich das Beimischen von rhTGF-β1 zum Kalziumphosphatzement die Differenzierung von Knochenzellen fördert. Der Zusatz von rhTGF-β1 förderte die Knochenbildung um bis zu 50% und steigerte den Knochen-Zementkontakt um bis zu 65% verglichen mit Kontrolldefekten gefüllt mit rhTGF-β1-freiem Zement. Darüber hinaus baute der rhTGF-β1 das verbleibende Zementvolumen bei einem Anteil von 10 ng rhTGF-β1 im Zement um 11% und bei einem Anteil von 20 ng rhTGF-β1 um 20% ab. Der Defektverschluss wurde davon nicht beeinträchtigt. Wir schlossen daraus, dass das Einmischen von rhTGF-β1 in einen schnell abbindenden Kalziumphosphatzement das Knochenwachstum stimuliert und die osteotransduktive Wirkung des Zements steigert. Für die Knochenregeneration um enossale Implantate könnte der Einsatz von Kalziumphosphatzement versetzt mit rhTGF-β1 eine geeignete Kombination sein, um eine rasche Osseointegration von Implantaten zu bewirken.
Resumen
esLa regeneración de la cresta alveolar alrededor de los implantes dentales es un factor importante en el éxito del uso de implantes. El cemento de fostato cálcico puede ser usado como sustituto óseo y aplicado clínicamente como una pasta para rellenar defectos óseos micro y macroscópicos. Hemos mostrado previamente que la mezcla de factor-β1 transformante recombinante humano de crecimiento (rhTGF-β1) en el endurecimiento del cemento de fosfato cálcico estimula la diferenciación osteoblástica de las células óseas primarias de la rata, in vitro. La intención de este estudio fue examinar si el enriquecimiento similar con rhTGF-β1 afecta al reemplazo del cemento de fosfto cálcico con hueso (osteotransucción) en los defectos de tamaño crítico (csd) de la calvaria en ratas adultas. Se crearon dos defectos de 5 mm de diámetro bilateralmente en cada créneo de 10 ratas macho adultas. Ambos defectos se rellenaron con 53 mg de cemento de fosfato cálcico sin rhTGF-β1 (control) en un lado, y con 10 o 20 ng de rhTGF-β1 en el otro lado. Tras 8 semanas se analizaron los defectos con el cráneo circundante histológica e histomorfometricamente. La adición de rhTGF-β1 en el cemento incrementó la cantidad de hueso en los defectos del créneo de la rata. Estos hallazgos coinciden con nuestras observaciones in vitro, en la que la mezcla de rhTGF-β1 en cemento de fosfato cálcico estimula la diferenciación de células óseas. La adición de rhTGF-β1 estimuló la formación de hueso indicada por un aumento del volumen del 50% y un contacto hueso/cemento incrementado en un 65%, en comparación con los defectos de control con cemento sin rhTGF-β1. Además rhTHG-β1 redujo el volumen remanente de cemento en un 11% con 10 ng de rhTGF-β1 y en un 20% con 29 ng de rhTGF-β1 en el cemento. El cierre del defecto no se afectó. Concluimos que la mezcla de rhTGF-β1 en un cemento de fosfato cálcico de fraguado rápido estimula el crecimiento óseo y la osteotransducción para el cemento. Para los procedimientos de regeneración ósea alrededor de implantes endoóseos, el cemento de fosfato cálcico sin rhTGF-β1 puede ser una combinacijón apropiada para osteointegración temprana y uso en implantes.
