Tierexperimentelle Untersuchungen zum Einfluss von BMP-2 beschichteten Kirschner-Drähten: eine Studie im Osteotomie-Modell der Ratte

Abstract

Einleitung: Knochenheilungsstörungen stellen immer noch schwerwiegende Komplikation im klinischen Alltag dar. Ziel der vorliegenden Dissertation war es, den Einfluss von lokal appliziertem BMP-2 in einem verzögert heilendem Osteotomie-Modell der Ratte zu untersuchen. Methoden: Die Tibiae von weiblichen 5 Monate alten Ratten wurden osteotomiert und mit Kirschner-Drähten intramedullär stabilisiert. Die Drähte waren mit der Trägersubstanz Poly(D,L-Laktid) (PDLLA) beschichtet, in welche 50 μg BMP-2 eingearbeitet war. Im Rahmen der Studie wurden radiologische, histologische und biomechanische Untersuchungen durchgeführt, je nach Gruppenzugehörigkeit an den Tagen 5, 10, 28, 42 und 84 (n=48, 6 je Gruppe). Die histologische Aufarbeitung mit Anwendung unterschiedlicher Färbemethoden ließ die Beurteilung verschiedener Gewebequalitäten wie Knorpel, Inflammation und Mineralisierung zu. Mit der immunhistochemischen Färbung (alpha-SMA-Antikörper) konnte die Angiogenese im Kallus erfasst werden. Als Kontrollgruppe dienten Tiere aus der Studie zur Etablierung des Osteotomie-Models von Kratzel et al. Ergebnisse: Die radiologische Auswertung mittels Röntgenscore ergab eine weiter fortgeschrittene Knochenheilung mit teilweise vollständiger Konsolidierung des Osteotomiespalts in der BMP-Gruppe während es in der Kontrollgruppe über den gesamten Beobachtungszeitraum von 84 Tagen nicht zu einer knöchernen Überbrückung kam. Die biomechanische Testung zeigte eine signifikant höhere Stabilität der mit BMP behandelten Tibiae nach 28 und 42 Tagen. In der Kontrollgruppe fiel ein großer reaktiver Kallus mit gesteigerter Gefäßdichte auf. In der BMP-Gruppe war sowohl die Kallusfläche als auch die Gefäßdichte 10 Tage post-Osteotomie signifikant reduziert werden, wobei der Knorpelanteil im frühen periostalen Kallus signifikant erhöht war. Des Weiteren war nach 42 Tagen eine signifikant gesteigerte Mineralisation infolge der BMP-Applikation zu detektierten. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse im zeitlichen Verlauf zeigen, dass die lokale BMP-2 Applikation von einem beschichteten Kirschner- Draht in einem verzögert heilendem Osteotomie-Modell der Ratte die Heilung stimuliert. Dabei scheint BMP eine frühe überschießende inflammatorische Reaktion zu verhindern und die Knochenheilung zu beschleunigen.

Introduction: Impaired bone healing is still a severe complication in the clinic. Aim of the present study was to investigate the effect of locally delivered BMP-2 on a delayed osteotomy healing in a rat model. Methods: The tibiae of 5-month old female rats were osteotomied and intramedullary stabilized with Kirschner-wire. The wires were coated with the carrier poly(d,l-lactide) (PDLLA) in which 50 μg BMP-2 were incorporated. Radiological, histological and biomechanical evaluations were performed, at days 5, 10, 28, 42, and 84 after osteotomy depending on the study group (n=48, 6 per group). The histological examination showed the qualities of the callus such as cartilage, inflammation and mineralization by using various staining methods. The immunohistological staining with antibodies against alpha-SMA showed the angiogenesis of the callus. As control group animals from the study establishing the osteotomy model by Kratzel et al. were included. Results: The radiological analysis using a standardized roentgen score showed an advanced healing and partially complete union of the osteotomy in the BMP-group while in the control group there was no complete osseous bridging 84 days after surgery. The biomechanical testing showed significantly increased stability of the osteotomized tibiae treated with BMP at days 28 and 42. The control group showed a large reactive callus with an increased vascularization. With the application of BMP-2 the dimension of the callus was significantly decreased and there was a significant reduction of the hypervascularization 10 post intervention. In the BMP-group the cartilage fraction was significantly higher in the early periosteal callus. At 42 days a significantly enhanced mineralization of the callus was detected due to the BMP. Conclusion: The results in the chronological course lead to the conclusion that the local application of BMP-2 from coated Kirschner-wires can rescue a delayed osteotomy healing in a rat model. The growth factor seems to inhibit an early hyper inflammatory reaction and also accelerates bone healing. The present study demonstrates that local BMP-2 application can stimulate delayed healing in a clinically relevant animal model.