Expressionsanalytischer Vergleich der chondrogenen und osteogenen Wachstumsfaktoren im ovinen Frakturheilungsverlauf im Vergleich zwischen rigidem und kritischem Fixateur externe

Abstract

Die Frakturheilung, die nicht nur eine Gewebsreparatur, sondern eine Restitutio ad integrum darstellt, ist somit ein in der Natur einzigartiges Ereignis mit vollständiger Heilung zum Ursprungszustand. Es kommt jedoch trotz modernster Therapieverfahren im klinischen Alltag in etwa 10-15% der Fälle zu einer Heilungsstörung. Im Rahmen der Tibiaschaftfraktur ist dies durch den häufig höhergradigen Weichteilschaden im Rahmen eines Hochrasanztraumas zu erklären. Es kommt somit im Rahmen des Heilungsverlaufs gehäuft zu einer verzögerten oder ausbleibenden Fraktuheilung mit Pseudarthrosenbildung. Neben der insuffizienten Frakturstabilität spielt vor allem die mangelhafte nutritive Versorgung der Frakturregion bei der Entwicklung einer Pseudarthrose eine entscheidende Rolle. Trotz intensiver unfallchirurgischer Forschung bleibt es jedoch weiterhin unklar, in welchem Ausmaß eine instabile Fraktursituation auch eine veränderte Biologie der Frakturheilung nach sich zieht. Ziel dieser Studie war es daher, den Einfluss von unterschiedlicher Frakturstabilität durch externe Fixationssysteme auf die Biologie der Frakturheilung zu bestimmen. Hierfür wurde eine Tibiaschaftquerfraktur am Schafsmodell ausgewählt, die in der einen Versuchsreihe rigide und in der anderen Anordnung mit einem instabilen Fixateur stabilisiert wurde. Aus Voruntersuchungen ist bekannt, dass es nach instabiler (kritischer) Fixation zur Ausbildung einer verzögerten Frakturheilung kommt. Es wurde daher zu differenzierten Zeitpunkten der Frakturheilung das Kallusgewebe der Tiere entnommen und analysiert. Untersucht wurde die unterschiedliche mRNA- Expression von osteogenen und chondrogenen Wachstumsfaktoren nach 7, 14, 21 und 42 Tagen, sowie die mRNA- Expression der Extrazellulärmatrix. Es wurde angenommen, dass es einerseits zu einer verminderten und verzögerten mRNA- Expression an osteogenen Wachstumsfaktoren nach kritischer Fixation kommt und andererseits eine prolongierte Expression an chondrogenen Faktoren ersichtlich ist. Der Vergleich der beiden Fixateure zeigte, dass es zu einer deutlich verminderten mRNAExpression an osteogenen Wachstumsfaktoren bei instabiler Frakturfixation im Frakturheilungsverlauf kam. Abhängig von ihrem spezifischen Einfluss auf die Frakturheilung waren diese Expressionsunterschiede zu verschiedenen Zeitpunkten ersichtlich. Die signifikantesten Unterschiede gab es bei fortgeschrittener Frakturheilung am 42\. Tag der Frakturheilung. Hier kam es zu einer reduzierten mRNA-Expression von BMP-2, -4 und -7, Noggin, TGF-ß1, Kollagen-Ia1, MMP-9 und -13. Bei Kollagen-IIa1 und –Xa1, als Marker für die Knorpelbildung kam es tendenziell zu einer erhöhten Expression nach kritischer Fixation, so dass sich dabei die gesteigerte Knorpelkallusbildung bei Instabilität widerspiegelt. Bei der Analyse von OPN, Kollagen-Ia1, OPG und M-CSF zeigte sich schon in der frühen Frakturheilungsphase, dass heißt zu Beginn der enchondralen Ossifikation (14.-21. Tag), eine signifikant reduzierte Expression nach instabiler Frakturstabilisierung. Diese können daher als besonders sensible Marker einer verzögerten Frakturheilung angesehen werden. Die in der Studie ermittelten Ergebnisse geben erste Hinweise, inwiefern die mechanische Stabilität die Heilungskaskaden und damit die gesamte Frakturheilung beeinflußt. Das zunehmende Verständnis der Biologie der Frakturheilung bildet somit die Basis dafür, eine ausbleibende Frakturheilung früher erkennen zu können und somit eine stadiengerechte Intervention und Wachstumsfaktorenapplikation zu ermöglichen.

Fracture healing in general is an extraordinary event because it is not only a repair of destroyed tissue but a complete healing. Although modern fracture treatment there is a rate of 10-15 % of prolonged or non-union of fractures in clinical routine. Regarding tibial shaft fractures there is a high rate of complications due to massive soft tissue trauma caused by high energy accidents which causes prolonged fracture healing or non-unions. Beside insufficient fracture stability, an important key role for the establishment of non-unions is the nutritive situation of the fracture region. Although intensive orthopaedic research it is still unclear in which amount an unstable fracture region is responsible for a different biology of fracture healing. The aim of this study was to determine the influence of external fixation systems with different stability on the biology of fracture healing. We used a tibial shaft fracture of sheeps which was stabilised by either a rigid or a critical external fixator. Due to former analysis it was known that the critical external fixator leads to a high rate of non-unions. Therefor we extracted callus tissue of the tibia at different time points to examine osteochondral growing factors. We analysed the mRNA-Expression of osteogenic or chondrogenic growing factores as well as etracellular matrix molecules at 7,14,21 and 42 days after fracture. We expected a down regulated expression of osteogenic growing factors on the one hand and a prolonged expression of chondrogenic factors when stabilised with a critical external fixator on the other hand. Comparing both fixation systems we saw differences of mRNA expression at specific time points due to there specific influence on fracture healing. The most significant differences where obvious at days 42 of fracture healing. There was a clear downregulation of mRNA Expression of BMP-2, -4 and -7, Noggin, TGF-ß1, Kollagen-Ia1, MMP-9 and -13 after critical stabilisation. Beside that it was also obvious that Kollagen-IIa1 and –Xa1 which are marker for the chondral formation showed a prolonged expression when stabilized with a critical fixator. This reflected a stronger chondral callus formation. It was also evident that OPN, Kollagen-Ia1, OPG and M-CSF showed a reduced expression after critical stabilisation in the early fracture healing period. These factors could be regarded as sensible markers to detect prolonged fracture healing at early time points. The results in this study demonstrate the sensitive influence of mechanical stability on the biological outcome of the whole fracture healing cascade. The more profund understanding of the biology of fracture healing is a basic principle to detect prolonged fracture healing or nonunions and to intervene with the application of growing factors at a specific period adapted time point.