Histologische, immunhistologische und histomorphometrische Untersuchungen der Wirkung von systemisch appliziertem speziesspezifischem Wachstumshormon auf einen osteochondralen Knorpeldefekt am Yucatan-Minischwein

Abstract

Es sollte überprüft werden, ob die Verabreichung eines artgleichen Wachstumshormons die Heilung standardisierter osteochondraler Defekte in Knien von Yucatan-Minischweinen in der initialen Heilungsphase beschleunigt und die Qualität des Regenerats verbessert. Bei 54 geschlechtsreifen weiblichen Yucatan-Minischweinen wurde ein osteochondraler Defekt mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Tiefe ab Knorpel-Knochen-Grenze von 1 mm im proximalen Drittel des lateralen Femurkondylus gesetzt. Die postoperative Heilungsdauer betrug bei 24 Tieren 4 Wochen (Gruppe I), 23 Tieren 6 Wochen (Gruppe II) und bei 6 Tieren 12 Wochen (Gruppe III). Jeweils die Hälfte der Tiere erhielt eine tägliche subkutane Injektion von rekombinantem porcinem Wachstumshormon in einer Dosis von 100 g/kg Körpergewicht. Im Verlauf der Heilung wurden bei jeweils 6 Tieren der Gruppen II und III Ganganalysen durchgeführt. Post mortem wurden die Femora entnommen und für histologische Untersuchungen aufbereitet. In Methylmetacrylat eingebettete Schnittpräparate wurden mit Safranin-Orange / von Kossa und Safranin-Orange / Lichtgrün gefärbt, histo-morphometrisch ausgewertet und nach OýDriscoll et al. und Wakitani et al. gescort. An Paraffinschnitten wurden die Wachstumsfaktoren BMP-6, IGF-I, IGF-II, IGF-I-Rezeptor und TGF-ß und Gefäße mit anti- smooth muscle actin immunhistochemisch nachgewiesen. Die Ganganalyse ergab eine initiale signifikante Entlastung des Hinterbeins für annähernd zwei Wochen. Die histomorphometrische Auswertung und beide Scores zeigten, daß der Anteil an neugebildetem Knochen und Knorpel über den Heilungsverlauf zu und der bindege-webige und nichtgefüllte Anteil abnahm. Innerhalb der Gruppe II war bei den mit Wachs-tumshormon behandelten Tieren ein signifikant erhöhter Anteil an neugebildetem Knochen und kompletter Defektfüllung zu beobachten. Die immunhistochemische Darstellung ergab, daß alle aktiven Zelltypen, wie Fibroblasten, Osteo- und Chondroblasten und ýklasten sowie deren Vorläufer, in der Lage waren, alle getesteten Wachstumsfaktoren gleichzeitig und zu allen betrachteten Zeitpunkten zu exprimieren. Im Laufe der Heilung konnte eine Vermin-derung dieser Zellarten beobachtet werden. Die Gefäßdarstellung ergab eine geringere Gefäßdichte bei den mit Wachstumshormon behandelten Tieren der Gruppe II. Eine hochdosierte tägliche Gabe von artgleichem Wachstumshormon scheint in der Lage zu sein, die initialen Regenerationsprozesse bei der Heilung eines osteochondralen Defekts zu beschleunigen. Im Vergleich mit anderen Studien zeigt die Applikation von Wachstums-hormon in dem vorliegenden Versuchsaufbau einen geringfügig heilungsbeschleunigenden Effekt. Wenn man eventuell auftretende Nebenwirkungen und die Kosten einer Behandlung mit Wachstumshormon berücksichtigt, muß systemische Anwendung von Wachstumshormon bei einem derartigen osteochondralen Defekt zurückhaltend bewertet werden.

The aim of this study was to investigate if the application of species- specific growth hormone is capable of improving the quality of regenerative tissue during the early stages of osteochondral defect healing. An osteochondral defect (diameter 6 mm, 1 mm penetration into subchondral bone) was created in the proximal third of the left lateral femoral condyle in each of 54 mature female yucatan-minipigs. The animals were randomly divided into three groups with a postoperative healing time of four, six and twelve weeks. Half of the animals in each group received a daily injection of recombinant porcine growth hormone (100 g/kg bodyweight). Gait analysis was performed on twelve pigs of the six and twelve week group at regular intervals throughout the healing period. After sacrifice, all lateral femoral condyles were sawed in the sagittal plane, vertically halving the osteochondral defects. The lateral parts of all specimens were embedded in methylmethacrylate. Serial slices stained with Safranin-orange/von Kossa and Safranin-orange/fastgreen were analysed histomorphometrically, using a computerized image analysis system. In addition, histomorphometrical scores (OýDriscoll and Wakitani) were obtained. Immunohistochemistry was performed on the paraffin-embedded medial parts of the specimens with the following antibodies: anti-BMP-6, anti-IGF-I, anti-IGF- II, anti-IGF-I-receptor, anti-TGF-ß. Vessels were stained with anti- smooth muscle actin. Gait analysis showed a significant initial unloading of the hindlimb for approximately two weeks postoperatively, with all animals returning to normal loading shortly thereafter. The histomorphometrical analysis and scoring displayed an increase in the amounts of both new bone and cartilage over time. Similarly, the amounts of fibrous tissue and non-filled area decreased. In the six week group, significantly more bone and complete filling of the defect could be seen in the animals treated with growth hormone. All active types of cells, e.g. fibroblasts, osteo- and chondroblasts and their precursor cells were able to express all tested growth factors simultaneously. The numbers of each of these declined over time. Six weeks postoperatively, the animals treated with growth hormone, showed a lower vascular density than the animals treated with placebo. The daily systemic application of species-specific growth hormone in a high dosage therefore seems capable of improving the initial process of regeneration of osteochondral defects. Compared to other studies, however, this osteochondral defect regeneration appears to be less effective. Considering the possible side effects and the costs of this form of treatment, the systemic administration of growth hormones for osteochondral defects appears unreasonable.