Verzögerte oder inadäquate Knochenheilung nach Frakturen ist eine Problemstellung der modernen Orthopädie und Unfallchirurgie mit bedeutendem klinischen und gesundheitsökonomischen Ausmaß. Die Entwicklung von sogenannten Pseudarthrosen, also Fehlgelenken aus mechanisch instabilen fibrösem Gewebe, führt zu kostenintensiven Therapieverläufen mit erheblichen Einbußen an Lebensqualität für die betroffenen Patienten. In Anbetracht der demographischen Entwicklung wird das Risiko für solchartige Komplikationen, unter Annahme einer steigenden Prävalenz von metabolischen Grunderkrankungen, die als Risikofaktoren für eine verzögerte Knochenheilung gelten, stetig erhöhen. Es gibt bereits zahlreiche experimentelle Ansätze zur Stimulation der Knochenheilung, keines lässt jedoch bisher eine sichere primäre und einzeitige Therapie zu. In dem hier vorgestellten in vivo Versuchssetting wurde die lokale Applikation von aufgereinigten Zellen aus dem peripheren Blut untersucht. Dieses bietet sich aufgrund der guten klinischen Erreichbarkeit als ideale Quelle an. In Vorversuchen wurden Bestandteile des peripheren Blutes in vitro hinsichtlich ihrer immunmodulatorischen, pro-angiogenen und -osteogenen Kapazitäten hin untersucht. Zusätzlich wurde analysiert, ob sie ohne vorherige Stimulation in ausreichender Quantität im peripheren Blut aufzufinden sind. Entsprechend identifizierte CD31+ Zellen und Subpopulationen wurden aufgereinigt und in einem Blutclot mindestens 12 Monate alten, weiblichen Ratten, die bereits mehrfach geworfen hatten und somit eine biologisch gestörte Knochenheilung aufweisen, in eine 2mm Osteotomie des Femurs eingesetzt. Diese wurde mittels Fixateur externa stabilisiert. Der Kern meiner Arbeit lag in der Durchführung von radiologischen Analysen der Tiere mittels µCT-Studien. In vivo wurden dabei Aufnahmen 2, 4 und 6 Wochen nach Implantation durchgeführt, sowie abschließend, in höherer Auflösung, in vitro Studien von den explantierten Knochen. Die Evaluation der erhaltenen Daten zeigte dabei das beste Outcome bei den Tieren, denen CD31+ Zellen implantiert wurden im Vergleich zu denen, die die komplette Fraktion der peripheren mononukleäre Zellen (PBMC) erhielten. Die am zweitbesten heilende Gruppe stellten die Tiere dar, die CD31+/14+ Zellen erhielten, gefolgt von der CD31+/14- Gruppe. Als radiologische Parameter für die Heilung wurde dabei das totale sowie das knöcherne Volumen (TV und BV) über einer definierten region of interest (ROI) der Osteotomie herangezogen. Aus den in vitro Aufnahmen konnte des Weiteren eine Analyse der trabekulären Strukturen erfolgen. Auch hierbei stellte die Gruppe der Tiere, welche die CD31+ Gesamtfraktion erhielten, die höchste Anzahl an neuformierten trabekulären Strukturn sowie des geringesten intertrabekulären Zwischenraums dar. Des Weiteren zeigte diese Untersuchungsgruppe nach sechs Wochen sogar teilweise eine Überbrückung der Osteotomie. Diese Ergebnisse ließen sich innerhalb der Arbeitsgruppe auch durch sich anschließende immunhistologische Untersuchungen bestätigen. CD31+ Zellen sind also eine Zellpopulation mit immunmodulatorischen, angio- und osteostimulativen Kapazitäten des peripheren Blutes, mit dem Potential, eines Tages Frakturpatienten mit prognostisch schlechterer Knochenheilung eine einzeitige autologe Transplantation zur Stimulation der Heilung zu ermöglichen.
Delayed or incomplete bone healing in case of fracture is a substantial problem with huge economic and clinical impact in orthopedics and trauma surgery. Occurance of so-called Pseudarthrosis (Non-union, establishing out of mechanical instable bone tissue) causes expensive clinical courses with significant loss of life-quality for affected patients. Concerning our demographic development, such complications are expected to occure more often, due to higher prevalence of metabolic diseases, diminished regenerative capacities and altered immune responses, which are named for causing a higher risk of delayed bone healing. There are already a few experimental approaches to stimulate bone healing, but none of them gives the chance for a safe primary treatment in a single first therapy-session. In this in vivo study, local application of purified cells from peripheral blood was investigated. Because of its good clinical availability, peripheral blood seems to be a good source for acquiring cells with bone healing capabilities. In previous studies, cells from peripheral blood with pro-osteogenic and -angiogenic capacities were identified and investigated concerning their quantity in peripheral blood without being stimulated previously. Identified CD31+ cells and subpopulations have been purified and suspended into a blood clot, which got implanted into a 2mm femur osteotomie gap of minimum 12 month old, female rats, which develops a non-union without additional biological stimuli. The osteotomies werde stabilized by external fixation. In my study, I performed radiologic analysis by operating µCT-studies. There were in vivo studies, performed 2, 4 and 6 weeks after implantation and additionally final in vitro studies of explanted femura with higher resolution. Evaluation of revealed data, showed best outcome for those rats, who received the whole entity of CD31+ cells into their osteotomy gap, compared to them who received the whole fraction of peripheral mononuclear cells (PBMCs) as control group. Second-best healing group was CD31+/14+, followed by CD31+/14-. Analyzes radiological markers for bone healing were analyzed total and bone volume ( TV & BV) of defined region of interest (ROI) over the osteotomy gap. In vitro Analysis gave the opportunity to compare the trabecular structure of newly formed tissue. Concerning this, the CD31+ group showed the best healing as well, with highest numbers of newly formed trabecels and smallest intertrabecular space. On top, after 6 weeks, some of the investigated rats of CD31+ group even showed a partly over-bridged osteotomy. This results were confirmed by additionally performed immunehistological analysis within our research group. So in fact, CD31+ cells from peripheral blood with immune-modulatory, pro- angiogenic and -osteogenic capacities could become a potential source for an aultologous transplantation to fracture-patients with expected poor bone healing outcome to improve their chance of healing.
