Auswirkungen der Applikation von CD31+ Zellen aus dem peripheren Blut auf die biologisch verzögerte Knochenheilung zu frühen Zeitpunkten: histologische Analysen am Tiermodell

Abstract

Knochengewebe besitzt die besondere Fähigkeit, sich nach einer Fraktur wieder vollständig zu regenerieren. Trotzdem kommt es bei 5-10 % der Patienten nach einem Knochenbruch zur beein- trächtigten Knochenheilung. Mit einer älter werdenden Bevölkerung nimmt diese Entwicklung zu. Eine verlängerte Therapiedauer, höhere Kosten für das Gesundheitssystem und eine schlechtere Lebensqualität für Patienten sind die Folgen. Dem kann mit den bisherigen Therapieoptionen nur unzureichend vorgebeugt werden. Ursächlich für eine gestörte Heilung können eine beeinträchtigte Angiogenese und eine prolon- gierte Entzündungsreaktion sein. Im Rahmen der Entwicklung neuer Therapieverfahren wurde deshalb bereits der positive Effekt der lokalen Applikation pro-angiogen und immunmodulatorisch wirksamer CD31+ Zellen überprüft und zu einem späten Heilungszeitpunkt nachgewiesen. In der vorliegenden Arbeit wird die Wirkung der Zellen auf Angiogenese und Inflammation sowie die damit verbundene Gewebedifferenzierung zu früheren Heilungszeitpunkten näher charakterisiert. In einem bereits etablierten Tiermodell für eine biologisch verzögerte Frakturheilung wurde weib- lichen, 12 Monate alten Sprague-Dawley Ratten ein artifizielles Hämatom mit entweder der Ge- samtheit an PBMCs (Kontrollpopulation) oder einer angereicherten CD31+ Zellpopulation in ei- nen 2 mm breiten Osteotomiespalt transplantiert. Um die frühen Zeitpunkte zu analysieren, wurden die Tiere 3 und 7 Tage nach Osteotomie euthanasiert und histologische Untersuchungen an den kryokonservierten Präparaten durchgeführt. Mittels deskriptiver und quantitativer Analy- sen wurde die Gefäßsituation und die Entwicklung des neu entstandenen Gewebes beurteilt. Die CD31+ Zellapplikation führte zu einer signifikant geringeren Menge an Bindegewebe und einem signifikant größeren Bestand des artifiziellen Hämatoms 7 Tage nach Osteotomie. Die Menge an mineralisiertem Gewebe lag in der CD31 Gruppe über, die des gebildeten Knorpelge- webes unter den Werten der PBMC Gruppe. Aus den histologischen Analysen wurde abgeleitet, dass die immunregulative Wirkung der CD31+ Zellen einen längeren Erhalt des Frakturhämatoms bedingt und darüber der immunregulative und osteogene Effekt der CD31+ Zellen ausgedehnt wird. Dies beeinflusst vermutlich auch den Matrix-Umbau und verhinderte einen unilateralen Ver- schluss des Markraums in der CD31 Gruppe. Dieser ist für die Ausbildung von Pseudarthrosen charakteristisch und war in der PBMC Gruppe zu beobachten. Ein positiver Einfluss der CD31+ Zellapplikation auf die Angiogenese zu frühen Zeitpunkten ließ sich mit der erhobenen Gefäßan- zahl im Vergleich zur PBMC Gruppe nicht feststellen.

Die ergänzenden Erkenntnisse dieser Arbeit über die Wirkung der CD31+ Zellen zu Beginn der Heilung können helfen, ihren zukünftigen Einsatz im Rahmen neuer Therapieoptionen voranzu- treiben. Da sie als periphere Blutzellen leicht und kostengünstig zu gewinnen sind, stellen die CD31+ Zellen einen vielversprechenden Ansatz bei der Therapie beeinträchtigter Frakturheilung dar.

Bone tissue has the potential to regenerate completely after a fracture. Nevertheless, 5-10% of patients experience impaired bone healing. With an aging population, poor healing processes increase. The consequences are an extended duration of therapy, higher costs for the health system and a poorer quality of life for patients. Current therapies cannot prevent these events sufficiently. Impaired fracture healing can be caused by disturbed angiogenesis and a prolonged inflammatory phase. As part of the evaluation of new therapy methods, local administration of pro-angiogenic and immunomodulatory CD31+ cells was evaluated in preliminary studies and already proven successful by assessment of late healing stages. The present work examines the effect of the cell application on angiogenesis and inflammation and the associated tissue differentiation at earlier healing stages. In an established animal model for biologically impaired fracture healing an artificial hematoma, either containing PBMCs (control population) or an enriched CD31+ cell population, was transplanted into a 2 mm osteotomy gap of female, 12-month-old Sprague-Dawley rats. To analyze the early healing stages, the animals were euthanized 3 and 7 days after osteotomy and histological examinations were carried out on the cryo-preserved specimens. By descriptive and quantitative analyses, the vascular situation and the newly formed tissue were assessed. CD31+ cell application led to a significantly lower amount of connective tissue and a significantly larger residual of the artificial hematoma 7 days after osteotomy. The amount of mineralized tissue was higher, the amount of newly formed cartilage lower in the CD31 group compared to the PBMC group. It was deduced that the immunoregulatory effects of the CD31+ cells cause a prolonged retention of the fracture hematoma which in turn extends the immunoregulatory and osteogenic effects of the CD31+ cells. This may also influence the matrix remodelling as CD31+ cell application prevented a unilateral closure of the medullary channel. This characteristic of the formation of a non-union was observed in the PBMC group. A positive impact of CD31+ cell application on angiogenesis at early healing stages could not be confirmed by the number of vessels counted in comparison to the PBMC group. The additional findings of this work can help to advance future use of the CD31+ cells in the context of new therapy options. Since they are easy and inexpensive to obtain, the CD31+ cells represent a promising approach in the treatment of impaired fracture healing.