The process of bone fracture healing relies on a tight regulation of cellular and molecular events. However, obesity can disrupt the healing cascade, leading to defective repair. A heightened inflammatory state, primarily regulated by the adaptive immunity, is believed to contribute to the pathophysiology of obesity linked to bone healing defects. Despite the high obesity prevalence, limited research has explored this relationship. Herein, the underlying hypothesis of this work is that increased pro-inflammation associated with obesity may be causative for delayed bone repair. The specific aims were to understand the impact of different degrees of obesity, as encountered in clinical settings, on the modulation of immunity and its effects on bone fracture healing. To investigate this, a high-fat diet (HFD)-induced obesity model was used in conjunction with femoral osteotomy. Based on metabolic measurements, two obese subtypes were included in this study: a group with low glucose intolerance and a group with high glucose intolerance that indicates a possible developing type 2 diabetes mellitus (T2DM). The findings provided evidence that the early onset of obesity induced by a short-term HFD resulted in a pro-inflammatory state that caused impaired healing of femoral fractures with an altered microarchitecture in both obese groups. Remarkably, obese mice with high glucose intolerance showed signs of adapting to the metabolic conditions in terms of pro-inflammatory responses and bone healing capacity. Consistently, a long-term HFD resulted in reduced pro-inflammation in both groups. Surprisingly, along with increased weight gain, callus adiposity and bone mineralization, the previously observed healing defects associated with obesity were repealed regarding the mineralization process. However, abnormal extracellular matrix (ECM) remodeling and formation were observed during initial bone fracture healing, with more pronounced effects seen in mice with high glucose intolerance, hinting at a T2DM manifestation. This finding poses a potential risk for the development of fibrosis. Neutralization of potentially detrimental CD8+ T cells during the early healing phase reversed the disturbance in the formation of ECM in the obese group with high glucose intolerance. This finding highlights the critical role of CD8+ T cells in regeneration and offers a potential therapeutic approach to improve bone formation in specific patients. The microbiome's role in obesity and its connection to adaptive immunity and metabolic inflammation is well established. The analysis of feces and cecal samples revealed that long-term obesity altered the gut microbiome structure, while bacterial diversity remained unchanged. Interestingly, obese mice with high glucose intolerance exhibited a distinct microbial signature associated with metabolic rather than immunological alterations. Importantly, these obesity-related changes were partially reversible through the neutralization of CD8+ T cells. Overall, this work emphasizes that aberrant bone formation occurs early in the progression of obesity, before the development of obesity-associated T2DM. The activation of the immune system is even enhanced at the onset of obesity, leading to impaired bone formation. Although the skeletal system adapts to the immunological and metabolic imbalance associated with persistent obesity, this still results in an altered ECM. The data increase our comprehension and awareness of obesity progression in clinical contexts, providing potential therapeutic avenues. Addressing obesity becomes crucial to making right and timely decisions for susceptible fracture patients.
Der Heilungsprozess von Knochenbrüchen beruht auf einer strengen Regulierung zellulärer und molekularer Ereignisse. Fettleibigkeit, auch als Adipositas bezeichnet, kann jedoch die Heilungs-kaskade stören und zu fehlerhaften Reparaturen führen. Es wird angenommen, dass ein erhöhter Entzündungszustand, der vorrangig durch das adaptive Immunsystem reguliert wird, zur Patho-physiologie von Fettleibigkeit und Knochenheilungsdefekten beiträgt. Trotz der hohen Prävalenz von Fettleibigkeit wurde dieser Zusammenhang nur in begrenztem Umfang untersucht. Die die-ser Studie zugrunde liegende Hypothese besteht darin, dass die durch Adipositas induzierte Pro-inflammation für die verzögerte Knochenreparatur verantwortlich ist. Die Ziele bestanden darin, die Auswirkungen unterschiedlicher Schweregrade von Fettleibigkeit, wie sie im klinischen Um-feld auftreten, auf das Immunsystem und die Heilung von Knochenbrüchen zu verstehen. Um dies zu untersuchen, wurde ein Hoch-Fett-Diät (HFD)-Modell zur Induktion von Adipositas in Verbindung mit einer femoralen Osteotomie verwendet. Basierend auf Stoffwechselmessungen wurden zwei adipöse Phänotypen in diese Studie einbezogen: eine Gruppe mit niedriger Gluko-seintoleranz und eine Gruppe mit hoher Glukoseintoleranz, die auf einen möglichen sich entwi-ckelnden Typ-2-Diabetes mellitus (T2DM) hinweist. Die Ergebnisse lieferten Hinweise darauf, dass eine beginnende Fettleibigkeit, hervorgerufen durch eine kurzzeitige HFD, zur systemischen Entzündung führte, die in beiden Gruppen die Kno-chenheilung beeinträchtigte und die Mikroarchitektur veränderte. Bemerkenswerterweise zeigte die fettleibige Gruppe mit hoher Glukoseintoleranz Anzeichen einer Anpassung an die Stoffwech-selstörungen im Hinblick auf Entzündungsreaktionen und Knochenheilungskapazität. Entsprechend führte eine langfristige HFD in beiden Gruppen zu einer verringerten Proinflam-mation. Überraschenderweise wurden durch die Zunahme des Gewichts, des Knochenfetts und der Knochenmineralisierung die zuvor beobachteten Heilungsdefekte in Bezug auf den Minerali-sierungsprozess aufgehoben. Während der initialen Heilungsphase wurde jedoch eine abnormale Umgestaltung und Bildung extrazellulärer Matrix (ECM) beobachtet, wobei die Auswirkungen bei Mäusen mit hoher Glukoseintoleranz ausgeprägter waren und auf eine T2DM-Manifestation hin-deuteten. Dieses Ergebnis stellt ein mögliches Risiko für die Entstehung einer Fibrose dar. Die Neutralisierung potenziell schädlicher CD8+ T-Zellen während der Heilung kehrte die Störung der ECM-Formation in der adipösen Gruppe mit hoher Glukoseintoleranz allerdings um. Dies betont die entscheidende Rolle von CD8+ T-Zellen in der Regeneration und bietet einen potenziellen The-rapieansatz zur Verbesserung der Knochenheilung bei bestimmten Patienten. Die Rolle des Mikrobioms bei Fettleibigkeit und die Verbindung zur adaptiven Immunität und metabolischen Entzündung sind hinlänglich bekannt. Die zusätzliche Analyse von Kot- und Cae-cumproben ergab, dass die längerfristige Fettleibigkeit die Struktur des Darmmikrobioms verän-derte, während die bakterielle Vielfalt unverändert blieb. Interessanterweise zeigten fettleibige Mäuse mit hoher Glukoseintoleranz eine eigene mikrobielle Signatur, die eher mit metabolischen als mit immunologischen Veränderungen in Zusammenhang steht. Wichtig ist, dass die mit Fett-leibigkeit verbundenen Veränderungen im Mikrobiom durch die Neutralisierung von CD8+ T-Zellen teilweise reversibel waren. Insgesamt unterstreicht diese Arbeit, dass eine gestörte Knochenheilung schon früh im Verlauf von Adipositas auftritt, sogar noch vor dem Ausbruch von T2DM. Die Aktivierung des Immunsys-tems ist zu Beginn von Adipositas verstärkt, was zu einer verschlechterten Knochenbildung führt. Obwohl sich das Skelettsystem an das immunologische und metabolische Ungleichgewicht im Zuge anhaltender Fettleibigkeit anpasst, führt dies dennoch zu einer veränderten ECM. Die Daten erweitern unser Verständnis und Bewusstsein für die Risiken von Adipositas im klinischen Kon-text und bieten potenzielle therapeutische Möglichkeiten. Der Umgang mit Adipositas ist von entscheidender Bedeutung, um richtige und rechtzeitige Entscheidungen für gefährdete Fraktur-Patienten zu treffen.
