Vergleichende Analyse des zeitlichen Expressionsmuster angiogener Faktoren während einer verzögerten und normalen Osteotomieheilung im Schafmodell

Abstract

Die gemeinsame Betrachtung von unterschiedlichen mechanischen Rahmenbedingungen am Osteotomiespalt und die Auswirkungen auf die Genexpression angiogener Faktoren standen in dieser Studie im Vordergrund. Dazu wurde im Schafmodell eine standardisierte Osteotomie der rechten Tibia vorgenommen. Weiterhin erfolgte die Einteilung in zwei Gruppen, wobei die eine Gruppe zur Stabilisierung der Osteotomie einen rigiden Fixateur externe, die andere Gruppe einen kritischen Fixateur externe erhielt. Daraus ergaben sich unterschiedlich große interfragmentäre Bewegungen am Frakturspalt, die zu einer normalen Osteotomieheilung (rigide) oder zu einer verzögerten Osteotomieheilung (kritisch) führten. Zu verschiedenen Zeitpunkten postoperativ (Tag 7, 9, 11, 14, 21 und 42) wurde das Regeneratgewebe (Frakturhämatom, Kallus) entfernt und molekularbiologisch auf die Expression folgender Faktoren untersucht: VEGF, VEGFR2, ANG1, ANG2, TIE2, vWF, PDGF, MMP2, TIMP1, TIMP3, TNFalpha, HIF1alpha, iNOS, IGF1 und FGF2. Hierbei zeigten sich deutliche Unterschiede in der mRNA-Expression zwischen der verzögerten und normalen Osteotomieheilung. Für die Faktoren VEGF, CYR61, vWF, ANG1, ANG2, FGF2, MMP2, VEGFR2, TIMP1, TIMP3, HIF1alpha, TNFalpha, PDGF, IGF1 und iNOS wurde eine deutlich geringere Expression in der verzögerten Osteotomieheilung im Vergleich zur normalen Heilung zu verschiedenen Zeitpunkten nachgewiesen. Weiterhin zeigte sich für die Faktoren VEGF und CYR61 ein verspäteter Anstieg der Expression während der verzögerten Osteotomieheilung. Basierend auf der Analyse der unterschiedlichen Expressionmuster einzelner Faktoren stellten sich die Zeitpunkte 7. und 21.Tag postoperativ offenbar als Schlüsselzeitpunkte in der Vaskularisierung des Frakturkallus dar. Der Einfluss biomechanischer Rahmenbedingungen auf die Genexpression zu den dargestellten Zeitpunkten wurde in dieser Studie sichtbar.

Blood vessel formation is a prerequisite for bone healing. In this study, we tested the hypothesis that a delay in bone healing is associated with an altered regulation of blood vessel formation. A tibial osteotomy was performed in two groups of sheep and stabilized with either a rigid external fixator leading to standard healing or with a highly rotationally unstable one leading to delayed healing. At days 4, 7, 9, 11, 14, 21, and 42 after surgery, total RNA was extracted from the callus. Gene expressions of vWF, an endothelial cell marker, and of several molecules related to blood vessel formation were studied by qPCR. Furthermore, histology was performed on fracture hematoma and callus sections. Histologically, the first blood vessels were detected at day 7 in both groups. mRNA expression levels of vWF, Ang1, Ang2, VEGF, CYR61, FGF2, MMP2, and TIMP1 were distinctly lower in the delayed compared to the standard healing group at several time points. Based on differential expression patterns, days 7 and 21 postoperatively were revealed to be essential time points for vascularization of the ovine fracture callus. This work demonstrates for the first time a differential regulation of blood vessel formation between standard and mechanically induced delayed healing in a sheep osteotomy model.