Etablierung eines atrophen Pseudarthrose-Modells am Femur der Ratte

- Establishment of an atrophic non-union-model in the femur of rats -
During fracture healing manifold disorders are possible, resulting in atrophic non-unions in worst case. This healing-disorder is characterized by a reduced regenerative capacity without any noticeable evidence of healing in terms of intramembraneous or endochondral ossification near the osteotomy side. The unknown mechanisms of atrophic nonunion development complicate the finding of successful treatments. Up to now it was not possible to find a consensus for optimal strategy of therapy. The actual therapeutic “golden standard” enfolds a complex chirurgical debridement along with the optimization of the biomechanical situation by means of an applicative osteosynthesis-system, such as an Ilizarov ring-fixator, and the contribution of competent osteoinductive substrate via the transfer of autologous spongiosa tissue. Therapies fail frequently and repeated more invasive therapies are necessary. Apart from the high economic costs this stresses both physically and mentally. Therefore researchers are seeking to develop optimal therapy-models. However this implies to investigate the complex mechanisms underlying an atrophic non-union. Due to the variability of patients, atrophic non-unions are difficult to examine, so animal models has to be applied. However, to beginning of this project in literature no practical animal models with atrophic non-unions were available. The aim of this study was to establish a simply reproducible and standardized model of an atrophic non-union, which simulates the clinic situation in a realistic way and can be used for basic and therapeutic research.
This proposition was implemented on the basis of an in vivo-model with 32 rats, which were randomized in two groups. All animals received a standardized, mid-diaphyseal osteotomy at the femur. During the following eight-weeks life-time the control group showed the course of physiological healing, which could be compared to the test group, which was expected to develop an atrophic non-union. The most important steps to induce an atrophic non-union are thermal destruction of the periosteum 2 mm and curettage of bone marrow 4 mm proximally and distally of the osteotomy side for deactivating the full potential of bone healing. The osteotomy was supplied by an external fixator which allows to analyse the osteotomy site or therapy effects without any interactions between implant and tissue. For evaluation a radiological follow-up was performed during the time post operation. And post mortal sampling of the osteotomized femora was performed for the histological, histo-morphometrical and immunhistological evaluation.
The control group showed a physiological healing course, partially in the final stage of healing. Whereas the test group showed a clearly negative impact of healing. Twelve of 16 animals in this group demonstrated the expected appearance of an atrophic non-union. The remaining animals showed small regions with possible healing-tendencies in and around the osteotomy site. The periosteum was not totally reconstructed. Obviously for bone-healing it is not necessary to complete the phase of periosteal reconstruction, because endosteal healing is feasible as well.
By means of this model it was possible to create an atrophic pseudarthrosis. Obviously the performed manipulations were sufficient to impair healing gravely. All together this model shows a good reliability and reproducibility. All overall results of this study are ratified in the associated publication of Kaspar and und colleagues (2008) by assistance of the author. This model can be used for following evaluations of new therapies for atrophic pseudarthrosis and was already successful constituted for this by some authors. Im Verlauf einer Frakturheilung können vielfältige Störungen auftreten, woraus im schlimmsten Fall eine atrophe Pseudarthrose resultieren kann. Diese Heilungsstörung sind gekennzeichnet durch eine reduzierte regenerative Kapazität ohne erkennbare Heilungstendenzen in Form von intramembranösen oder enchondralen Ossifikationen angrenzend an die Fraktur. Die Unkenntnis über die genauen Mechanismen, die der Entwicklung einer atrophen Pseudarthrose zugrunde liegen, erschwert die Suche nach einem erfolgreichen therapeutischen Ansatz. Bisher konnte kein Konsens über die optimale Therapiestrategie erreicht werden. Der derzeitige therapeutische „Goldstandard“ umfasst ein aufwändiges chirurgisches Debridement mit einhergehender Optimierung der biomechanischen Situation mittels eines geeigneten Osteosynthesesystems, z.B. eines Ring-Fixateurs nach Ilizarov sowie der Bereitstellung von osteogen reaktionsfähigem Substrat über den Transfer von autologem Spongiosagewebe. Häufig bleibt der gewünschte Erfolg aus und erfordert Wiederholungsbehandlungen. Neben den hohen volkswirtschaftlichen Kosten bedeutet dies eine enorme physische und psychische Belastung für den Patienten. Aufgrund dessen ist die medizinische Forschung bestrebt, ein optimales Therapiemodell zu entwickeln. Dies setzt jedoch voraus, die einer atrophen Pseudarthrose zugrundeliegenden, komplexen Mechanismen zu ergründen. Aufgrund der Fallvariabilität in der Klinik am Menschen sind atrophe Pseudarthrosen nur schwer zu untersuchen, weshalb Tiermodelle angewandt werden müssen. Zu Projektbeginn waren in der Literatur jedoch keine geeigneten Tiermodelle mit dem Ziel der Entwicklung einer atrophen Pseudarthrose beschrieben. Somit war es Ziel dieser Studie, ein leicht reproduzierbares und standardisiertes Modell der atrophen Pseudarthrose zu etablieren, welches die klinische Situation realistisch darstellt und für die Grundlagenforschung und therapeutische Fragestellungen herangezogen werden kann.
Realisiert wurde dieses Vorhaben anhand eines in vivo-Modells an 32 Ratten, welche randomisiert in zwei Gruppen eingeteilt wurden. Sämtliche Tiere erhielten eine standardisierte Osteotomie an der Diaphysenmitte des Femurs. Während der sich anschließenden achtwöchigen Standzeit ließ sich in der Kontrollgruppe der physiologische Heilungsverlauf verfolgen. Die Versuchsgruppe sollte vergleichend die Entwicklung einer atrophe Pseudarthrose liefern. Als wichtigste Schritte zur Induktion der atrophen Pseudarthrose galten die thermische Zerstörung des Periosts 2 mm und die Kürettage des Knochenmarks 4 mm proximal und distal um den Osteotomiespalt, um jegliches biologisches Potential für die Knochenheilung auszuschalten. Die biomechanische Versorgung der Osteotomie erfolgte durch einen Fixateur externe. Dieser ermöglicht einen freien Zugang zum Osteotomiebereich um Analysen oder Therapieetablierungen durchzuführen, ohne dass es im Spalt zu Wechselwirkungen zwischen Implantat und Gewebe kommt. Zur Auswertung kamen radiologische Verlaufskontrollen die während der Standzeit angefertigt wurden sowie im Anschluss an die Standzeit die histologische, histomorphometrische und immunhistologische Auswertung der post mortem entnommenen, osteotomierten Femora.
Das gesamte Untersuchungsmaterial der Kontrollgruppe verwies auf einen sich teilweise in der Endphase befindenden, physiologischen Heilungsverlauf. Bei der Versuchsgruppe war hingegen eine deutliche Heilungsbeeinträchtigung festzustellen. So demonstrierten zwölf von 16 Tieren der Versuchsgruppe eindeutig das Erscheinungsbild einer reaktionsunfähigen, atrophen Pseudarthrose. Die übrigen Tiere der Versuchsgruppe zeigten in und am Osteotomiespalt lokale Bereiche mit möglichen Heilungstendenzen. Das Periost hatte sich meist nicht vollständig rekonstruiert und den Osteotomiespalt nicht überwachsen. Offensichtlich muss zur Knochenheilung nicht erst die Phase der periostalen Rekonstruktion durchlaufen werden, da die Heilung auch von endostaler Seite aus möglich ist.
Das in der Studie angestrebte Ziel der Etablierung einer atrophen Pseudarthrose wurde erreicht. Die vorgenommenen Manipulationen reichten aus, um die Heilung massiv zu beeinträchtigen. Insgesamt weist das Modell eine gute Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit auf. Sämtliche Gesamtergebnisse dieser Studie bestätigen sich ebenfalls in der zugehörigen Veröffentlichung von Kaspar und Mitarbeitern (2008) unter Mitbeteiligung der Autorin. Dieses Modell kann für nachfolgende Untersuchungen im Rahmen der Therapieetablierung bei atrophen Pseudarthrosen angewendet werden und wurde hierzu bereits erfolgreich von einigen Autoren eingesetz.