Der Einfluss lokal transplantierter Vorläuferzellen auf die verzögerte Knochenheilung im Rattenmodell

Abstract

Etwa 10% aller Frakturen heilen nicht oder verzögert und stellen somit eines der zentralen Probleme der unfallchirurgischen Grundlagenforschung dar. Eine vielversprechende Alternative zur autologen Knochenmarkstransplantation als bisherigem Goldstandard ist die Applikation mesenchymaler Vorläuferzellen zur Stimulierung der Heilung. In der vorliegenden Untersuchung wurde angenommen, dass die lokale Transplantation dieser Vorläuferzellen mit einem künstlichen Blutclot als Trägerstoff einen positiven Effekt auf die verzögerte Knochenheilung zeigt. Zudem sollte ein entsprechendes Tiermodell etabliert werden, mit dem die verzögerte Heilung unter Berücksichtigung realer Risikofaktoren verlässlich simuliert und das Heilungsergebnis durch Manipulation am Blutclot beeinflusst werden kann. An 46 weiblichen Sprague- Dawley-Ratten wurde eine standardisierte diaphysäre Osteotomie am linken Femur durchgeführt und diese mit einem Fixateur externe stabilisiert. In den Therapiegruppen erfolgte dann die Applikation eines mit CD133- oder CD34-positiven Zellen beladenen Blutclots in den Osteotomiespalt. In der Positiv-Kontrollgruppe erfolgte die Beladung mit BMP2, in der Negativ- Kontrollgruppe blieb der Koagel leer. Zur weiteren Kontrolle diente eine Leergruppe, bei der nach Osteotomie keine weitere Behandlung erfolgte. Radiologische Verlaufskontrolle im μCT (in vivo) nach zwei, vier und sechs Wochen, sowie eine hochauflösende μCT-Diagnostik (in-vitro) nach Probenentnahme nach sechs Wochen wurden durchgeführt und mit zuvor festgelegten Parametern analysiert. Die Ergebnisse zeigten einen positiven Effekt der beschriebenen Zelltherapie gegenüber der Negativ-Kontrollgruppe hinsichtlich der Kallusneubildung und des Mineralgehalts. Deutlicher fiel dieser Effekt für die CD133-Therapiegruppe aus. Hier ließ sich auch eine bessere Überbrückung des Frakturspaltes feststellen. In abgeschwächter Form konnten diese Effekte auch im Vergleich zur Leergruppe festgestellt werden. Die Negativ-Kontrollgruppe blieb in allen untersuchten Parametern hinter den übrigen Gruppen zurück. Es konnte ein reproduzierbares Tiermodell etabliert werden, mit dem sich das Heilungsergebnis über Manipulation am Blutclot von fast ausbleibender bis hin zu vollständiger Heilung innerhalb von sechs Wochen beeinflussen lässt. Der Blutclot selbst zeigte einen deutlich negativen Einfluss auf das Heilungsergebnis im Vergleich zum natürlich entstehenden Frakturhämatom bei der Leergruppe. Durch die Transplantation von Zellen aus dem peripheren Blut mit zuvor identifiziertem angiogenetischen Potenzial, konnte ein positiver Effekt auf die Knochenregeneration in diesem Modell nachgewiesen werden.

About 10% of all fractures show a delayed healing process. Autologous bone grafting is the current standard of care. A promising alternative is the application of mesenchymal stroma cells to enhance bone healing, leading to the hypothesis that delayed bone regeneration could be stimulated by local transplantation of peripheral blood derived progenitor cells using an artificial blood clot as a carrier. Furthermore, a goal of this study was to establish an animal model for impaired bone healing based on real risk factors like age that would allow us to control the outcome by manipulation of the blood clot. A standard osteotomy of the left femur was performed on 46 Sprague Dawley rats, the fracture was then stabilized using external fixation. Cells were separated from peripheral blood by using the markers CD34 and CD133 and respectively transplanted into the fracture gap embedded in an artificial blood clot. A negative control group was treated with a blood clot without cells and the sham group received no further treatment after osteotomy. BMP2-loaded blood clots were transplanted into animals of the positive control group. Micro-CT Scanning was performed after two, four and six weeks. Results showed an increased callus formation and higher bone mineral content of callus tissue after cell treatment compared to the negative control group, especially for CD133 positive cells. This group also showed a better bridging of the fracture gap compared to the negative control group and sham group. The negative control group showed a noticeable slighter healing outcome compared to all other groups. A reproducible animal model for impaired bone healing was successfully introduced enabling the operator to control the healing outcome from non-union to complete healing by manipulation of the carrier. The study showed a positive effect of local transplantation of progenitor cells from peripheral blood that have been identified to have angiogenic potential and osteogenic characteristics.