Osteoimmunologische Prozesse in der initialen inflammatorischen Phase der Frakturheilung

Abstract

Das Immunsystem und die Regulation des Knochens sind eng miteinander verknüpft. In den letzten Jahren wurde dieser Umstand immer besser verstanden, und das Forschungsfeld der Osteoimmunologie wurde etabliert. In dieser Arbeit wurde insbesondere die frühe inflammatorische Phase der Frakturheilung untersucht. Diese findet örtlich im Frakturhämatom statt. Das Frakturhämatom formt sich innerhalb des Frakturspalts direkt nach dem Trauma und enthält bereits zahlreiche Immunzellpopulationen aus dem Knochenmark und durch Einblutung aus dem zerrissenen Gefäßsystem auch aus dem peripheren Blut. Diese bereits initial vorhandenen Immunzellen wurden bislang wenig untersucht. Wir konnten zeigen, dass bereits das initiale Frakturhämatom eine hohe inflammatorische Aktivität aufweist. Zahlreiche pro-inflammatorische Zytokine finden sich hier deutlich erhöht. Darüber hinaus ist bereits in dieser Phase ein angiogenes Potenzial nachweisbar, das sich u. a. an der Expression von IL-8 und VEGF zeigt. Aber auch osteogene Marker wie SPP1 und RUNX-2 werden bereits initial exprimiert. Wir konnten darüber hinaus in einem in vitro Frakturhämatom-Modell zeigen, dass eine hohe entzündliche Aktivität besteht und dass angiogene und osteogene Faktoren induziert werden. Diese Vorgänge sind abhängig von den bioenergetisch widrigen Bedingungen im initialen Frakturhämatom. Die beeinflussenden bioenergetischen Bedingungen sind der lokale Sauerstoff- und Nährstoffmangel. Darunter wird die Inflammation im Frakturhämatom auch ohne weitere exogene Faktoren induziert. Interessanterweise ist die initiale inflammatorische Phase des Frakturhämatoms bei Patienten mit Neigung zu verzögerter Frakturheilung deutlich gestört. Dabei handelt es sich um Patienten mit Autoimmunerkrankungen oder anderweitig gestörter Immunfunktion. Hier konnte in ex vivo Frakturhämatomen nicht nur eine überschießende Inflammation gezeigt werden, sondern auch eine inadäquate Antwort auf die lokale Hypoxie. Diese spannenden Ergebnisse konnten wir wiederum in Osteotomie-Hämatomen bestätigen, die aus Patienten gewonnen wurden, die vor einem geplanten Einsatz einer totalen Hüftgelenksendoprothese in der Hüftregion bestrahlt wurden. In diesem Fall geht dieser Effekt mit der gewünschten Verhinderung der heterotopen Ossifikation einher. Das bedeutet, dass in diesem Fall eine Knochenneubildung verhindert wird. Bei den immunologisch eingeschränkten Patienten können daher die gefundene gestörte Inflammation und inadäquate Antwort auf Hypoxie ebenfalls mit der gehäuft auftretenden Frakturheilungsstörung assoziiert werden. Die ausgesprochene Wichtigkeit der initial bioenergetisch widrigen Bedingungen konnten wir auch in mesenchymalen Stammzellen nachweisen. Mesenchymale Stammzellen tragen zu einer effektiven Frakturheilung bei. Unter Hypoxie werden diese in die osteogene Richtung differenziert, während die Adipogenese supprimiert wird. Hiermit einhergehend zeigen sich angiogene Marker erhöht, sodass die in das Frakturhämatom einwandernden mesenchymalen Stammzellen auch zum angiogenen Potenzial beitragen. Eine effektive Neoangiogenese ist essenziell für eine erfolgreiche Frakturheilung. Insgesamt konnten in dieser Arbeit wichtige initiale Vorgänge im Frakturhämatom dargestellt werden. Hierzu zählen nicht nur die Einleitung des inflammatorischen Prozesses, die Initiierung der Angiogenese und der Migration von weiteren Zellpopulationen; sondern insbesondere auch die initialen bioenergetischen Bedingungen konnten als wichtige Faktoren für die Initiierung einer Frakturheilung identifiziert werden. Durch Modulation der initialen inflammatorischen Phase lassen sich möglicherweise zukünftig die Ergebnisse einer Frakturheilung in Risikopatienten beeinflussen. Dadurch sollten wir in der Lage sein, bessere Therapiemöglichkeiten insbesondere für Patienten mit erhöhtem Risiko für eine Frakturheilungsstörung zu entwickeln.

The immune system and the system regulating bone physiology are intertwined and cooperate closely. The knowledge within the newly established research field osteoimmunology grew during the last years. This work analyzed the initial inflammatory phase of fracture healing which takes place within the fracture hematoma. The fracture hematoma forms after injury in the fracture gap. It already contains immune cell populations from the beginning on due to the bleeding of bone marrow and peripheral blood that form the initial fracture hematoma. The initial fracture hematoma was analyzed in depth and we could show a high inflammatory capacity. Several pro-inflammatory cytokines were found at high levels in addition to angiogenic factors like IL-8 and VEGF. Osteogenic factors like SPP1 and RUNX-2 were also highly expressed. Within an in vitro fracture hematoma model we could also show highly expressed pro-inflammatory, angiogenic and osteogenic factors. These initial events within the fracture hematoma were dependent on the bioenergetic situation, namely the low oxygen levels and low nutrient concentrations. Under hypoxia and impaired nutrient availability the initial inflammatory reaction was induced in the fracture hematoma without further external factors. Interestingly, the initial inflammatory phase was disturbed in patients with high risk for impaired or prolonged fracture healing. These were patients with autoimmune diseases or otherwise restricted immune functions. Fracture hematomas of these patients exhibited increased inflammatory activity and inadequate response to hypoxia. Preoperatively irradiated osteotomy hematomas also exhibited a very high inflammation, in this case associated with the desired prevention of heterotopic ossification. Thus, the very high inflammation and inadequate response to hypoxia found in immunologically restricted patients could be associated with the high risk of impaired fracture healing. The importance of the bioenergetic conditions could also be shown for mesenchymal stem cells. Mesenchymal stem cells are essential for timely fracture healing. Under hypoxia mesenchymal stem cells differentiate in the osteogenic direction while adipogenesis is suppressed. Furthermore, under hypoxia mesenchymal stem cells express angiogenic factors. An effective neoangiogenesis is also important for effective fracture healing. In summary, important initial events in the fracture hematoma were elucidated in this work: induction of the initial inflammation, beginning of angiogenesis, immigration of further cell populations. The modulation of the initial inflammatory phase could represent a future therapeutic strategy, especially for patients at high risk for impaired fracture healing.