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Fragestellung: Lanthanoide (Seltene Erden) stellen eine chemisch homogene Elementgruppe von Metallen dar, die in der Medizin (z.b. Gadolinium als MRT-KM) als auch in der Medizintechnik (Lanthanum als Additiv zur Verbesserung der maschinellen Bearbeitung von Titan-Legierungen) zunehmend Verwendung finden. Die biologischen Auswirkungen ionaler Korrosionsprodukte dieser Metalle auf das peri-implantäre Milieu sind bisher wenig erforscht. Es wird hypothetisiert, dass Lanthanoide trotz ihrer chemischen Ähnlichkeit unterschiedliche Effekte in peri-implantären Zellen hervorrufen.

Methodik: Zellen einer menschlichen Osteoblasten-Zelllinie (MG-63) sowie einer murinen Makrophagen-Zelllinie (J 774.A1) wurden zur Testung der Zellantwort gegenüber vier unterschiedlichen Lanthanoiden (Cerium [Ce3+], Gadolinium [Gd3+], Europium [Eu3+], Lutetium [Lu3+]) verwendet. Die Zellen wurden für 48h mit ansteigenden Konzentrationen der jeweiligen Metalle (0, 0.05, 0.1, 0.5, 1, 2.5, 5mM) inkubiert. Die Effekte auf den Zellmetabolismus wurden mittels eines kolorimetrischen Proliferations-Assays bestimmt. Apoptotische Zellen wurden durch Anfärbung mit spezifischen Fluoreszenzfarbstoffen durchflusszytometrisch identifiziert. Aus den Zellkulturüberständen wurde mittels ELISA die Ausscheidung proinflammatorischer Zytokine detektiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die Inkubation der Osteoblasten mit den jeweiligen Lanthanoiden induzierte keinen signifikanten Effekt auf die Zellproliferation oder die Apoptoserate. Nur die höchsten Konzentrationen (2.5 mM, 5 mM) führten zu einer Reduktion des Osteoblasten-Metabolismus zusammen mit einem Anstieg der Anzahl apoptotischer Zellen. Die Makrophagen dagegen reagierten schon bei niedrigen Konzentrationen von Ce und Lu (0.05 mM, 0.1 mM) mit einem deutlichen Rückgang der Zellproliferation. Für Ce zeigte sich hier ein signifikanter Anstieg des Anteils apoptotischer Zellen. Eu und Gd induzierten nur bei Konzentrationen >1 mM eine Reduktion der Zellproliferation mit geringer Erhöhung der Apoptoserate. Im Vergleich zu Kontrollzellen ließ sich bis 1 mM keine signifikante Erhöhung der TNF-alpha Produktion detektieren.

Zusammenfassend fiel die Zellantwort für die Osteoblasten gegenüber den getesteten Lanthanoiden ähnlich aus, während sie für die Makrophagen elementspezifisch war. Lanthanoide mit einer niedrigen Ordnungszahl wie Ce interferieren mit Kalzium-abhängigen Prozessen in Zellen und könnten damit die Proliferation beeinflussen. Interessanterweise induzierte Ce schon bei niedrigen Dosen hohe Apoptoseraten, was die entzündliche Umgebungsreaktion im Rahmen des Zelluntergangs zumindest limitieren würde. Die niedrigen TNF-alpha-Level untermauern die postulierten anti-inflammatorischen Eigenschaften von Lanthanoiden. Den unterschiedlichen Effekten von Lanthanoiden auf peri-implantäre Zellen muss bei der Verwendung in Biomaterialien Rechnung getragen werden.