University of Oulu

Reindeer-derived bone protein extract in the healing of bone defects : evaluation of various carrier materials and delivery systems

Saved in:
Author: Tölli, Hanna
Organizations: University of Oulu, Faculty of Medicine, Institute of Biomedicine, Department of Medical Technology
University of Oulu, Faculty of Medicine, Institute of Clinical Medicine, Department of Surgery, Department of Orthopaedic and Trauma Surgery
Oulu University Hospital, Department of Surgery, Department of Orthopaedic and Trauma Surgery
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789514296611
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2011
Publish Date: 2011-11-29
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Faculty of Medicine of the University of Oulu for public defence in Auditorium 2 of Oulu University Hospital, on 9 December 2011, at 12 noon
Tutor: Professor Timo Jämsä
Professor Pekka Jalovaara
Reviewer: Professor Minna Kellomäki
Professor Jari Salo
Description:

Abstract

Various bone proteins and growth factors are needed during the bone healing cascade. If the body cannot produce sufficient quantities of these factors, bone trauma healing can be improved with an implant that contains the required growth factors. However, an added bone protein extract needs a suitable delivery system to protect the proteins from degradation and to release them gradually, promoting new bone formation. This study focused on evaluating and optimization of the bone forming capacity of various scaffold systems of reindeer bone protein extract formulations using different experimental models. The tested carrier systems for various reindeer bone protein extract doses were collagen sponge and bioactive glass granules in critical-size defect model of rat femur. Calcium salt compositions (beta-tricalcium phosphate (β-TCP), hydroxyapatite or calcium sulphate) in disc and compressed pellet forms were tested in the thigh muscle pouch model of mouse. Various β-TCP granules combined with polyethylene/glycerol and stearic acid gel were tested in a hole defect model of sheep femur and humerus. Control groups involved carrier materials with no protein extract or untreated defects. In the sheep study, reference materials also included autograft and demineralized bone matrix (DBM). New bone formation, bone healing, and carrier resorption were evaluated based on radiographs, peripheral computerized tomography (pQCT), mechanical tests, histological examination, and micro-CT. New bone formation and bone union were markedly better in groups receiving higher doses of the extract and with follow-ups of six or more weeks, compared to empty defect or carrier without extract. Resorptions of carrier materials in active groups were faster and more active than in the control groups. The greatest bone formation occurred in the groups that had the bone protein extract readily available, which indicated that bone forming factors are required in sufficient concentrations at an early stage. The micro-CT analysis showed that bone formation in the groups with the extract was comparable to autograft, while the least bone formation was observed in the DBM and untreated groups. The present study indicated that the tested reindeer bone protein extract can be used to improve bone formation with various carriers. The study suggests that an inorganic carrier material together with stearic acid is the one of most suitable carrier alternatives for this extract. The developed medical device in paste form can be an alternative for autograft use.


Tiivistelmä

Luun paraneminen vaatii erilaisia proteiineja ja kasvutekijöitä. Jos elimistö ei pysty tuottamaan riittävää määrää näitä tekijöitä, luumurtuma ei parane luonnollisesti vaan vaatii hoitoa, jossa murtuma alueelle viedään tarvittavia kasvutekijöitä. Kasvutekijät kiinnitetään tarkoituksenmukaiseen kantaja-aineeseen, jonka avulla kasvutekijöiden vapautumista ja toimintaa voidaan säädellä. Tutkimuksen tavoitteena oli arvioida ja optimoida erilaisissa eläinmalleissa porosta eristetyn luuproteiiniuutteen kantaja-ainesysteemien toimivuutta. Testatut kantaja-ainemateriaalit olivat kollageenihuopa ja bioaktiivinen lasirae. Näitä testattiin useilla luuproteiiniannoksilla, ja mallina oli rotan reisiluun kriittisen koon murtuma. Hiiren reisilihasmallilla testattiin kalsiumsuolayhdistelmiä (beta trikalsiumfosfaatti (β-TCP), hydroksiapatiitti ja kalsiumsulfaatti) tablettina ja pellettinä. Lampaan reisi- ja olkaluiden reikämurtumamallilla testattiin erilaisia β-TCP-rakeita yhdistettynä polyetyleenistä, glyserolista ja steariinihaposta valmistettuun geeliin. Kontrollisryhmistä toinen sisälsi kantaja-aineen ilman luuproteiiniuutetta, toisessa ryhmässä murtuma jätettiin kokonaan hoitamatta. Lammaskokeessa verrattiin lisäksi omaluusiirteen ja demineralisoidun luumateriaalin (DBM) toimivuutta verrattuna poron luuproteiiniuutteeseen. Uudisluun muodostuminen, murtuman paraneminen ja kantaja-aineen hajoaminen arvioitiin natiiviröntgenillä, perifeerisellä tietokonetomografialla (pQCT), mekaanisin testein, histologisesti ja mikro-CT:llä. Luuproteiiniuutetta sisältäneillä ryhmillä oli luun paraneminen ja kantaja-aineen hajoaminen merkittävästi parempaa kuin uutetta sisältämättömillä ryhmillä. Uudisluun muodostuminen oli suurempaa korkeammilla annoksilla ja pitemmillä seuranta-ajoilla. Suurin uudisluun muodostus mitattiin ryhmillä, joissa luuproteiiniuute oli heti käytettävissä implantoinnin jälkeen. Tämä osoittaa, että varsinkin murtuman paranemisen alkuvaiheissa tarvitaan luuta muodostavia kasvutekijöitä riittävinä pitoisuuksina. Mikro-CT-analyysit osoittivat, että luuproteiiniuuttetta sisältäneet ryhmät olivat verrannollisia omaluusiirrehoidolle. Vähiten uudisluuta havaittiin DBM ja tyhjäreikäryhmissä. Tutkimus osoittaa, että poron luuproteiiniuutetta erilaisten kantajamateriaalien kanssa voidaan käyttää parantamaan luun muodostumista. Erityisesti epäorgaaninen kantajamateriaali steariinihapon kanssa on yksi soveltuvimmista vaihtoehdoista luu-uutteelle. Kehitelty pastamutoinen lääkinnällinen laite, joka sisälsi poron luuproteiiniuutteen ja kalsiumsuolakantaja-aineen, osoittautui vaihtoehdoksi omaluusiirrehoidolle.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-951-42-9661-1
ISBN Print: 978-951-42-9660-4
Issue: 1136
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.