Langzeitwirkung der lokalen Applikation von IGF-I und TGF-ß1 auf die Frakturheilung: Eine biomechanische und histomorphologische Untersuchung am Rattenmodell

Abstract

Die lokale Applikation von Wachstumsfaktoren beschleunigt die Frakturheilung in der Frühphase, wie in verschiedenen Studien demonstriert wurde. Dabei hat sich gezeigt, dass Insulin like growth factor I und Transforming growth factor ß1 (IGF-I und TGF-ß1) eine wichtige Rolle im heilenden Knochengewebe spielen. Die bisherigen Arbeiten zur Frakturheilung konzentrierten sich dabei auf die Beschreibungen der frühen Auswirkungen. Ziele dieser Arbeit waren die Untersuchung im langfristigen Verlauf der unstimulierten, physiologischen Frakturheilung und die Untersuchung der mit lokal applizierten IGF-I und TGF-ß1 stimulierten Frakturheilung an der Tibia im Rattenmodell. Über Vergleiche mit vorherigen Arbeiten können Aussagen über die physiologische Frakturheilung im langfristigen Verlauf getroffen werden, z.B. ob die Stimulation mit Wachstumsfaktoren einen langfristigen Effekt hat und ob die angewendete Applikationsmethode mit der Beschichtung langfristige Folgen hat. Mit Hilfe einer Frakturmaschine wurde Ratten standardisiert eine geschlossene Fraktur der Tibia und Fibula gesetzt. Anschließend wurde die Tibia intramedullär mit einem Kirschner-Draht stabilisiert. Der Draht diente neben der Stabilisierung in der Effektgruppe auch der lokalen Wirkstofffreisetzung und war mit Poly(D,L-laktid) und eingearbeiteten IGF-I und TGF-ß1 beschichtet. In einer weiteren Gruppe wurde nur Poly(D,L-laktid) ohne Wachstumsfaktoren verwendet. Als Kontrollen wurden unbeschichtete Titandrähte verwendet. Röntgenbilder des Hinterlaufs wurden postoperativ und im Heilungsverlauf durchgeführt. Nach 12 Wochen erfolgte die Tötung der Ratten. Nach Freipräparation der Tibiae wurden die Knochen biomechanisch auf torsionale Stabilität und histomorphometrisch untersucht (von Kossa- und Safranin O /Lichtgrün-Färbung). Nach 12 Wochen wiesen alle Gruppen eine radiologisch vollständige Konsolidierung des Frakturspaltes mit knöcherner Durchbauung und noch sichtbarem Kallus auf. Die torsionale Stabilität war im Vergleich zur gesunden nicht frakturierten Gegenseite erhöht aber ohne signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen. Die histomorphometrischen Untersuchungen stützten die Ergebnisse. In allen drei Gruppen zeigte sich ein ähnliches Kallusbild ohne signifikante Unterschiede. Die Kortikalis war dicht und hoch mineralisiert. Die periostale Kallusfläche und –dichte waren nicht signifikant verschieden. Im Frakturbereich wurde kein Knorpel in allen Kalli nachgewiesen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die drei Versuchsgruppen sowohl radiologisch, histomorphometrisch als auch in der Stabilität eine vergleichbare Heilung zeigten. Trotz Konsolidierung und knöcherner Durchbauung ist sowohl die physiologische als auch die stimulierte Frakturheilung noch nicht abgeschlossen und noch in der Phase des Remodelings. Die kombinierte Applikation von IGF-I und TGF-ß1 beschleunigt somit initial die Heilung, ohne dauerhaft den physiologischen Weg zu verändern. Die Entwicklung zur Anwendung am Menschen erscheint nach heutigem Wissensstand möglich und sollte mit weiteren Arbeiten verfolgt werden.

Locally applied growth factors have shown to stimulate fracture healing mainly in the early phases. Several studies were performed investigating the biomechanical strength and histology of the healed bone after different healing times. The main focus was on the description of an effect of the growth factors on healing process. However the long term effect of locally applied growth factors on fracture healing is unclear. Therefore, the purpose of the present study was to investigate the growth factor (GF) stimulated and unstimulated fracture healing after 84 days in a closed tibial fracture model in rats in order to evaluate possible long term effects of the growth factors. A well established local drug delivery system was used. IGF-I (50μg) and TGF-β1 (10μg) were locally applied using a 10μm thin polylactide (PDLLA) coating of intramedullary implants. To follow the healing process, x-ray examinations were performed and the bridging of the calluses were scored. Twelve weeks after fracture the tibiae were prepared for biomechanical torsional testing or histological analyses. At the investigated time point, 84 days after fracture, no differences were measurable in the biomechanical testing and the callus composition between the groups. The callus was consistently in the late phase of remodeling without any cartilage left. The x-ray examinations demonstrated no fracture gap in all tibiae. In conclusion, the local growth factor application enhances the healing in the early phase without alteration of the normal healing process.