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Zusammenspiel von biologischen und mechanischen Stimuli in der Knochendefektheilung:
eine Expressionsanalyse ausgewählter Gene der Knochenheilung (2019)

Art

Hochschulschrift

Autor

Roewer, Linda (WE 2)

Quelle

Berlin, 2019 — 112 Seiten

Verweise

URL (Volltext): https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/25775

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Institut für Veterinär-Physiologie

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Abstract / Zusammenfassung

Verzögerte Knochenheilung, aber besonders die ausbleibende Heilung, die in einer Pseudarthrose enden kann, bedeuten für den Patienten nicht nur große Schmerzen und Funktionsverlust der betroffenen Gliedmaße, sondern auch starke Einschränkung der Lebensqualität (Victoria et al. 2009, Garcia et al. 2013). Knochenheilung ist ein komplexer Vorgang, an dem viele Faktoren beteiligt sind. Neben einer guten vaskulären Versorgung entscheiden systemische Regulationsfaktoren, mechanische Einflüsse und deren Zusammenspiel über Erfolg oder Misserfolg der Heilung (Augat et al. 2005). Dabei heilen etwa 5-10 % der Frakturen nicht vollständig und gehen in eine verzögerte oder ausbleibende Heilung über (Kloen et al. 2002, Claes 2017). Es gibt viele Ansätze Pseudarthrosen bzw. Non-Unions zu behandeln. Nichtsdestotrotz sind alle Strategien bisher noch mit Nachteilen behaftet, darunter der bisherige Goldstandard, das Autotransplantat. Es ist verbunden mit geringem verfügbarem Knochenvolumen und erhöhter Spendermorbidität (Rihn et al. 2010, Boerckel et al. 2011a). Auch der viel versprechende Wachstumsfaktor BMP-2, der ähnliche Effekte auf die Knochenheilung wie das Autotransplantat erzielt (Jones et al. 2006, Axelrad und Einhorn 2009), ist durch seine hohen Dosierungen mit Nebenwirkungen wie Tumorbildung (Lad et al. 2013), Infektionen, Osteolyse (Carragee et al. 2011) und heterotoper Knochenbildung (Axelrad et al. 2008) verbunden. Dadurch besteht weiterhin die Notwendigkeit, neue Behandlungsstrategien zu entwickeln. Diese Promotion untersucht das Zusammenspiel von mechanischer und biologischer Stimulation in einem etablierten Pseudarthrose-Rattenmodell (Mehta et al. 2011a) anhand der Expressionsanalyse ausgewählter Gene, die an der Knochenheilung beteiligt sind. Ein kritischer 5 mm Defekt wurde dazu mit 5 µg rhBMP-2 (beladen auf einem Kollagenvlies) behandelt und einem Fixateur externe unterschiedlicher Steifigkeit stabilisiert. Anhand der Fixateur–Steifigkeiten: 1) rigide (100 %), 2) semi-rigide (40 %) und 3) flexibel (10 %), wurden die Ratten in drei Versuchsgruppen eingeteilt und auf ihre Unterschiede in der Genexpression mittels quantitativer real-time PCR an Tag 3, 7, und 14 nach der Operation analysiert. Begleitet wurden diese Gruppen von einer Positivkontrolle (1 mm Osteotomie), die eine physiologische Heilung darstellen soll, und einer Negativkontrolle (unbehandelte 5 mm Osteotomie), die eine Knochendefektheilung widerspiegelt. Zum einen wurden Expressionsunterschiede zwischen der physiologischen Heilung und der gestörten Heilung deutlich. Zum anderen konnte festgestellt werden, dass die Knochenheilungskaskade durch BMP-2 alleine und in Kombination mit der Steifigkeit des Fixators beeinflusst wird. In den Steifigkeitsgruppen zeigte sich vor allem für die flexible Gruppe eine erhöhte Expression an Tag 14 für alle untersuchten Gene. Wohingegen die Expressionswerte der semi-rigiden Gruppe darauf hindeuteten, dass sie bereits an Tag 3 alle Gene (außer c-Fos und Noggin) höher exprimierte als die rigide und flexible Gruppe. Der Einfluss von BMP-2 auf die Expression der ausgewählten Gene wurde durch den Vergleich der rigiden Gruppe mit der Negativkontrolle untersucht. Die BMP-2-Gabe bewirkte bei BMPR II, BMPR IB und c-Fos an Tag 3 (BMPR IB auch Tag 7) ein signifikant niedrigeres Expressionsniveau als in der Negativkontrolle, wohingegen die rigide Gruppe an Tag 14 Kollagen Typ I verglichen mit der NK höher exprimierte. Noggin und c-Fos wiesen an Tag 14 in der rigiden Gruppe und NK eine ähnliche Expression auf. Weiterhin zeigte die flexible Gruppe bei allen Genen eine starke Tendenz der Expressionshochregulierung. Die BMP-Rezeptoren BMPR II und BMPR 1A, Kollagen Typ I, Noggin und ID-1 wurden in der Positivkontrolle signifikant höher als in der Negativkontrolle exprimiert. C-Fos und BMPR 1B wurden dagegen an Tag 3 von der Negativkontrolle deutlich stärker hochreguliert. An Tag 14 erreichten die beiden Kontrollgruppen für c-Fos und BMPR 1B ein ähnliches Expressionsniveau. Zwar wurden die Wirkung von BMP-2 und der Einfluss des vorherrschenden interfragmentären mechanischen Milieus in der Literatur schon analysiert, aber bisher gibt es noch keine Studie, die sich mit den Auswirkungen des Zusammenspiels von biologischen und mechanischen Stimuli in Form von BMP-2 und unterschiedlichen Fixationssteifigkeiten im Knochendefektmodell auf die Expression ausgewählter Gene auseinandergesetzt hat. Diese Dissertation ist Teil einer umfangreichen Studie, welche mit nachfolgenden Methoden den Heilungsverlauf in den Steifigkeitsgruppen bzw. Kontrollgruppen untersucht hat: I) die hier vorgestellte Expressionsanalyse mittels quantitativer real-time PCR, II) MicroArray- Analyse, III) Histologie IV) Mikrocomputertomografie und V) biomechanische in vitro-Testung. Im Gesamtbild der angewandten Methoden in der Studie (Schwarz et al. 2018) zeigte der semi-rigide Fixateur externe in Kombination mit BMP-2 tendenziell eine bessere Knochenheilung in einem 5 mm Defekt der Ratte im Vergleich zu einer rigiden und flexiblen Fixation. Für die klinische Anwendung könnte dies eine vielversprechende Tendenz in Bezug auf eine schnellere Aktivierung der Heilungskaskade und damit verbundene kürzere Regenerationsphase, durch frühzeitige Hochregulation der an der Knochenheilung beteiligten Gene bedeuten. Weitere Untersuchungen hinsichtlich kombinierter Behandlung mit einem moderat mechanischen Stimulus und BMP-2, stellen die Möglichkeit in den Raum, die BMP-2 Dosierung, die damit verbundene Patientenmorbidität, die Behandlungskosten sowie -zeit zu minimieren.