Histologische und biomechanische Analyse des Frakturkallus unter kritisch scherweicher Fixation zu verschiedenen Zeitpunkten post Osteotomie am Schafmodell

Abstract

Trotz der guten Fortschritte in der unfallchirurgischen Forschung kommt es in zehn bis zwanzig Prozent der Frakturen zu Komplikationen während der Heilungsphase (Haas, 2000). Das Ziel der unfallchirurgischen Behandlung ist eine möglichst schnelle und vollkommene Wiederherstellung der Funktion des Bewegungsapparates. Das ist nur möglich durch ein besseres Verständnis der komplexen Zusammenhänge zwischen der mechanischen und biologischen Situation im Frakturbereich. In einem vorangegangenen Tierversuchsprojekt konnten bereits Größenordnungen für Scherbewegungen definiert werden, die eine optimale bzw. eine weniger effektive Heilung zulassen. Gestützt auf das validierte muskuloskeletale Modell des Schafhinterlaufes wurde für vorliegendes Projekt ein spezieller kritisch- scherweicher Fixateur externe entwickelt, welcher mechanische Rahmenbedingungen erzeugt, deren Größenordnung in der Klinik zu Heilungsverzögerungen führen. Ziel dieser Studie war es den Einfluss definierter mechanischer Rahmenbedingungen auf die Ausprägung und Differenzierung des sich bildenden Frakturkallus zu untersuchen und die Ergebnisse mit denen unter optimalen mechanischen Bedingungen zu vergleichen. Dazu wurden 32 Schafe mit einem monolateralen kritisch- scherweichen Fixateur externe versorgt. Bei allen Tieren wurde eine standardisierte Osteotomie der rechten Tibia mit jeweils identischem Osteotomiespalt von drei Millimetern durchgeführt. Nach Ablauf der jeweiligen Standzeit von zwei, drei, sechs und neun Wochen wurden die Tiere euthanasiert und radiologische, biomechanische und vor allem histologische Untersuchungen schlossen sich an. Innerhalb des gesamten Beobachtungszeitraumes kam es bei keinem der Tiere zur knöchernen Überbrückung des Osteotomiespaltes. Alle Tiere wiesen röntgenologisch auch nach neun Wochen einen wenn auch teilweise schmalen so doch durchgehend knochenfreien Spalt im ursprünglichen Osteotomiebereich auf, welcher histologisch aus Knorpel- und Bindegewebe bestand. Der Vergleich mit den Befunden des Vorgängerprojektes bestätigt die Annahme, dass der hier angewandte Versuchsaufbau zur Heilungsverzögerung führt, denn unter optimalen Bedingungen war ein Großteil der Tibiae bereits nach sechs und in jedem Fall nach neun Wochen vollständig knöchern überbrückt. Die in der biomechanischen Untersuchung sechs und neun Wochen post operationem festgestellte geringe Torsionssteifigkeit weist ebenfalls auf eine wenig fortgeschrittene Heilung hin. In 50 Prozent der Fälle konnte eine biomechanische Untersuchung aufgrund einer zu großen Instabilität des noch unreifen Kallusgewebes nicht durchgeführt werden. Zwischen sechs und neun Wochen war kein Heilungsfortschritt, d.h., keine Steifigkeitszunahme, zu verzeichnen. Histologisch wurden zu allen vier Untersuchungszeitpunkten aktive Prozesse der Knochenheilung nachgewiesen, jedoch wurde das eigentliche Ziel der Knochenheilung, die knöcherne Überbrückung der Kortizes, innerhalb der neun Wochen nicht erreicht. Der Grund für diese stark verzögerte Knochenheilung sind die ungünstigen mechanischen Rahmenbedingungen. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass der Verlauf und das Ergebnis der Knochenheilung durch die biomechanischen Bedingungen entscheidend beeinflusst werden. Um eine genaue Aussage über den weiteren Heilungsverlauf und deren Ausgang zu treffen, ist der gewählte Beobachtungszeitraum von neun Wochen zu kurz. Nach neun Wochen liegt eine Situation der verzögerten Knochenheilung mit aktiven Abläufen der Heilung vor, welche vermutlich in nächster Zeit ihren Abschluss in der knöchernen Vereinigung der Fragmente findet oder aber in einer hypertrophen Pseudarthrose endet. Um dies genauer zu evaluieren, muss der Versuchszeitraum deutlich verlängert werden, was in einem Anschlussprojekt geplant ist. Die gewonnenen Erkenntnisse um die histologischen Abläufe der verzögerten Frakturheilung unter definierten mechanischen Rahmenbedingungen sollen helfen, die Möglichkeiten und Grenzen einer Osteosynthese frühzeitig abschätzen zu können und somit ein möglichst problemloses Ausheilen auch komplexer Frakturen zu ermöglichen.

Although there are many pogresses in the trauma surgical research, there are healing complications in about ten to twenty percent of fracture therapies (Haas, 2000). The purpose of the trauma surgical treatment is a fast and total restoration of the function of the musculosceletal system. This is only possible with a better understanding of the complex interaction between the mechanical and biological factors during the fine adjusted process of fracture healing. In a previous animal study the magnitude for shear movements, inducing on the one hand a perfect and on the other a less effective healing, was defined. Based on a validatet musculosceletale model of the sheep’s hind leg, a special shear-flexible external fixator was designed for this project, which creates mechanical conditions known to hinder the healing process in the clinic. The purpose of this study was to investigate the influence of determined critical mechanical conditions on the callus modulation and differentiation in comparison to the healing results induced by perfect mechanical conditions from a previous study. For this study 32 sheep were stabilized by a monolateral critical external fixator. All sheep underwent a standardized osteotomy of the right tibia with an identical three millimetre wide osteotomy-gap. After the observation period of two, three, six or nine weeks the animals were sacrificed, and then radiological, biological and biomechanical analyses were performed. During the observation time of nine weeks all sheep showed an incomplete fracture healing of the osteotomy gap. After nine weeks all sheep showed a small continous fracture line in the fracture callus, which histologically consists of cartilage and connective- tissue. By comparing with the results of the previous study, the hypothesis is confirmed, that the critical mechanical conditions in this study induced a delayed fracture healing: under perfect mechanical conditions, bony bridging occured in most of the tibiae after six and in all tibiae after nine weeks. The poor torsional stiffness after six and nine weeks also suggests a hardly advanced healing progress. In 50 percent of the cases the biomechanical testing was not possible due to immature callus tissue. Between six and nine weeks no increase in torsional stiffness was found in biomechanical testing. The reasons of the delayed bone healing are the very critical mechanical conditions. The results demonstrate that the process and the score of the bone healing are influenced by the biomechanical circumstances. To make a more precise statement of the healing process and its healing results, the chosen observation time period of nine weeks is too short. After nine weeks a delayed bone healing with activ courses of the healing was observed, which could presumably lead to a healing of the fragments in the future but may also end in a hypertrophic pseudarthrosis. To evaluate this precisely, the testing period must be longer, which is already planned in a further project. The new perceptions about the histological steps of the delayed fracture healing under defined mechanical circumstances could help to figure out the possibilities and boundaries of an osteosynthesis. In this way a non-problematic healing could be realized even for complex fractures.