Die Auswirkung von Schädel-Hirn-Trauma auf die Frakturheilung langer Röhrenknochen: eine computertomographisch- und biomechanisch-experimentelle Studie an Leptin- defizienten Mäusen

Abstract

Fragestellung: Die klinische Erfahrung zeigt, dass das Verletzungsmuster aus kombiniertem Schädel-Hirn-Trauma (SHT) und der Fraktur eines langen Röhrenknochens zu einer vermehrten Kallusbildung führen kann. Dieser Effekt konnte von unserer Arbeitsgruppe in einem eigenen Tiermodell an Wildtyp- Mäusen bereits bestätigt werden. Die genauen pathophysiologischen Mechanismen dieses Phänomens sind jedoch weiterhin unklar. Es ist bekannt, dass das Hormon Leptin nach SHT vermehrt exprimiert wird. Zudem ist bekannt, dass Leptin proliferationsfördernd auf den Knochenstoffwechsel wirken kann. Ziel dieser Studie war es deshalb, die Frakturheilung von Leptin-defizienten Mäusen morphologisch mittels Mikro-CT (μCT) und funktionell mittels Biomechanik-Testung zu analysieren und den Einfluss eines zusätzlichen SHT zu erfassen. Methodik: 138 weibliche 12 Wochen alte B6.V-Lep-ob/JRj-Mäuse (ob/ob) (Firma Janvier, Saint Berthevin, Frankreich) wurden in 4 Gruppen aufgeteilt: Kontrolle (n=28), Fraktur (n=37), SHT (n=35), Kombination (SHT+Fraktur) (n=38). Die Frakturen wurden am linken Femur standardisiert durch eine 0,7 mm Osteotomie erzeugt und mit einem steifen Fixateur-Externe (RISystem, Davos, Schweiz) stabilisiert. Das Schädel-Hirn-Trauma erfolgte mit dem Modell der Controlled-Cortical-Impact-Injury (CCI) am linken Kortex. Postoperativ wurden einmal pro Woche in-vivo μCT-Scans der Frakturen (Kallusvolumen- und dichte) durchgeführt. Mittels sagittaler und frontaler Rekonstruktionen wurden die Frakturen außerdem hinsichtlich ihrer Überbrückung durch ein Scoring- System bewertet. Drei bzw. vier Wochen postoperativ erfolgte die biomechanische Torsionstestung (max. Drehmoment, max. Steifigkeit) nach Tötung der Tiere. Ergebnisse: Die μCT-Untersuchung zeigte in der Fraktur- und Kombinationsgruppe einen signifikanten Anstieg des Kallusvolumens und der Kallusdichte. Signifikante Unterschiede zwischen beiden Gruppen im Kallusvolumen und in der Kallusdichte bestanden jedoch zu keinem Messzeitpunkt. Die Bewertung der Fraktur-Überbrückung durch einen radiologischen Score zeigte nach drei Wochen eine Pseudarthrosenrate von 93,4% inner- halb der Frakturgruppe und von 96,7% in der Kombinationsgruppe. Nach vier Wochen wiesen beide Gruppen eine Pseudarthrosenrate von 83,4% auf. Bei der Torsionstestung zeigten sowohl die Fraktur- als auch die Kombinationsgruppe relativ niedrige Werte im Drehmoment und in der Steifigkeit. Signifikante Unterschiede zwischen beiden Gruppen bestanden auch hier nicht. Schlussfolgerung: Der Vergleich mit dem identischen Studiendesign unserer Arbeitsgruppe an Wildtyp-Mäusen zeigt, dass ob/ob-Mäuse mit isolierter Fraktur eine reduzierte Frakturheilung aufweisen. Diese ließ sich auch nicht durch ein zusätzliches Schädel-Hirn- Trauma verbessern. Wir schlussfolgerten deshalb, dass die vermehrte Kallusbildung nach SHT auf das Leptin-Signaling angewiesen sein könnte.

Introduction: It is well known that patients suffering from traumatic brain injury (TBI) can show increased callus formation in long-bone fractures. In an experimental study we were able to reproduce this effect in wild-type mice. The underlying mechanisms of this phenomenon, however, are poorly understood. We do, however, know that expression of the hormone leptin is significantly increased following TBI. Additionally, leptin seems to be able to increase bone growth. In this study the fracture healing of leptin-deficient mice with TBI and without TBI was analyzed morphologically using micro CT (μCT) and bio- mechanically with a torque test in order to further clarify the role of leptin in the course of exuberant callus formation after TBI. Method: 138 female 12 weeks old B6.V-Lep-ob/JRj mice (ob/ob) (Company Janvier, Saint Berthevin, France) were divided into 4 groups: Control (n = 28), Fracture (n = 37), TBI (n = 35), Combined Trauma (TBI + Fracture) (n = 38). The osteotomy gap was sawed at 0,7 mm at the left femur and stabilization was achieved using an external fixator (RISystem, Davos, Switzerland). The TBI was induced at the left cortex with a Controlled Cortical Impact Injury (CCI). Postoperative in- vivo μCT scans (callus volume, callus density) were performed weekly. Using frontal and sagittal reconstructions, the bridging of the osteotomy gap was also evaluated with a scoring system. After three and four weeks the animals were sacrificed and biomechanical testing (max. torque, max. sti ness) was performed. Results: μCT showed a significant increase of callus volume and callus density in the Fracture and Fracture + TBI group. However, differences between both groups at any time points were not significant. The μCT scoring system revealed non-union rates of 93,4% and 96,7% at 3 weeks in the Fracture and Combined Trauma group, respectively. After 4 weeks, both groups showed non-union rates of 83,4%. Also, the biomechanical analysis could not show significant differences in max. torque and max. stiffness between the fracture and combined trauma group. Conclusion: In this study we could show, along with the results from our wild typ study, that fracture healing is impaired in leptin-deficient mice. Furthermore, TBI does not improve fracture healing in ob/ob mice. Given these results we can conclude that the exuberant callus formation often seen after TBI is dependant on leptin signaling.