Mimicking the initial phase of fracture healing in vitro

Abstract

The initial phase after a fracture is particularly susceptible to fracture healing disorders. This is noticeable both in horses and humans. In order to better understand processes, especially during this phase, there are a number of different research approaches. While animal models, mostly conducted in small animals like mice and rats, were the only available option, possibilities to generate research results using 2D and 3D in vitro models have arisen more recently. These offer the possibility to transfer the obtained results into the human preclinical stage. The aim of this thesis was to develop an in vitro model that will help to develop new therapeutic strategies focused on fracture healing. First, an equine and a human fracture hematoma (FH model) were developed. The models show a clear overlap with ex vivo and in vivo experiments in animal and human models. Thus, essential processes (osteogenesis, inflammation, adaptation to hypoxia and angiogenesis) could be shown on the cell, RNA and protein level for the initial phase. In addition, three-dimensional scaffold-free bone constructs (bone model, SFBC) were developed, which are very similar to native initial bone in structure, cell composition and mineralization. In the final step, the immune component (FH model) was co-cultured with the bone component (SFBC) to simulate the fracture gap. This also shows significant overlap with ex vivo and in vivo experiments in animals and humans. The complete model makes it possible to mimic the initial phase of fracture healing. The later use of the model aims to provide a platform for the development of new therapeutic strategies for fracture healing and to enable drug testing, especially prior to animal testing, in order to evaluate a suitable candidate group prior to animal testing.

Besonders die initiale Phase nach einer Fraktur ist anfällig für Frakturheilungsstörungen. Dies ist sowohl im Pferd als auch im Menschen auffällig. Um Prozesse speziell während dieser Phase besser zu verstehen, gibt es eine Vielzahl verschiedener Forschungsansätze. Während früher lediglich Tiermodelle, zumeist im Kleintier (Maus und Ratte), aber auch im Großtier zur Verfügung standen, ergeben sich in der jüngeren Vergangenheit Möglichkeiten anhand von 2D und 3D in vitro Modellen Forschungsergebnisse zu generieren. Diese bieten die Möglichkeit erhaltene Ergebnisse besser in die humane Prä-klinik zu transferieren. Ziel der vorliegenden Arbeit war es in vitro ein Modell zu entwickeln, mit dessen Hilfe es möglich sein wird, neue therapeutische Strategien mit dem Fokus auf die Frakturheilung entwickeln zu können. Zunächst wurde ein equines sowie ein humanes Frakturhämatom (FH-Modell) etabliert. Die Modelle zeigen dabei deutliche Überschneidungen mit ex vivo sowie in vivo Versuchen im Tiermodell sowie Menschen. So konnten auf Zell-, RNA-, und Protein-Ebene für die initiale Phase essentielle Prozesse (Osteogenese, Entzündung, Anpassung an Hypoxie und Angiogenese) gezeigt werden. Zusätzlich wurden dreidimensionale trägerfreie Knochenkonstrukte (Knochenmodell, SFBC) entwickelt, die in ihrer Struktur, Zellzusammensetzung und Mineralisierung nativem, initialem Knochen stark ähneln. Im finalen Schritt, wurde die Immunkomponente (FH-Modell) mit der Knochenkomponente (SFBC) co-kultiviert, um den Frakturspalt zu simulieren. Hier zeigen sich ebenfalls deutliche Überschneidungen mit ex vivo sowie in vivo Versuchen im Tiermodell sowie im Menschen. Das komplette Modell macht es möglich die initiale Phase der Frakturheilung darzustellen. Die spätere Verwendung des Modells zielt darauf ab, eine Plattform zu etablieren, die zur Entwicklung neuer therapeutischer Strategien in Bezug auf die Frakturheilung und zur präklinischen Medikamentenentwicklung und -testung beiträgt.