Die Behandlung von Knochendefekten stellt hohe Anforderungen an die moderne Medizin. Eine Therapie, sei sie konservativer oder operativer Natur, muss immer auf die biologische Situation des Patienten abgestimmt werden. Dabei darf das Alter nicht außer Acht gelassen werden, um optimale biomechanische Umgebungsbedingungen für eine vollständige Heilung zu gewährleisten. Ziel der vorliegenden Arbeit war es biomechanische und radiologische Unterschiede in der Knochendefektheilung alter und junger Ratten unter dem Einfluss variabler Fixationssteifigkeit aufzuzeigen. Hypothesen der Arbeit waren zum einen die biomechanische Überlegenheit des ausgeheilten Kallusgewebes junger Tiere gegenüber alten Tieren; zum anderen ein biomechanisch besseres Heilungsergebnis rigide fixierter Tiere innerhalb der jeweiligen Altersgruppe. 36 weibliche Sprague-Dawley Ratten wurden in vier Gruppen von je neun Tieren aufgeteilt, Gruppe JS und JR bestand aus jungen Tieren mit einem Alter von 12 Wochen. Gruppe AS und AR bestand aus Ratten mit einem Alter von 12 Monaten. Während Gruppe JS und AS mit der semi-rigiden Konfiguration (Offset 15 mm) des externen Fixateurs versorgt wurden, erfolgte die Operation in den Gruppen JR und AR mit dem rigiden Setup (Offset 7,5 mm). Nach sechs Wochen wurden beide Femora der Tiere entnommen und hinsichtlich Steife und maximalem Drehmoment untersucht. Weiterhin wurde radiologisch die Kallusquerschnittsfläche der Femora sowie die Überbrückung des Knochendefektes durch Kallusgewebe bestimmt. Sechs Wochen post OP zeigte sich eine signifikante statistische Interaktion zwischen Alter und Fixation (p<0,0001). Die torsionale Steife der Gruppe JR war signifikant höher als die der übrigen Gruppen (JS: p<0,001; AR: p<0,001; AS: p<0,001). Weiterhin zeigte Gruppe JS ein signifikant höhere torsionale Steife gegenüber Gruppe AS (p=0,006) und AR (p=0,046). Die Testung des maximalen Drehmomentes zeigte eine signifikante statistische Interaktion beider Variablen (p=0,0002). Weiterhin zeigten sich signifikante Unterschiede zwischen AR und JS (p<0,001), AS (p=0,046) und JR (p<0,001). Gruppe JR zeigte ein höheres maximales Drehmoment verglichen mit JS (p=0,012) und AS (p=0,001). Zum Zwei-Wochen-Zeitpunkt zeigte die Gruppe JR (p=0,006) einen signifikant höheren radiologischen Score im Vergleich zu Gruppe JS (p=0,05) und AR (p=0,009). In Woche sechs post OP (p=0,032) fand sich eine signifikant höhere Konsolidierungsrate der Gruppe JS gegenübergestellt Gruppe AS (p=0,024) und AR (p=0,015) und Gruppe JR gegenübergestellt Gruppe AR (p=0,038). Die KQF der Gruppe JS war in der zweiten Woche größer als die der alten Gruppen (AS: p=0,025; AR: p=0,003). Die KQF der Gruppe JR gegenübergestellt Gruppe JS war signifikant kleiner zum Vier- als auch zum Sechs-Wochen-Zeitpunkt (Woche vier, sechs: p=0,002). Der Vergleich mit Gruppe AS zeigte zum Sechs-Wochen-Zeitpunkt ein ähnliches Ergebnis (p=0,03). Diese Studie belegt den maßgeblichen Einfluss des biologischen Alters und der mechanischen Umgebung auf das Ergebnis der Knochendefektheilung. Vor dem Hintergrund der bisher hauptsächlich bei jungen Tieren durchgeführten Versuche zeigt diese Studie, dass bei jungen Individuen optimale Fixationsbedingungen nicht zwangsläufig auf alte Individuen übertragbar sind und so wie hier zu einem inversen Ergebnis führen können. Eine an das biologische Alter angepasste Fixationsstabilität könnte helfen die Pseudarthroserate im klinischen Alltag zu senken und zu einer schnelleren und qualitativ besseren Knochendefektheilung führen
Non-unions and delayed healing are still prevalent complications in fracture and bone defect healing. Both mechanical stability and age are known to influence this process. However, it remains unclear which factor dominates and how they interact. Within this study, we sought a link between both factors. In 36 female Sprague-Dawley rats, the left femur was osteotomized, distracted to an osteotomy gap of 1.5 mm and externally fixated. Variation of age (12 vs. 52 weeks - biologically challenging) and fixator stiffness (mechanically challenging) resulted in 4 groups (each 9 animals): JS: young semi-rigid, AS: old semi-rigid, JR: young rigid and AR: old rigid. Qualitative and quantitative radiographical analyses were performed at weeks 2, 4 and 6 after surgery. Six weeks post-op, rats were sacrificed and femora were harvested for biomechanical testing (torsional stiffness (TS) and maximum torque at failure (MTM)). Six weeks after surgery, TS showed a significant interaction between age and fixation stiffness (p<0.0001). TS in JR was significantly higher than that in the other groups (JS: p<0.001; AR: p<0.001; AS: p<0.001). Additionally, JS showed a significantly higher TS compared to the AS (p=0.006) and AR (p=0.046). Testing of MTM showed a significant interaction of both variables (p=0.0002) and led to significant differences between AR and JS (p<0.001), AS (p=0.046) and AR (p<0.001). The JR showed a higher MTM compared to JS (p=0.012) and AS (p=0.001), whereas AR's MTM was inferior compared to AS. At 2-week follow-up, JR (p=0.006), and at 6-week follow-up, JS and JR (p=0.032) showed significantly higher radiographic scores. At 2-week follow- up, JS's callus was larger than that of the old groups (AS: p=0.025; AR: p=0.003). In JR a significantly smaller callus was observed compared to JS at time points 4 and 6 weeks (p=0.002 for both) and compared to AS at 6-week follow-up (p=0.03). The effect of age seems to invert the effect of mechanical properties of the callus, which was not correlated to callus size. Adjusting mechanical fixation stiffness to the different stages of age may help to decrease failures in bone defect healing. The underlying mechanisms and causes of the age-related influences and their clinical counterparts need to be further investigated.
