Einfluss der Osteotomie und Fraktur auf die Knochenheilung im Mausmodell : Eine experimentelle Vergleichsstudie

Abstract

1.1 Zusammenfassung Zur Untersuchung molekularer Mechanismen der Frakturheilung existiert bereits eine Vielzahl von Osteotomie- und Frakturmodellen der Maus. Bis dato gibt es jedoch nur wenige Informationen darüber, ob sich der Heilungsprozess nach Osteotomie oder Fraktur des Knochens unterscheidet. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die Unterschiede im Heilungsprozess nach Osteotomie und Fraktur am Femur der Maus zu untersuchen. Insgesamt wurden für diese Studie 40 CD-1 Mäuse untersucht. Bei 20 Mäusen wurde eine offene Osteotomie durchgeführt. Bei weiteren 20 Mäusen wurde das Femur offen frakturiert. In beiden Gruppen erfolgte die Stabilisierung mittels intramedullärer Schraube. Die Knochenheilung wurde nach zwei und fünf Wochen postoperativ radiologisch, biomechanisch, histologisch, immunhistologisch, sowie mittels Western Blot Analyse untersucht. Nach Osteotomie der Knochen zeigte sich eine signifikant geringere Biegesteifigkeit im Vergleich zur Frakturgruppe. In den Mikro-Computertomographie- Untersuchungen (μ-CT) konnte ein geringerer Anteil von Knochengewebe im neu gebildeten Kallus nach Osteotomie nachgewiesen werden. Ebenso zeigte sich histologisch ein signifikant geringerer Anteil an Knochengewebe im Kallus nach Osteotomie (26% und 88% zwei Wochen bzw. fünf Wochen postoperativ) im Vergleich zur Frakturgruppe (50% und 100%). Insgesamt zeigte sich ein verzögerter Remodelingprozess nach Osteotomie der Femora. Interessanterweise unterschied sich die Expression der beiden Wachstumsfaktoren bone morphogenetic protein (BMP)-2 und (BMP)-4 in der Western Blot Analyse nicht signifikant. Es konnte jedoch eine höhere Expression von Kollagen-2, sowie der angiogenen Wachstumsfaktoren Cystein rich protein (Cyr)-61 und vascular endothelial growth factor (VEGF) in der Osteotomiegruppe nachgewiesen werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Heilungsprozess nach Osteotomie im Vergleich zur Fraktur deutlich verzögert ist. Dies sollte bei Studien zur Untersuchung molekularer Mechanismen der Frakturheilung berücksichtigt werden.

1.2 Summary Murine osteotomy and fracture models have become the standard to study molecular mechanisms of bone healing. Because there is little information whether the healing of osteotomies differs from that of fractures, we herein studied in mice the healing of femur osteotomies compared to femur fractures. Twenty CD-1 mice underwent a standardized open femur osteotomy. Another 20 mice received a standardized open femur fracture. Stabilization was performed by an intramedullary screw. Bone healing was studied by micro-CT, biomechanical, histomorphometric, immunhistochemical and protein expression analyses. Osteotomies revealed a significantly lower biomechanical stiffness compared to fractures. Micro-CT showed a reduced bone/tissue volume within the callus of the osteotomies. Histomorphometric analyses demonstrated also a significantly lower amount of osseous tissue in the callus of osteotomies (26% and 88% after 2 and 5 weeks) compared to fractures (50% and 100%). This was associated with a delayed remodeling. Western blot analyses demonstrated comparable bone morphogenetic protein (BMP)-2 and (BMP)-4 expression, but higher levels of collagen-2, cystein rich protein (Cyr)-61 and vascular endothelial growth factor (VEGF) after osteotomy. Therefore, we conclude that open femur osteotomies in mice show a markedly delayed healing when stabilized less rigidly with an intramedullary screw. This should be considered when choosing a model for studying the mechanisms of bone healing in mice.