Einfluss pluripotenter mesenchymaler Zellen auf die Knochenheilung im atrophen Pseudarthrosemodell der Ratte - Biomechanische Untersuchung

Abstract

EINLEITUNG: Die durchgeführte Untersuchung ist eine tierexperimentelle Studie im Rattenmodell. Im Mittelpunkt stehen die atrophe Pseudarthrose sowie Möglichkeiten ihrer zellbasierten Therapie. Dabei sollen folgende Hypothesen untersucht werden: 1\. Eine atrophe Pseudarthrose kann durch thermische Destruktion des Periosts und die Entfernung des Knochenmarks in einer Osteotomie des Rattenfemurs induziert werden. 2\. Die Transplantation autologer MSCs fördert die Heilung der atrophen Pseudarthrose im langen Röhrenknochen. 3\. Eine osteogene in vitro Prädifferenzierung der Zellen verstärkt den Heilungseffekt. MATERIAL & METHODEN: 36 männlichen Sprague- Dawley Ratten wurde das linke Femur osteotomiert und mit einem neu entwickelten, biomechanisch standardisierten Fixateur externe versorgt. Die Heilungsergebnisse wurden biomechanisch und radiologisch nach 14 und 56 Tagen geprüft. Zur Schaffung einer avitalen Situation wurde das Periost 2 mm proximal und distal der Osteotomie kauterisiert. Der Eingriff resultierte in einem Modell einer atrophen Pseudarthrose. In zwei Behandlungsgruppen erhielten die Tiere am zweiten postoperativen Tag eine perkutane Injektion autologer pluripotenter mesenchymaler Zellen bzw. autologer osteogener Zellen. ERGEBNISSE: Bereits nach 14 Tagen zeigten die Tiere der Kontrollgruppe eine Heilungstendenz (N=2). Relativ zum intakten kontralateralen Femur wurden nach 56 Tagen das maximale Torsionsmoment bei Versagen (Median = 134,5 %, Interquartilenabstand = 145,6 135,4 %) sowie die Torsionssteifigkeit (Median 118 %, Interquartilenabstand 84 141 %) wiederhergestellt (N=8). Die Tiere der Pseudarthrosegruppe zeigten nach 56 Tagen kein Anzeichen einer Wiederherstellung der biomechanischen Kompetenz (N=8). Ein Versagen des Knochens war nicht klar abgrenzbar. Die Torsionssteifigkeit war relativ zum intakten Knochen niedrig (Median 1,8 %, Interquartilenabstand 1,2 3,2 %). Den Tieren der MSC-Gruppe (N=8) wurden native autologe mesenchymale pluripotente Zellen in den Osteotomiespalt injiziert. Die biomechanische Kompetenz nach 56 Tagen war gegenüber der der Pseudarthrosegruppe nicht signifikant verschieden (Torsionssteifigkeit: Median 3,5 %, Interquartilenabstand 1,5 6,0 %). Den Tieren der OPC-Gruppe (N=8) wurden osteogen prädifferenzierte autologe mesenchymale Zellen in den Osteotomiespalt injiziert. Nach 56 Tagen zeigte sich eine signifikant höhere Torsionssteifigkeit im Vergleich zur Pseudarthrosegruppe (Median 9,6 %, Interquartilenabstand 4,1 24,5 %, p=0,003). DISKUSSION: Das Modell einer atrophen Pseudarthrose wurde etabliert. Die Ergebnisse der Therapieversuche weisen auf eine Möglichkeit zur Therapie atropher Pseudarthrosen durch perkutan injizierte, autologe mesenchymale Zellen nach in vitro Expansion. Dabei zeigten nur die osteogen prädifferenzierten Zellen einen signifikanten Effekt, es kam jedoch nach 56 Tagen nicht zu einer knöchernen Konsolidierung. Eine zukünftige klinische Anwendung erfordert weitere Verbesserungen des aktuellen Ansatzes.

INTRODUCTION: The current study describes a newly developed model of non-union in rat. The effect of injection of mesenchymal cells on the healing process is investigated. The following hypotheses should be answered: 1\. An atrophic nonunion can be induced by an osteotomy of the rat femur followed by thermal destruction of the periosteum and local removal of the bone marrow. 2\. The grafting of autologous MSCs promotes healing of an atrophic nonunion in long bones. 3\. An in vitro osteogenic predifferentiation of the cells enhances the effect on healing. MATERIAL AND METHODS: 36 male Sprague Dawley rats (410 460 g bodyweight) received an osteotomy of the left femur, stabilized with a custom made external fixator. At 14 or 56 days,post operation the animals were sacrificed and examined biomechanically and radiologically. To create a biologically unreactive situation, the periosteum has been cautherized 2 mm proximal and distal of the osteotomy. The result of this procedure is a model of an atrophic non-union. The treatment groups received an percutaneous injection of autologous pluripotent mesenchymal (CMSC) or osteogenic progenitor cells (OPC) into the osteotomy two days post operation. RESULTS: At 14 days the animals of the control group already showed a remarkable progress of bone healing (N=2). Compared to the intact contralateral femur at 56 days, the maximum torsional failure moment was median = 134,5 % (interquartile range = 145,6 135,4 %) and the torsional stiffness was median 118 % (interquartile range 84 141 %) (N=8). The animals of the non-union group showed no restoration of the biomechanical competence after 56 days (N=8). A maximum torsional failure moment could not be detected. Relative to the intact bone, the torsional stiffness was median 1,8 % (interquartile range 1,2 3,2 %). At 56 days the animals of the MSC group (N=8) showed no significant difference of the biomechanical competence compared to the non-union group. The torsional stiffness was median 3,5 % (interquartile range 1,5 6,0 %). At 56 days (N=8) the torsional stiffness was median 9,6 % (interquartile range 4,1 24,5 %) in the OPC group which is significantly higher compared to the non-union group (p=0,021). Diskussion: A new model of an atrophic non-union has been established. The results show a remarkable possibility to cure atrophic non- unions by percutaneous injection of mesenchymal cells after in vitro expansion. The osteogenic predifferenciated cells showed a significant effect, however, the animals showed no bony union after 56 days. A possible future clinical application would need further improvements of the present technique.