Der Einfluss von systemisch appliziertem Wachstumshormon auf die intramembranöse Ossifikation bei der Distraktionsosteogenese: eine histomorphometrische Analyse am Yucatan Minipig

Abstract

Mehrere Studien belegen eine höhere biomechanische Stabilität des verheilten Knochens nach Applikation von Wachstumshormon (Somatotropin, GH) während der sekundären Frakturheilung (25, 27, 170, 224). Zudem wird eine schnellere Kallusbildung in Frakturmodellen dokumentiert. Histologisch zeigt sich unter Wachstumshormoneinfluss in früheren Versuchen jedoch eine lockere Kallusstruktur sowie ein verzögertes Model- und Remodeling (139,161). Die vorliegende Arbeit untersucht unseres Wissens nach erstmals den Einfluss von speziesspezifischem, systemisch appliziertem GH in einem Modell der Distraktionsosteogenese auf die Kallusstruktur sowie das Remodeling des Regenerates bei der Distraktion am Yucatan Micropig, in dem Versuch, den Heilungsprozess zu beschleunigen. Sie befasst sich erstmals mit der Erhebung histomorphometrischer Parameter des Knochenregenerates im Rahmen der Distraktionsosteogenese unter GH-Substitution. Die histomorphometrische Analyse erfordert die Festlegung geeigneter Parameter zur Vermessung des gebildeten Geflechtknochens. Bei 20 ausgewachsenen, weiblichen Yucatan Micropigs wird eine Tibia- und Fibulaosteotomie durchgeführt und anschließend mit einem Fixateur externe stabilisiert. Nach einer Latenzperiode von 4 Tagen wird über 10 Tage 2 mm/d distrahiert und eine Regenerationszeit von 10 Tagen eingehalten. Während des gesamten Versuchsablaufes erhalten Tiere der Versuchsgruppe (n = 10) täglich 100 µg/kgKG recombinantes porcines Wachstumshormon (r-pGH), Tiere der Kontrollgruppe (n = 10) zum gleichen Zeitpunkt ein Placebo (NaCl 0,9 %). Nach Einschläferung am Tag 25, biomechanischer Testung und histologischer Aufarbeitung wird eine quantitative histomorphometrische Analyse des gebildeten Kallus, des Knorpelanteils und des angrenzenden kortikalen Knochens durchgeführt (gesamt n = 17, GH-Gruppe n= 8, Placebo-Gruppe n = 9). In vivo- sowie in vitro-Steifigkeitsmessungen ergeben signifikant höhere Werte der wachstumshormonbehandelten Tiere (195, 198, 259). In Korrelation dazu findet sich in den Knochenregeneraten der mit GH behandelten Tiere ein signifikant größerer mineralisierter Kallus ohne Unterschied in der Kallusmikrostruktur. Das Remodeling der Kortikalis scheint bei signifikant niedriger Knochendichte weiter vorangeschritten. Trotz vorherrschender intramembranöser Ossifikation werden in beiden Gruppen Knorpelinseln gesehen (20, 21, 22,194). Die vorliegende Arbeit zeigt eine Akzeleration der Kallusformation im Regenerat und belegt eine Beschleunigung der Regeneratkonsolidierung, i. e. der Ossifikations- und Remodelingprozesse unter Wachstumshormonsubstitution bei Distraktionsosteogenese, ohne Veränderung der Mikrostruktur (21). Zukünftig als klinische Methode angewandt, kann es zu einer erheblichen Verkürzung der Ausheilungszeit nach Extremitätenverlängerung oder Segmenttransport beitragen. Klinisch ist die Anwendung von Wachstumshormon bereits in Erprobung.

Several studies demonstrate a higher biomechanical stability of healed bone during secondary fracture healing after application of growth hormone (Somatotropin, GH) (25, 27, 170, 224). In addition, faster callus formation in fracture models is documented. Under hormonal influence of GH in earlier studies, however, a loose callus-structure as well as a delayed model – and remodeling is histologically reported (139, 161). The present study examined, to our knowledge, for the first time the influence of systemically applied species-specific recombinant porcine growth hormone (r-pGH) on callus- structure and on remodeling of bone regenerates in a distraction osteogenesis model with Yucatan Micropigs, in an attempt to accelerate the maturation. Our study collected for the first time histomorphometric dates of the regenerate as part of distraction osteogenesis under GH-application. The histomorphometric analysis required to establish suitable parameters for measurements on intramembranous bones. In 20 mature female Yucatan Micorpigs, the fibula and tibia were osteomized, and subsequently stabilized with an external fixator. After a 4 day latency period, a distraction with 2 mm daily over 10 days was performed, followed by a ten-day regeneration time. During the trial, micropigs in the study group (n=10) received a daily injection of 100µg per kilogram body weight of recombinant porcine growth hormone (r-pGH), as micropigs in the control group (n=10) received sodium chloride as placebo. After killing on day 25, biomechanical testing and histological preparation a quantitative histomorphometrical analysis of the formed callus, cartilage and adjacent cortical bone were performed (GH=8, Placebo=9). In vivo- and in vitro-stiffness were significantly higher in r-pGH treated animals (195, 198, 259). In correlation the regenerate of the r-pGH treated micropigs showed a significantly larger mineralized callus area but no difference in callus microstructure. The remodeling of the cortical bone seemed more progressed because of significantly lower cortical density. Beside of dominated intramembranous ossification we found although island of cartilage in both groups (20, 21, 22,194). The present Study demonstrated an acceleration of maturation of the regenerate and proofed an acceleration of consolidation; it means the processes of ossification and remodeling in distraction osteogenesis under growth hormone, without change in microstructur (21). This may prove to be useful in clinical tool for shortening the healing time in limb lengthening or bone segment transport. Clinically growth hormone is already in testing.