DE60006356T2

DE60006356T2 - Hochmineralisierte osteogene schwammzusammensetzungen und ihre verwendung

Info

Publication number: DE60006356T2
Application number: DE60006356T
Authority: DE
Inventors: F. William MCKAY
Original assignee: SDGI Holdings Inc
Current assignee: SDGI Holdings Inc
Priority date: 1999-02-04
Filing date: 2000-02-04
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2020-02-05
Also published as: JP2002536077A; US7563455B2; US20120141557A1; ATE253385T1; US8399010B2; US20090196904A1; WO2000045871A1; AU2756800A; ES2209820T3; CA2362049A1; US8147862B2; US20020082694A1; DE60006356D1; EP1150726A1; EP1150726B1; AU772682B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind im Allgemeinen osteogene Zusammensetzungen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist spezifisch eine osteogene Schwammzusammensetzung, die zur Induktion von neuem Knochenwachstum bei Tieren wirksam ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Knochentransplantationen wurden häufig zur Augmentation der Heilung bei der Behandlung einer ganzen Reihe muskuloskelettaler Erkankungen verwendet. Dieses Verfahren hat mehrere Nachteile. Wenn das Knochenmaterial von Spendern der gleichen Spezies, wie zum Beispiel ein Allotransplantat, gewonnen wird, besteht ein erhöhtes Risiko für Krankheitsübertragungen und Immunreaktionen. Chirurgisch aus dem Patienten entferntes Knochenmaterial, bekannt als ein Autotransplantat, ist auch unerwünscht, weil eine ausreichende Menge eines autogenen Knochens nicht zur Verfügung stehen könnte und der zusätzliche chirurgische Eingriff, der zum Gewinnen des Autotransplantats notwendig ist, das Infektionsrisiko erhöht.
Aufgrund des Bedarfs an sichereren Materialien für Knochentransplantationen haben sich die Bemühungen darauf gerichtet, Substitute für Knochentransplantate zu finden. Zu Kandidaten-Zusammensetzungen zählen Kollagen und ein Biokeramik-Material, wie zum Beispiel Hydroxyapatit, da es sich bei diesen Komponenten um die wichtigsten strukturellen Materialien im Knochengewebe handelt. Biokeramik-Materialien stellen eine poröse Matrix bereit, die etwas neues Knochenwachstum anregt, die aber, wenn in Pulverform verwendet, Anlass zu Fremdkörper-Riesenzellreaktionen geben. Andere Zusammensetzungen schließen demineralisiertes Knochenpulver und Kollagen ein. Es wurde festgestellt, dass das osteogene Potenzial dieser Zusammensetzungen weniger als zufriedenstellend ist.
Die Entdeckung osteogener Faktoren und ihre Applikation in Zusammensetzungen für Knochentransplantatsubstitute hat die Wirksamkeit der vorstehend erwähnten Zusammensetzungen gesteigert. Obwohl von vielen Zubereitungen behauptet wird, dass sie bei der Knochenreparatur in Vertebraten, einschließlich höherer Tiere, wie zum Beispiel Primaten, wirksam sind, waren an den meisten mit den Zusammensetzungen durchgeführten Experimenten niedere Tiere, wie zum Beispiel Mäuse und Ratten, beteiligt.
Angesichts dieses Hintergrunds bleibt der Bedarf an verbesserten osteogenen Zusammensetzungen und Verfahren, die das Knochenwachstum bei höheren Tieren, einschließlich Primaten wirksam induzieren, weiterhin bestehen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung, in einer bevorzugten Ausführungsform, einer osteogenen Schwammzusammensetzung, die zur Induktion von neuem Knochenwachstum in einem Säuger nützlich ist. Diese Zusammensetzung schließt ein resorbierbares Schwammmatrix-Material und einen osteogenen Faktor ein, bevorzugt einen, der bevorzugt Osteoblasten und Osteoklasten stimuliert, wobei der osteogene Faktor in das Schwammmatrix-Material inkorporiert ist. Bei dem resorbierbaren Schwammmatrix-Material handelt es sich bevorzugt um ein dreidimensional stabiles, aber dennoch flexibles Material, das seine Verwendung als ein Implantat ermöglicht. Der osteogene Faktor wird gewöhnlich in einer Menge inkorporiert, die zu einer erhöhten Resorptionsrate des Schwammmatrix-Materials in einem Säuger führt. Die Zusammensetzung schließt auch einen partikulären Mineralstoff mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von mindestens ca. 0,5 mm, eingebettet in das resorbierbare Schwammmatrix-Material ein, worin der partikuläre Mineralstoff, in einem Gewichtsverhältnis von mindestens 4 : 1 bezogen auf das resorbierbare Schwammmatrix-Material vorliegt, um auf diese Weise ein Gerüst für den Knocheneinwuchs in Gegenwart des osteogenen Faktors bereitzustellen. Bevorzugtere Zusammensetzungen sind sogar noch mehr hochmineralisiert, worin zum Beispiel der partikuläre Mineralstoff in einem Gewichtsverhältnis von mindestens ca. 10 : 1 bezogen auf das resorbierbare Schwammmatrix-Material vorliegt. Der partikuläre Mineralstoff wird bevorzugt aus einem synthetischen Calciumphosphat-Keramikmaterial oder aus Knochen, besonders aus kortikalem Knochen gebildet. Der osteogene Faktor ist am bevorzugtesten BMP-2 oder LMP oder umfasst eine Nukleotidsequenz, kodierend BMP-2 oder LMP.
Eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform stellt die Verwendung einer osteogenen Schwammzusammensetzung bereit, die ein resorbierbares Schwammmatrix-Material und einen osteogenen Faktor aufweist, der Osteoblasten und Osteoklasten stimuliert, die im Schwammmatrix-Material in einer Menge inkorporiert sind, die zu einer gesteigerten Resorptionsrate des Schwammmatrix-Materials im Primaten zur Herstellung eines Medikamentes zur Induktion von Knochenwachstum in einem Primaten führt. Partikulärer Mineralstoff mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von mindestens ca. 0,5 mm ist in das resorbierbare Schwammmatrix-Material eingebettet und liegt in einem Gewichtsverhältnis von mindestens 4: 1 bezogen auf das resorbierbare Schwammmatrix-Material vor, um auf diese Weise ein Gerüst für Knocheneinwuchs in Gegenwart des osteogenen Faktors bereitzustellen. Diese osteogene Schwammzusammensetzung ist beim Primaten, in einen Hohlraum zu implantieren, in dem Knochenwachstum erwünscht ist, wobei die osteogene Schwammzusammensetzung ein Gerüst für eine Zeitdauer bereitstellt, die zum Osteoid-Einwuchs durch den Hohlraum ausreicht. Es sind insbesondere Verwendungszwecke bevorzugt, welche den Knocheneinwuchs zum Erreichen von Spinalfusionen bei Menschen beinhalten.
Eine andere bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform stellt eine osteogene Schwammzusammensetzung bereit, die zur Induktion von neuem Knochenwachstum in einem Säuger (insbesondere einem Primaten) wirksam ist, die einen Träger einschließt, bestehend im Wesentlichen aus einer resorbierbaren Schwammmatrix mit partikulärem Mineralstoff in der resorbierbaren Schwammmatrix eingebettet, worin der partikuläre Mineralstoff in einer Menge vorliegt, die mindestens ca. 95 Gew.-% des Trägers ausmacht. Ein osteogener Faktor, der Osteoblasten und Osteoklasten stimuliert, ist im Träger inkorporiert.
Ein noch weiterer erfindungsgemäßer Aspekt stellt eine hochmineralisierte Schwammimplantat-Vorrichtung bereit, die weitgehend aus einer resorbierbaren Schwammmatrix besteht, die aus Kollagen gebildet ist und einen partikulären, biokompatiblen Mineralstoff in der Matrix eingebettet aufweist. In dieser Ausführungsform besteht die Vorrichtung zu 1 Gew.-% bis 3 Gew.-% aus dem Kollagen und 97 Gew.-% bis 99 Gew.-% aus dem partikulären, biokompatiblen Mineralstoff. In einem anderen erfindungsgemäßen Merkmal kann ein osteogener Faktor in einem derartigen Implantat inkorporiert sein.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform stellt eine interkorporelle Spinalfusionsvorrichtung bereit, die ein belastbares Glied, das zum Einsatz zwischen zwei benachbarten Wirbeln größenmäßig bemessen ist und jedwede eine der vorstehend erwähnten Zusammensetzungen, die durch das belastungsfähige Glied zurückgehalten wird, einschließt. Derartige Fusionsvorrichtungen können in erfindungsgemäßen interkorporellen Spinalfusionsverfahren bei Säugern verwendet werden, worin die Vorrichtungen zur Förderung der Spinalfusion entsprechend zu implantieren sind.
Ein spezielles erfindungsgemäßes Merkmal betrifft die Entdeckung, dass der Einschluss eines osteogenen Faktors, insbesondere eines Osteoblasten- und Osteoklasten-stimulierenden osteogenen Faktors, in einer resorbierbaren Schwammzusammensetzung zu einer erheblich beschleunigten Resorption des Schwammes führt. Diese rasche Resorption kann die Kapazität der Schwammzusammensetzung vermindern oder eliminieren, um die Knochenneubildung in einem mit der Schwammzusammensetzung gefüllten Hohlraum wirksam zu stimulieren und zu unterstützen. Dies ist insbesondere bei Primaten, einschließlich Menschen der Fall, bei denen die Rate der Knochenneubildung relativ langsam stattfindet. Es ist eine erfindungsgemäße Aufgabe, osteogene Schwammzusammensetzungen, die zur Induktion des Knochenwachstums in Säugern, insbesondere Primaten, einschließlich Menschen, wirksam sind und verwandte Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen. Diese und andere erfindungsgemäße Aufgaben und Vorteile werden nach dem Lesen der hierin enthaltenen Beschreibung erkannt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 und 2 veranschaulichen digitalisierte Bilder von Computertomographie-Scans (CT-Scans) von an Rhesusaffen durchgeführten posterolateralen L4-L5-Spinalfusionen, wie in Beispiel 5 (obere Felder, Schnitt durch superiore Querfortsätze; mittlere Felder, Schnitt durch den Bandscheibenraum; untere Felder, Schnitt durch die inferioren Querfortsätze) beschrieben.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zu Zwecken der Förderung des Verständnisses der erfindungsgemäßen Erkenntnisse wird nun auf die bevorzugten Ausführungsformen Bezug genommen, und spezifische sprachliche Begriffe werden zur Beschreibung derselben verwendet. Es ist dennoch zur Kenntnis zu nehmen, dass dadurch keine Einschränkung des erfindungsgemäßen Rahmens beabsichtigt ist, indem solche erfindungsgemäßen Änderungen und weitere Modifikationen und solche weiteren Applikationen der erfindungsgemäßen Erkenntnisse, wie hierin erläutert, in Erwägung gezogen werden, wie sie von einem im erfindungsgemäßen Bereich tätigen Durchschnittsfachmann in der Regel erkannt werden.
Gegenstand der Erfindung sind, wie vorstehend beschrieben, bestimmte Aspekte osteogener Schwammzusammensetzungen, die zur Induktion von neuem Knochenwachstum in Säugern und Verfahren zur Induktion von Knochenwachstum in Säugern wirksam sind. Der erfindungsgemäße Gegenstand stellt wirksame osteogene Schwammzusammensetzungen zur Verwendung in Primaten heraus, worin die Zusammensetzungen ein hohes osteoinduktives Potenzial aufweisen und ein lange haltendes Mineralstoffgerüst zur Unterstützung des Knocheneinwuchses bereitstellen. Derartig bevorzugte Zusammensetzungen schließen einen porösen, resorbierbaren Schwammträger, wie zum Beispiel Kollagen in Schwammform und einen osteogenen Faktor ein, der die Wirkung sowohl von Osteoblasten (welche biologisch die Knochenbildung fördern) als auch Osteoklasten (welche biologisch die Knochenresorption fördern) stimuliert. Es wurde erfindungsgemäß festgestellt, dass die Inkorporation einer wirksamen induktiven Menge eines osteogenen Faktors, wie zum Beispiel ein Bone Morphogenetic Protein (BMP; knochenbildendes Protein), Osteoklasten zu einem solchen Grad stimuliert, dass ein poröser, resorbierbarer Träger schnell resorbiert wird und bei Abwesenheit einer hohen Mineralstoffkomponente in der Zusammensetzung dazu führt, dass die Leistung der Zusammensetzung in einigen Fällen in dem Ausmaß leidet, dass die Beobachtung von erheblichem Knocheneinwuchs sporadisch ist. Obwohl diese nicht mineralisierten Schwammzusammensetzungen zur Reparatur von Knochendefekten bei niederen Tieren, wie zum Beispiel Mäusen, die eine schnellere Knochenwachstumsrate aufweisen, hochwirksam sein können, sind sie in großen Tieren, wie zum Beispiel Primaten, einschließlich Menschen, weniger wirksam.
Demgemäß betrifft ein erfindungsgemäßes Merkmal die Bereitstellung einer osteogenen Zusammensetzung in der Form eines Schwammes, der eine erhebliche Menge einer relativ langsam resorbierten Mineralstoffkomponente einschließt, die an der Implantationsstelle zurückbleibt, nachdem der Träger rasch resorbiert wurde, um ein Gerüst zur Knochenneubildung bereitzustellen, die aufgrund der osteoklastischen Potenzierung durch das Bone Morphogenetic Protein in der Zusammensetzung nicht prämatur resorbiert wird. Es werden erfindungsgemäß auch Verwendungszwecke dieser osteogenen Zusammensetzungen bei der Herstellung eines Medikamentes zur Behandlung von Knochentrauma, Erkrankungen und Defekten, für artifizielle Arthrodesen und für andere Behandlungen, bei denen Knochenneubildung, besonders in Primaten, einschließlich Menschen, erwünscht ist, bereitgestellt.
Das Schwammmatrix-Material besteht bevorzugt aus Kollagen. Eine weite Reihe verschiedener Kollagenmaterialien sind für die Schwammmatrix geeignet. Natürlich vorkommende Kollagene können in Abhängigkeit von ihrer Aminosäuresequenz, ihrem Kohlenhydratgehalt und der An- oder Abwesenheit von Disulfid-Vernetzungen in mehrere verschiedene Typen subklassifiziert werden. Bei Kollagen der Typen I und III handelt es sich um zwei der häufigsten Subtypen des Kollagens. Kollagen Typ I ist in der Haut, in Sehnen und Knochen vorhanden, wohingegen Kollagen Typ III hauptsächlich in der Haut vorkommt. Das Kollagen in der Zusammensetzung kann aus Haut, Knochen, Sehnen oder Knorpel erhalten werden und anhand dem Durchschnittsfachmann bekannter Verfahren gereinigt werden. Als Alternative kann das Kollagen im Handel erworben werden. Das Kollagen in der Zusammensetzung ist bevorzugt bovines Kollagen Typ I.
Bei dem Kollagenträger kann es sich weiter um Atelopeptid-Kollagen und/oder Telopeptid-Kollagen handeln. Darüber hinaus kann sowohl nicht fibrilläres als auch fibrilläres Kollagen verwendet werden. Nicht fibrilläres Kollagen stellt Kollagen dar, das solubilisiert und nicht in seine native fibrilläre Form rekonstituiert worden ist.
Der Schwammträger kann auch aus anderen natürlichen oder synthetischen polymeren Materialien zusätzlich zu oder als eine Alternative zu Kollagen verwendet werden. So kann der Schwammträger zum Beispiel aus Gelatine (z. B. geschäumter Gelatine) zusätzlich zu Kollagen oder als eine Alternative zu Kollagen gebildet werden. Andere natürliche und synthetische Polymere sind auch zur Bildung biokompatibler Schwammmaterialien bekannt und können hierin verwendet werden.
Wie vorstehend angedeutet, schließen bevorzugte erfindungsgemäße Zusammensetzungen auch einen osteoinduktiven Faktor ein, wie zum Beispiel ein osteoinduktives Protein oder eine Nukleotidesequenz, kodierend ein osteoinduktives Protein, das operabel mit einem Promotor (z. B. in einem Vektor, wie zum Beispiel einem viralen Vektor) verbunden ist, der die Expression des Gens im Tierempfänger zur Produktion einer wirksamen Menge des Proteins antreibt. Bei dem erfindungsgemäß verwendeten osteogenen Faktor kann es sich um einen handeln, der die Produktion oder Aktivität von Osteoblasten und Osteoklasten stimuliert. Der Faktor ist bevorzugt ein Bone Morphogenetic Protein (BMP) oder ein LIM-Mineralisationsprotein (LMP) oder umfasst eine Nukleotidsequenz, kodierend ein BMP oder LMP. Rekombinante humane BMP sind bevorzugt und können, wie beschrieben oder im Fach bekannt, z. B. in US-Patent Nr. 5,187,076 an Worney et al.; 5,366,875 an Worney et al.; 4,877,864 an Wang et al.; 5,108,932 an Wang et al.; 5,116,738 an Wang et al.; 5,013,649 an Wang et al.; 5,106,748 an Wozney et al.; und PCT-Patent Nr. WO 93/00432 an Worney et al.; WO 94/2693 an Celeste et al. und WO 94/26892 an Celeste et al., gewerblich erworben oder hergestellt werden. Der osteoinduktive Faktor kann weiter aus Knochen isoliert werden. Verfahren zum Isolieren von BMP aus Knochen werden in US-Patent Nr. 4,294,753 an Urist und Urist et al., PNAS 371, 1984, beschrieben. Rekombinantes humanes BMP-2 (rhBMP-2), rekombinantes humanes BMP-4 (rhBMP-4), rekombinantes humanes BMP-7 (rhBMP-7) oder Heterodimere davon sind am bevorzugtesten. Bei dem osteoinduktiven Faktor kann es sich auch um LIM-Mineralisationsprotein (LMP) oder einen geeigneten Vektor handeln, der ein Gen inkorporiert, kodierend dasselbe, das operabel mit einem Promotor, wie in WO 99/06563 beschrieben (siehe auch Genbank-Zugriffs-Nr. AF095585), assoziiert ist. Wenn derartige Vektoren als erfindungsgemäße osteogene Faktoren eingesetzt werden, werden sie bevorzugt im Zusammenhang mit Zellen, zum Beispiel autologen Zellen vom Empfänger des Implantats geliefert. Der Vektor wird am bevorzugtesten im Zusammenhang mit autologen weißen Blutzellen, die sich aus dem Knochenmark oder peripheren Blut des Empfängers herleiten, geliefen. Diese Zellen können vor der Implantation, zusammen mit dem osteogenen Faktor, auf die Schwammzusammensetzungen appliziert werden.
Die partikuläre Mineralstoffkomponente schließt einen natürlichen oder synthetischen Mineralstoff ein, der bei der Bereitstellung eines Gerüstes zum Knocheneinwuchs, wenn der resorbierbare Träger resorbiert wird, wirksam ist. Der Mineralstoff kann zum Beispiel Knochen, besonders kortikaler Knochen oder ein synthetisches Biokeramik-Material, wie zum Beispiel ein biokompatibles Calciumphosphat-Keramikmaterial, sein. Zu beispielhaften Kerkamikmaterialien zählen Tricalciumphosphat, Hydroxyapatit und biphasisches Calciumphosphat. Diese Mineralstoffkomponenten können im Handel erworben oder erhalten werden oder anhand im Fach bekannter Verfahren synthetisiert werden.
Biphasisches Calciumphosphat ist ein besonders bevorzugtes erfindungsgemäßes synthetisches Keramikmaterial. Es ist erwünscht, dass ein solches biphasisches Calciumphosphat ein Gewichtsverhältnis von Tricalciumphosphat: Hydroxyapatit von ca. 50 : 50 bis ca, 95 : 5, bevorzugter ca. 70 : 30 bis ca. 95: S, noch bevorzugter ca. 80 : 20 bis ca. 90 : 10 und am bevorzugtesten ca. 85: 15 aufweist.
Die Menge des Mineralstoffes in der osteogenen Schwammzusammensetzung muss im Allgemeinen zur Bereitstellung eines Gerüstes ausreichend sein, das für eine Zeitdauer im Patienten bleibt, die zur Bildung von Osteoid im Hohlraum, für den Knochenwachstum erwünscht ist, ausreicht. Diese Zeitdauer beträgt in der Regel ca. 6 bis ca. 8 Wochen. Die Mindestkonzentration an Mineralstoff, die in der Zusammensetzung vorhanden sein muss, ist auch von der Aktivität des BMP in der Zusammensetzung abhängig; je höher die Aktivität des BMP, um so größer ist der Gehalt der Mineralstoffmatrix, die erforderlich ist, um der osteoklastischen Potenzierung des BMP entgegenzuwirken. Die Resorptionsrate des resorbierbaren Trägers nimmt mit zunehmender BMP-Konzentration auch zu.
In bevorzugten erfindungsgemäßen Aspekten liegt das Gewichtsverhältnis von partikulärem Mineralstoff: resorbierbarer Schwammmatrix mindestens bei ca. 4 : 1, bevorzugter mindestens ca. 10 : 1. In besonders bevorzugten Schwammimplantaten macht der partikuläre Mineralstoff mindestens 95 Gew.-% des Schwammimplantats aus. So werden zum Beispiel hochwirksame Schwammträgervorrichtungen bereitgestellt, worin sie ca. 97 Gew.-% bis ca. 99 Gew.-% partikulären Mineralstoff und ca. 1% bis ca. 3% des Kollagens oder anderes schwammbildendes Matrixmaterial umfassen. Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die Mineralstoff-Komponente eine durchschnittliche Partikelgröße von mindestens ca. 0,5 mm, bevorzugter ca. 0,5 mm bis ca. 5 mm und am bevorzugtesten ca. 1 mm bis ca. 3 mm aufweisen sollte.
Zur Herstellung des Schwammimplantats kann eine Kollagenaufschlämmung, wie bekannt, gebildet und bevorzugt gekühlt werden, um ihre Viskosität zur Unterstützung der Suspension der porösen partikulären Mineralstoffkomponente zu steigern. Der poröse partikuläre Mineralstoff wird in der Kollagenaufschlämmung dispergiert und vorsichtig gemischt. Nachdem die poröse partikuläre Mineralstoffkomponente gleichmäßig in der Aufschlämmung verteilt ist, wird die Aufschlämmung in sterile Schalen oder andere Formen gegossen und gefriergetrocknet. Die Platten des Verbundschwammes werden dann aus dem Gefriertrockner entfernt und einem Glutaraldehyd-Vernetzungsmittel ausgesetzt. Der gebildete Verbundschwamm ist im Allgemeinen dreidimensional stabil und kann gemäß den bekannten Verfahren sterilisiert und verpackt werden.
Die Maße des hergestellten Schwammes können abhängig von der Applikation variieren. Die Maße eines typischen Schwammes sind zum Beispiel ca. 10 cm (lang) × 7,5 cm (breit) × 0,35 cm (hoch).
BMP oder andere osteogene Faktoren können, als ein Beispiel, in dem gebildeten Schwamm durch Kombination des BMP mit einem flüssigen Träger, wie im Fach bekannt, und Infundieren der Flüssigkeit in den Schwamm eingeschlossen werden.
Der Durchschnittsfachmann wird ohne weiteres erkennen, dass als weitere Verbesserungen der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen andere osteogene Enhancement-Faktoren in die Zusammensetzung inkorporiert werden können. Derartige zusätzliche Faktoren schließen mit dem Wirt kompatible osteogene Vorläuferzellen, autogenes Knochenmark, alogenes Knochenmark, transformierender Wachstumsfaktor-β, Fibroblastenwachstumsfaktor, Plättchenwachstumsfaktor, insulinähnlicher Wachstumsfaktor, Mikroglobulin-β, Antibiotika und Steroide ein.
In einem noch weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird die Verwendung der vorstehend beschriebenen osteogenen Schwammzusammensetzung zur Herstellung eines Medikamentes zw Induktion des Knochenwachstums in Säugern bereitgestellt. Die Zusammensetzung sollte an einer Stelle implantiert werden, an der z. B. zur Behandlung einer Erkrankung, eines Defektes oder eines Traumaortes und/oder zur Förderung einer artifiziellen Arthrodese, Knochenwachstum erwünscht ist. Die hydratisierte Schwammzusammensetzung kann vor der Packung des Schwamms in die Implantationsstelle aufgerollt werden.
Sobald sie sich an Ort und Stelle befindet, kann die osteogene Schwammzusammensetzung den Einwuchs von Knochen in den gewünschten Bereich, selbst in einem Primaten, wie zum Beispiel einem Menschen, der im Vergleich zu kleineren Säugern, wie zum Beispiel Nagetieren oder Kaninchen, eine relativ langsame Knochenbildungsrate aufweist, wirkksam induzieren und unterstützen. Obwohl der Kollagenträger relativ schnell resorbiert wird, bleibt die Mineralstoffkomponente weitgehend als ein Gerüst zur Unterstützung von neuem Knochenwachstum in dem und durch den gewünschten Bereich hindurch zurück.
Die vorstehenden erfindungsgemäßen osteogenen Schwammzusammensetzungen sind besonders vorteilhaft, wenn sie in Knochen und Knochenteilen verwendet werden, die nur eine geringe bis mäßige Vaskularisation aufweisen. Derartig gering bis mäßig vaskularisierte Regionen weisen geringe Knochenbildungsraten auf, so dass die rasche Resorption eines Trägers ein Problem darstellt. Zu Beispielen gering bis mäßig vaskularisierter Stellen zählen zum Beispiel Querfortsätze oder andere posteriore Elemente der Wirbelsäule.
Eine besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Schwammzusammensetzungen ist die als ein Implantat zur Förderung der Arthrodese zwischen Wirbeln bei Spinalfusionen, einschließlich interkorporeller, posteriorer und/oder posterolateraler Fusionsverfahren, in Menschen oder anderen Primaten. Obwohl die Knochenbildungsrate in der Wirbelsäule von Primaten insgesamt relativ langsam vonstatten geht und folglich im Allgemeinen vom erfindungsgemäßen Gegenstand profitieren wird, weisen die zu fusionierenden Elemente bei posterioren und posterolateralen Fusionen besonders geringe Vaskularisationsgrade auf, und folglich wird erwartet, dass Fusionen dieser Elemente von der Erfindung eindeutig profitieren.
Die osteogenen Schwammzusammensetzungen können darüber hinaus mit einem bei einer Spinalfusion verwendeten belastungsfähigen Glied, einschließlich hohlen Spinalkäfigen, -stiften oder anderen dem Durchschnittsfachmann bekannten Vorrichtungen mit einer Tasche, Kammer oder einem anderen Mechanismus zum Zurückhalten der osteogenen Schwammzusammensetzung inkorporiert werden. Das belastungsfähige Glied weist bevorzugt eine Druckfestigkeit von mindestens ca. 10 000 N auf. Derartig geeignete, belastungsfähige Glieder werden zum Beispiel in US-Patent Nr. 5522899 , 5785710 , 5776199 und 5814084 beschrieben.
Es wird nun auf spezifische Beispiele unter Verwendung der hierin vorstehenden Verfahren Bezug genommen. Es ist zur Kenntnis zu nehmen, dass die Beispiele erläuternd sind und die Erfindung nicht einschränken.
BEISPIEL 1
HERSTELLUNG EINES VERBUNDSTOFFS AUS KOLLAGENSCHWAMM/KNOCHENPARTIKELN
12 g deproteinisierte kortikale Knochenspäne, 1–3 mm groß, wurden 12 g Kollagenaufschlämmung (0,192 g Kollagen) zugefügt. Diese Verbundstoff-Aufschlämmuung wurde in eine 7,5 cm × 10,0 cm große Form gegossen, gefriergetrocknet, doppelt steril verpackt und mittels ETO-Gassterilisation sterilisiert.
BEISPIEL 2
HERSTELLUNG EINES VERBUNDSTOFFS AUS KOLLAGENSCHWAMM/SYNTHETISCHEM KERAMIKMATERIAL
12 g biphasische Calciumphosphat-Partikel, 1 mm Durchmesser, wurden 12 g Kollagenaufschlämmung (0,192 g Kollagen) zugefügt. Diese Verbundstoff-Aufschlämmung wurde in eine 7,5 cm × 10, 0 cm große Form gegossen, gefriergetrocknet, doppelt steril verpackt und mittels ETO-Gassterilisation sterilisiert.
BEISPIEL 3
HERSTELLUNG EINES VERBUNDSTOFFS AUS KOLLAGENSCHWAMM/ KNOCHENPARTIKELN
12 g deproteinisierte kortikale Knochenspäne, 1 – 3 mm groß, wurden 24 g Kollagenaufschlämmung (0,192 g Kollagen) zugefügt. Diese Verbundstoff-Aufschlämmung wurde in eine 7,5 cm × 10,0 cm große Form gegossen, gefriergetrocknet, doppelt steril verpackt und mittels ETO-Gassterilisation sterilisiert.
BEISPIEL 4
HERSTELLUNG EINES VERBUNDSTOFFS AUS KOLLAGENSCHWAMM/SYNTHETISCHEM KERAMIKMATERIAL
12 g biphasische Calciumphosphat-Partikel, 1 mm Durchmesser, wurden 24 g Kollagenaufschlämmung (0,192 g Kollagen) zugefügt. Diese Verbundstoff-Aufschlämmung wurde in eine 7,5 cm × 10,0 cm große Form gegossen, gefriergetrocknet, doppelt steril verpackt und mittels ETO-Gassterilisation sterilisiert.
BEISPIEL 5
STUDIE ZUR SPINALFUSION ZWISCHEN DEN POSTEROLATERALEN QUERFORTSÄTZEN VON L4-LS
Die vorliegende Studie wurde zur Ermittlung der Wirkung der erfindungsgemäßen osteogenen Schwammzusammensetzungen auf die Spinalfusion durchgeführt.
Die experimentelle Gruppe schloss zwei erwachsene Rhesusaffen (Macaca mulatta) ein. Die Affen wurden mit 3–5 mg/kg Telazol intramuskulär (i. m.) anästhesiert. Die Anästhesie wurde mit 1,5–2,0% Isofluran aufrechterhalten. Nachdem die Anästhesie erreicht wurde, wurden die Tiere rasiert, mit Betadin vorbereitet und steril abgedeckt. Das Operationsfeld wurde mit 10–15 ml 0,25%igem Marcain zur Unterstützung bei der unmittelbaren postoperativen Analgesie infiltriert. Eine von der Mittellinie nach posterior geführte Hautinzision wurde über der Lendenwirbelsäule durchgeführt. Die paraspinale Muskulatur wurde unter Verwendung von Elevatorien zurückgeschoben, wobei die Lamina und die Querfortsätze der Wirbelkörper von L4 und L5 freigelegt wurden. An den Querfortsätzen der beiden zu fusionierenden Wirbel wurde mittels einer elektrischen Knochenfräse eine Dekortikation vorgenommen.
3,5 cm × 1,4 cm × 0,35 cm messende Verbundschwämme wurden unter Verwendung von wie in Beispielen 1 und 2 beschriebenen Verfahren hergestellt. Die Schwämme schlossen, auf einer Gewichtsbasis, 97% biphasisches Calciumphosphat (15% Hydroxyapatit und 85% Tricalciumphosphat, Partikelgröße von 1 mm) und 3% Kollagen ein. Rekombinantes humanes BMP-2 (rhBMP-2) wurde in einer Konzentration von 3,0 mg/ml in einer gepufferten Lösung hergestellt. Jeder Schwamm wurde mit 1,5 ml der rhBMP-2-Lösung infundiert.
Die Schwämme wurden in das paraspinale Bett direkt oben auf die beiden benachbarten Querfortsätze und diese überbrückend aufgebracht. Die Schwämme wurden bilateral, mit zwei Schwämmen (einer auf dem anderen) auf jede Seite der Wirbelsäule gebracht, was in einer Gesamtdosis von 9 mg rhBMP-2 pro Implantatstelle resultierte. Die Tiere konnten sich danach erholen und ad libitum, ohne Einschränkungen während der Studienperiode bewegen.
Die Wirbelsäulen wurden nach dem Töten (2, 4 und Monate) manuell auf Fusion beurteilt, und es wurde basierend auf der Abwesenheit von Bewegung während des Biegungsversuchs und der Anwesenheit von histologischem Überbrückungsknochen ermittelt, ob eine Fusion stattgefunden hatte.
Die Fusionen wurden auch mittels CT-Scan 2, 4 und 6 Monate nach der Implantation bewertet. 1 und 2 zeigen die CT-Scans für jedes untersuchte Versuchstier. In 1 und 2 ist die Sequenz der Ereignisse ersichtlich, die im mit rhBMP-2 beladenen Verbundschwammträger aufgetreten sind. Auf den Abbildungen am weitesten links befinden sich drei über die gesamte Fusionsmasse abstandsgleich verteilte CT-Schnitte zwei Monate nach der Operation, die zu erkennen geben, dass die Resorption des Verbundschwammes aufgrund mangelnder Strahlenundurchlässigkeit des Keramikgranulats gerade abgeschlossen ist. Die drei mittleren CT-Schnitte zeigen die gleichen drei CT-Schnitte nach vier Monaten mit einer erhöhten Knocheneinlagerung, dort wo sich einst der Träger befand. Der Verbundschwamm hat den Raum im Weichteil für eine Zeitdauer aufrechterhalten, die lange genug war, damit das gewünschte Volumen von neuer Knocheneinlagerung auftreten konnte. Am weitesten rechts zeigen schließlich drei CT-Scans nach sechs Monaten noch mehr Knocheneinlagerung, Remodelling und Maturation mit der Bildung von äußeren Cortices um die Peripherie der Fusionsmassen herum.

Claims

Osteogene Schwammzusammensetzung, die zur Induktion von neuem Knochenwachstum in einem Säuger nützlich ist, umfassend: Ein resorbierbares Schwammmatrix-Material; einen osteogenen Faktor, wobei der osteogene Faktor in das Schwammmatrix-Material in einer Menge eingebaut ist, die eine erhöhte Resorptionsrate des Schwammmatrix-Materials in einem Säuger bewirkt; und partikulären Mineralstoff mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von mindestens 0,5 mm, eingebettet in das resorbierbare Schwammmatrix-Material, wobei der partikuläre Mineralstoff in einem Gewichtsverhältnis von mindestens 4 : 1 bezogen auf das resorbierbare Schwammmatrix-Material vorliegt, um auf diese Weise ein Gerüst zum Einwachsen von Knochen in Gegenwart des osteogenen Faktors bereitzustellen.
Osteogene Schwammzusammensetzung nach Anspruch 1, worin der partikuläre Mineralstoff in einem Gewichtsverhältnis von mindestens 10 : 1 bezogen auf das resorbierbare Schwammmatrix-Material vorhanden ist.
Osteogene Schwammzusammensetzung nach Anspruch 1, worin der osteogene Faktor ein Bone Morphogenetic Protein (knochenbildendes Protein), ein LIM-Mineralisationsprotein oder eine Nukleotidsequenz, kodierend ein Bone Morphogenetic Protein oder ein LIM-Mineralisationsprotein, umfasst.
Osteogene Schwammzusammensetzung nach Anspruch 1, worin das resorbierbare Schwammmatrix-Material Kollagen einschließt.
Osteogene Schwammzusammensetzung nach Anspruch 3, worin das resorbierbare Schwammmatrix-Material Kollagen einschließt.
Osteogene Schwammzusammensetzung nach Anspruch 1, worin der partikuläre Mineralstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Knochenpartikeln und biokompatiblem synthetischem Calciumphosphat-Keramikmaterial.
Osteogene Schwammzusammensetzung nach Anspruch 6, worin der partikuläre Mineralstoff biphasisches Calciumphosphat umfasst.
Osteogene Schwammzusammensetzung nach Anspruch 7, worin das biphasische Calciumphosphat eine Porosität von mindestens 50% aufweist.
Osteogene Schwammzusamensetzung nach Anspruch 8, worin der partikuläre Mineralstoff Knochenpartikel einschließt.
Osteogene Schwammzusammensetzung nach Anspruch 9, worin die Knochenpartikel Kortikalisknochenpartikel sind.
Osteogene Schwammzusammensetzung nach Anspruch 1, die mindestens 95 Gew.-% des partikulären Mineralstoffs umfasst.
Osteogene Schwammzusammensetzung nach Anspruch 1, worin der partikuläre Mineralstoff eine durchschnittliche Partikelgröße im Bereich von 0,5 mm bis 5,0 mm aufweist.
Osteogene Schwammzusammensetzung nach Anspruch 1, worin der poröse partikuläre Mineralstoff eine durchschnittliche Partikelgröße im Bereich von 1 bis 2 mm aufweist.
Osteogene Schwammzusammensetzung nach Anspruch 1, worin der osteogene Faktor ein Bone Morphogenetic Protein ist.
Osteogene Schwammzusammensetzung nach Anspruch 14, worin das Bone Morphogenetic Protein ein rekombinantes humanes Protein ist.
Osteogene Schwammzusammensetzung nach Anspruch 15, worin das Bone Morphogenetic Protein BMP-2 oder BMP-7 ist.
Osteogene Schwammzusammensetzung nach Anspruch 16, die weiter einen osteogenen Enhancement-Faktor umfasst, der aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus autogenem Knochenmark, alogenem Knochenmark, transformierendem Wachstumsfaktor-β, Fibroblastenwachstumsfaktor, Plättchenwachstumsfaktor, insulinähnlichem Wachstumsfaktor, Mikroglobulin-β und Steroiden.
Osteogene Schwammzusammensetzung, die zur Induktion von neuem Knochenwachstum in einem Primaten wirksam ist, umfassend: Ein resorbierbares Schwammmatrix-Material; einen osteogenen Faktor, der Osteoblasten und Osteoklasten stimuliert, wobei der osteogene Faktor in das Schwammmatrix-Material in einer Menge inkorporiert wird, die eine erhöhte Resorptionsrate des Schwammmatrix-Materials in dem Primaten bewirkt; und partikuläres Material mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von mindestens 0,5 mm, eingebettet in dem resorbierbaren Schwammmatrix-Material, wobei der partikuläre Mineralstoff in einem Gewichtsverhältnis von mindestens 4 : 1 bezogen auf das resorbierbare Schwammmatrix-Material vorliegt, um auf diese Weise ein Mineralstoffgerüst für eine Dauer bereitzustellen, die für das Einwachsen von Osteoid durch einen Bereich, in den die Schwammzusammensetzung implantiert ist, ausreichend ist.
Schwammzusammensetzung nach Anspruch 18, worin der Primat ein Mensch ist.
Verwendung einer osteogenen Schwammzusammensetzung, umfassend: Ein resorbierbares Schwammmatrix-Material; einen osteogenen Faktor, der Osteoblasten und Osteoklasten stimuliert, wobei der osteogene Faktor in das Schwammmatrix-Material in einer Menge inkorporiert wird, die eine erhöhte Resorptionsrate des Schwammmatrix-Materials in den Primaten bewirkt; und partikulären Mineralstoff mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von mindestens 0,5 mm, eingebettet in das resorbierbare Schwammmatrix-Material, wobei der partikuläre Mineralstoff in einem Gewichtsverhältnis von mindestens 4 : 1 bezogen auf das resorbierbare Schwammmatrix-Material vorhanden ist, um auf diese Weise ein Gerüst für das Einwachsen von Knochen in Gegenwart des osteogenen Faktors bereitzustellen; zur Herstellung eines Medikamentes zur Induktion von Knochenwachstum in einem Primaten.
Verwendung nach Anspruch 20, worin der partikuläre Mineralstoff in einem Gewichtsverhältnis von mindestens 10 : 1 bezogen auf das resorbierbare Schwammmatrix-Material vorhanden ist.
Verwendung nach Anspruch 21, worin der osteogene Faktor ein Bone Morphogenetic Protein, ein LIM-Mineralisationsprotein oder eine Nukleotidsequenz, kodierend ein Bone Morphogenetic Protein oder LIM-Mineralisationsprotein, umfasst.
Verwendung nach Anspruch 20, worin das resorbierbare Schwammmatrix-Material Kollagen einschließt.
Verwendung nach Anspruch 22, worin das resorbierbare Schwammmatrix-Material Kollagen einschließt.
Verwendung nach Anspruch 20, worin der partikuläre Mineralstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Knochen, einem synthetischen biokompatiblen Calciumphosphat-Keramikmaterial oder einem Gemisch davon.
Verwendung nach Anspruch 25, worin der poröse, partikuläre Mineralstoff biphasisches Calciumphosphat umfasst.
Verwendung nach Anspruch 26, worin das biphasische Cacliumphosphat eine Porosität von mindestens 50% aufweist.
Verwendung nach Anspruch 20, worin der partikuläre Mineralstoff Knochenpartikel einschließt.
Verwendung nach Anspruch 28, worin die Knochenpartikel Kortikalisknochenpartikel sind.
Verwendung nach Anspruch 20, worin die osteoinduktive Schwammzusammensetzung mindestens 95 Gew.-% des partikulären Mineralstoffs enthält.
Verwendung nach Anspruch 20, worin der partikuläre Mineralstoff eine durchschnittliche Partikelgröße von 0,5 mm bis 5,0 mm aufweist.
Verwendung nach Anspruch 20, worin der poröse partikuläre Mineralstoff eine durchschnittliche Partikelgröße von 1 bis 2 mm aufweist.
Verwendung nach Anspruch 20, worin der osteogene Faktor ein Bone Morphogenetic Protein ist.
Verwendung nach Anspruch 33, worin das Bone Morphogenetic Protein ein rekombinantes humanes Protein ist.
Verwendung nach Anspruch 33, worin das Bone Morphogenetic Protein BMP-2 oder BMP-7 ist.
Verwendung nach Anspruch 20, worin der Primat ein Mensch ist.
Verwendung nach Anspruch 20, worin sich der Bereich in der Wirbelsäule des Primaten befindet.
Verwendung nach Anspruch 37, worin das Knochenwachstum zum Erreichen einer Spinalfusion induziert wird.
Verwendung nach Anspruch 38, worin die Spinalfusion eine interkorporelle Spinalfusion darstellt.
Verwendung nach Anspruch 38, worin die Spinalfusion eine posterolaterale Spinalfusion darstellt.
Verwendung nach Anspruch 38, worin die Spinalfusion eine Fusion zwischen Querfortsätzen benachbarter Wirbel einschließt.
Osteogene Schwammzusammensetzung zur Induktion von neuem Knochenwachstum in einem Primaten, umfassend: Einen Träger, im Wesentlichen bestehend aus einem resorbierbaren Schwammmatrix-Material mit partikulärem Mineralstoff in die resorbierbare Schwammmatrix eingebettet, wobei der partikuläre Mineralstoff in einer Menge vorhanden ist, die mindestens 95 Gew.-% des Trägers ausmacht; und einen osteogenen Faktor.
Hochmineralisierte Schwammimplantatvorrichtung, bestehend im Wesentlichen aus einer resorbierbaren Schwammmatrix, gebildet aus Kollagen und mit partikulärem biokompatiblem Mineralstoff in der Matrix eingebettet, wobei die Vorrichtung 1 Gew.-% bis 3 Gew.-% des Kollagens und 97 Gew.-% bis 99 Gew.% des partikulären biokompatiblen Mineralstoffs umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 42, worin der partikuläre biokompatible Mineralstoff Knochenpartikel umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 42, worin der partikuläre biokompatible Mineralstoff ein synthetisches Keramikmaterial einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 44, worin das Keramikmaterial ein Calciumphosphat-Keramikmaterial einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 45, worin das Calciumphosphat-Keramikmaterial biphasisches Calciumphosphat darstellt.
Osteogenes Implantat, umfassend: Einen resorbieren Matrixträger, umfassend 1 Gew.-% bis 3 Gew.-% Kollagen in Schwammform und 97 Gew.-% bis 99 Gew.-% eines partikulären biokompatiblen Mineralstoffs, eingebettet in das Kollagen; und einen osteogenen Faktor.
Interkorporelle Spinalfusionsvonichtung umfassend: Ein tragfähiges Glied, größenmäßig abgemessen zum Einsatz zwischen benachbarten Wirbeln; und eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1–19 und 42–48, die durch das tragfähige Glied zurückgehalten wird.
Verwendung einer interkorporellen Spinalfusionsvonichtung nach Anspruch 49, zur Herstellung eines Medikamentes zur interkorporellen Spinalfusion in einem Säuger.