Wachstumsfaktoren sind Peptide, welche die Proliferation, Migration und
Differenzierung von Zellen regulieren und damit die Art des gebildeten Gewebes bestimmen. Durch die lokale Wirkung auf Zellen des Knochenmarks oder der Knochenoberfläche beeinflussen sie die Knochenneubildung (HING, 2004).
Wachstumsfaktoren wirken auf verschiedene Weise. Zum einen können sie als lokale Regulatoren direkt auf spezifische Osteoblasten wirken und so deren
Proliferation und Differenzierung steuern. Eine andere Möglichkeit ist die Induktion der Angiogenese durch verschiedene Faktoren (z. B. VEGF). Des Weiteren besitzen sie die Fähigkeit die Migration und Differenzierung von Endothelzellen und Osteopro-genitorzellen zu steuern (URIST, 1965).
Für die Heilung von Frakturen sind eine Reihe von Wachstumsfaktoren identifiziert worden (SOLHEIM, 1998; ENGELMANN u. NIKOL, 2000; CARANO u. FILVAROFF, 2003). Zu dieser Gruppe gehören: fibroblastic growth factor (FGF), transforming growth factor-beta (TGF-β), bone morphogenetic protein (BMP), insulin-like growth factor I und II (IGF-I, IGF-II), platelet-derived growth factor (PDGF) und vascular endothelial growth factor (VEGF) (CARANO u. FILVAROFF, 2003).
Die Proteine der TGF-β-Superfamilie, zu der auch die verschiedenen BMPs gehören, regulieren eine Reihe von zellulären Funktionen, wie die Proliferation, Differenzier-ung, Migration, Organisation und den Tod von Zellen (ZHU u. BURGESS, 2001).
BMPs zeichnen sich gegenüber den anderen Faktoren dadurch aus, dass sie in der Lage sind, eine vollständige Knochenneubildung durch Transformation von primär nicht osteogenen Zellen in Knorpel und Knochenzellen auszulösen. Die osteogene Wirkung dieser BMP-Isoformen konnte in zahlreichen Tierversuchen an Klein- und Großtieren in unterschiedlichen Modellen nachgewiesen werden (URIST, 1965;
ZEGZULA et al., 1997; BOUXEIN et al., 2001).
Bisher ist BMP der einzige bekannt Wachstumsfaktor, der die Fähigkeit besitzt, die Differenzierung von Stammzellen direkt in Richtung von Osteoblasten und Chondro-blasten zu initiieren (CHEN et al., 1991; HING, 2004). Andere Wachstumsfaktoren,
wie TGF-β, IGF und FGF, wirken auf bereits differenzierte knochenbildende Zellen und veranlassen diese, die Sekretion von extrazellulärer Matrix und Proteinen zu steigern.
Obgleich BMP beim alleinigen Einsatz in der Lage ist Knochen zu bilden, scheint dieser Prozess aus einem Geflecht verschiedener Ereignisse zu bestehen. Eines der hierfür nötigen Ereignisse ist die Angiogenese (PENG et al., 2002). Es konnte
gezeigt werden, dass durch den Einsatz eines Angiogenesehemmers, die durch BMP-2 induzierte ektope Knochenbildung gehemmt wurde (MORI et al., 1998).
VEGF ist der am besten untersuchte Angiogenese-Faktor. Studien zeigten, dass VEGF eine wichtige Rolle während der enchondralen Knochenbildung spielt. Hemmt man VEGF, so kommt es zu einer Einbuße bei der trabekulären Knochenformation an der Epiphyse sowie zu einer Verminderung der Blutgefäßeinsprossung und einer verminderten Resorption des Knorpels (GERBER et al., 1999).
2.5.2 VEGF
Der vascular endothelial growth factor (VEGF), auch bekannt als vascular permeability factor (VPF), gilt als ein potentes und spezifisches Mitogen für
Endothelzellen. Er besitzt keine bleibende oder merkliche Wirkung auf andere Zellen (FERRARA u. DAVIS-SMYTH, 1997). VEGF und seine Rezeptoren sind sowohl für das Wachstum und die Differenzierung von Endothelzellen während der Embryona-lentwicklung, als auch unter physiologischen und pathologischen Zuständen in den Gefäßen des adulten Organismus von besonderer Bedeutung (KALKA et al., 2000).
VEGF wurde ursprünglich als ein von Tumorzellen sezerniertes Protein entdeckt, das die Durchlässigkeit von Venolen gegenüber zirkulierenden Makromolekülen erhöhte und daher zunächst VPF hieß (SENGER et al., 1993). In den folgenden Jahren unterstützten eine Reihe von in vitro und in vivo Studien die Hypothese, daß VEGF die Angiogenese stimulieren kann (PHILLIPS et al., 1990; BREIER et al., 1992;
JAKEMAN et al., 1992).
Im Frakturhämatom konnte ein deutlich erhöhter VEGF-Pegel und eine dadurch verstärkte angiogene Aktivität nachgewiesen werden (STREET et al., 2000).
Studien belegten, dass VEGF neben der Rekrutierung von Endothelzellen auch Einfluss auf Osteoblasten (DECKERS et al., 2000; STREET et al., 2002) und Osteo-klasten (NIIDA et al., 1999; ENGSIG et al., 2000) hat.
Diese Ergebnisse stützen die Vermutung, dass die Angiogenese eine wichtige Rolle bei der Geweberegeneration spielt und dass die VEGF-Produktion den
Haupt-mechanismus darstellt, der die Angiogenese und Osteogenese miteinander verbindet (CARANO u. FILVAROFF, 2003).
2.5.2.1 Funktion und Struktur von VEGF
Zu der VEGF-Familie gehören neben VEGF-A die verwandten Faktoren VEGF-B, VEGF-C, VEGF-D, VEGF-E und der placenta growth factor (PIGF), über dessen Funktion und Bedeutung noch wenig bekannt ist (KROLL u. WALTENBERGER, 2000). Im Folgenem bezieht sich der Terminus VEGF auf das VEGF-A.
Das humane VEGF-Gen besteht aus 8 Exonen. Ein Exon ist der Teil eines
eukaryontischen Gens, das nach den Spleißen erhalten bleibt. Durch alternatives Exon-Splicing entstehen sechs Isoformen mit einer Aminosäurenanzahl von 121, 145, 165, 183 und 206 (VEGF121, VEGF145, VEGF165, VEGF183, VEGF206). VEGF165
ist die am häufigsten exprimierte Isoform und wird von vielen normalen und trans-formierten Zellen gebildet. VEGF ist ein basisches Heparin-bindendes, homodimeres Glykoprotein mit einer Molekülmasse von 46 kDa (KROLL u. WALTENBERGER, 2000; FERRARA et al., 2003).
Die Eigenschaften von natürlichen VEGF decken sich weitestgehend mit denen des VEGF165 (FERRARA et al., 2003).
In adulten Geweben ist VEGF nur schwach nachweisbar. Makrophagen, T-Lympho-cyten, Fibroblasten, KerationoT-Lympho-cyten, Muskelzellen und Endothelzellen sind in der Lage unter pathologischen Bedingungen VEGF und auch seine Rezeptoren in großer Menge bereitzustellen (KROLL u. WALTENBERGER, 2000). Für die Induktion der VEGF-Genexpression gilt sowohl in vivo als auch in vitro die Hypoxie als das stärkste Signal (BANAI et al., 1994; KALKA et al. 2000). Daneben regulieren eine Reihe von inflammatorischen Cytokinen und Wachstumsfaktoren die Expression.
Hierzu gehören Interleukin-1b (IL-1b), IL-6, PDGF, TGF-α, TGF-β und der epidermal growth factor (EGF) (KALKA et al., 2000).
Für die Signalübertragung konnten die Rezeptor-Tyrosin-Kinasen Flt-1 (fms-like receptor tyrosin kinase; VEGFR-1) und Flk-1/KDR (fetal liver kinase-/kinase-insert domain containing receptor; VEGFR-2) identifiziert werden. Eine Aktivierung von VEGFR-2 bewirkt eine Proliferation und Migration von Endothelzellen. Des Weiteren wird die Gefäßpermeabilität erhöht, die Expression von Proteasen stimuliert und Stickstoffmonoxid freigesetzt. Eine Aktivierung von VEGFR-1 fördert die Migration von Monocyten (GERBER et al., 1999; KROLL u. WALTENBERGER, 2000).
2.5.2.2 Therapeutischer Einsatz von VEGF
VEGF wird im Rahmen der therapeutischen Stimulierung der Angiogenese
verwendet. Als ein potenter Angiogenesefaktor ist er in der Lage, dass Wachstum von neuen Kollateralgefäßen zu initiieren. Ursprüngliche wurde VEGF als eine Alternative zur chirurgischen Behandlung von Beschwerden auf Grund einer mangel-haften Gewebeperfusion getestet. TAKESHITA et al. (1994) zeigten, dass es nach einer chirurgisch induzierten peripheren arteriellen Ischämie am Kaninchenhinterlauf durch die intramuskuläre (i. m.) Gabe von rekombinaten humanen VEGF165
(rhVEGF165) zu einer signifikanten Erhöhung der Durchblutung und einer Bildung von Kollateralgefäßen kommt. BANAI et al. (1994) konnten im Hundemodell zeigen, dass durch die intracoronare Gabe von VEGF eine Verbesserung der Blutflussrate und eine Steigerung der Gefäßdichte am ischämischen Myokard erreicht werden kann.
Auch konnte in einer Studie am Schwein gezeigt werden, dass die lokale, peri-vaskuläre Gabe kleiner Mengen eines Plasmids, welches für VEGF165 kodiert, einen positiven Einfluss auf die therapeutische Angiogenese hat (NIKOL et al., 2002). Seit kürzerer Zeit wird daneben als eine weitere Möglichkeit der Einsatz von VEGF im Bereich der Knochenheilung diskutiert. So konnte gezeigt werden, dass VEGF als ein wichtiger Koordinator der Angiogenese und Knochenbildung im Bereich der Epiphyse fungiert (GERBER et al., 1999; HAIGH et al., 2000).
2.6 Angiogenese