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3  Diskussion

3.1 Tiermodell

Die erfolgreiche Durchführung der Operation und Distraktion sowie die histologischen Ergebnisse zeigten, dass eine Distraktionsosteogenese am Minischwein vorgenommen werden kann. Die Tiere haben den Fixateur externe gut toleriert, systemische Infekte traten nicht auf. Trotz des montierten Schutzschildes, zweimal täglicher Pinpflege und systemischer Antibiose traten jedoch Pin-Infekte auf, welche teilweise zu Revisions-Operation führten. Das Auftreten von Pin-Infekten hatten zur Folge, dass routinemäßig bei allen Tieren nach der Distraktionsphase die Festigkeit der Pins in Narkose überprüft wurden, um die biomechanischen in-vivo Messungen nicht zu gefährden (siehe 3.3.3). In zwei anderen Studien an Schafen mit Voll-Ring Ilisarov-Fixateuren und Draht-Fixation heilten Pin-Infekte unter lokaler Behandlung, Revisions-Operationen waren nicht erforderlich.(90,375) In einer weiteren Studie an Schafen, in welcher ebenfalls Schanz’ Schrauben zum Einsatz kamen, konnten keine Pin-Infekte beobachtet werden.(86) Eine Erklärung für die signifikante Anzahl von Pin-Infekten im vorliegenden porcinen Modell könnte der geringe Abstand der Pinstellen zum Stallboden sein. Dagegen spricht, dass die infizierten Pins die proximalen waren. Es ist daher wahrscheinlicher, dass die im Unterschied zu den Schafsmetatarsale voluminöseren Weichteile an der porcinen Tibia für die Pininfekte verantwortlich sind. Da diese an der proximalen Tibia wesentlich dicker sind als an der distalen, wäre dadurch das dortige Auftreten der Pin-Infekte erklärt. Trotzdem konnte an den Tibiae der Minischweine eine erfolgreiche Distraktion durchgeführt werden, die histologisch gemessene Distraktionsstrecke in Gruppe I (1 mm/Tag Distraktion) entsprach genau der vorherberechneten Distanz. Starker Zug auf den Weichteilen könnte dafür verantwortlich sein, dass in Gruppe 3 (2 mm/Tag Distraktion) das Erreichen des Distraktionszieles am weitesten verfehlt wurde. In vorangegangenen tierexperimen­tellen Studien wurde 10% Verlängerung eines Knochens an den unteren Extremitäten von den Weichteilen gut toleriert(17,223,381), während andere Studien histopatho­logische Veränderungen nach 30%iger Verlängerung fanden.(206,223,247) In der aktuellen Studie reichte die Verlängerungsstrecke von 8% in Gruppe I bis 16% in Gruppe III. Die tägliche Verlängerungsrate in Gruppe II (1,5 mm) und Gruppe III (2 mm) übertrifft alle bisher dokumentierten experimentellen und klinischen [Seite 60↓]Distraktionsgeschwindigkeiten. Bei Mäusen, Ratten und Kaninchen wird eine Rate von 0,5 mm/Tag als adäquat betrachtet.(21,180,211) Bei Ziegen werden 0,75 mm/Tag beschrieben(365), während Ilizarov an Hunden zeigte, dass 1 mm/Tag Distraktion das beste Regenerat formiert.(175) In der aktuellen Untersuchung ergeben die in-vivo Färbungen, dass alle Gruppen eine Kallusformation schon in der Distraktionsphase zeigen, in Gruppe I war die Distraktionsstrecke am Ende der Distraktionsphase bereits knöchern durchbaut. Unter vergleichbaren Bedingungen konnte bei anderen Tiermodellen mittels Histologie, QCT oder DEXA frühestens zehn Tage nach Ende der Distraktion kalzifiziertes Gewebe im Distraktionsspalt gefunden werden.(12,13,19,116,245)

Die histologischen Präparate der Gruppe II zeigen Regenerate, welche teilweise überbrückt sind, ebenso finden sich in Gruppe III keine histologischen Zeichen für ein Regeneratversagen. Zum größten Teil lässt sich bei der histologischen Befundung der Regenerate von Gruppe II und III intramembranöse Ossifikation nachweisen wie sie auch von anderen Untersuchern für die Distraktionsosteogenese beschrieben wurde.(13,101,131,175,201,356) Im Gegensatz dazu zeigt die Gruppe I einen polymorphen Kallus wie er eher für die sekundäre Frakturheilung beschrieben wird. Dies könnte mit der langen Konsolidierungszeit in dieser Gruppe zusammenhängen (25 Tage vs. 15 Tage in Gruppe II und 10 Tage in Gruppe III), welche dem Kallus wesentlich mehr Zeit zum Remodeling gibt. Diese Annahme wird durch die Beobachtung gestützt, dass die kortikalen Knochenenden der Gruppe I ein deutlich fort­geschrittenes Remodeling im Vergleich zu den anderen Gruppen zeigten. Das Auftreten von Knorpel im Distraktionsspalt wird weithin als Zeichen für Instabilität und dem Auftreten von exzessiven Scherkräften betrachtet.(20) In der von uns gewählten Versuchsanordnung könnte das Auftreten von Knorpelinseln im Regenerat mit einer eventuellen Instabilität des Halbringfixateurs zusammenhängen. Zusätzlich passt die erhöhte Menge an knorpeligem Gewebe in der Gruppe mit 2 mm Distraktion am Tag zur Beobachtung anderer Untersucher, die feststellten, dass eine hohe Distraktionsgeschwindigkeit die Knorpelsynthese begünstigt.(127) Andererseits wurde die sog. transchondrale Ossifikation bei der Distraktionsosteogenese beschrieben, bei welcher Chondrozyten direkt zu Osteoblasten transformieren und signifikant zur Knochenmatrixformation beitragen.(382) Somit könnten gemäß dieser Theorie die im vorliegenden Versuch beobachteten knorpeligen Areale ein “normales” Phänomen darstellen.


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Die in-vivo Färbungen zeigen im Unterschied zu anderen Studien, dass sich der Kallus in der vorliegenden Untersuchung nicht primär von der Oberfläche der Knochenenden, sondern vom Periost und Endost ausbildet.(12,13,175) Im Gegensatz zu den anderen Untersuchungen, in welchen eine Kortikotomie durchgeführt wurde, könnte in der vorliegenden Studie die Verwendung einer oszillierenden Säge den kortikalen Knochen thermisch geschädigt haben.(127) Während die Technik der Kortikotomie von Ilizarov und seinen Mitarbeitern stets gefordert wurde(175,176,323), konnten andere Untersucher zeigen, dass die Nutzung einer oszillierenden Säge und die Durchführung einer Osteotomie zu gleichwertigen Ergebnissen führen kann.(12,13,19,127) Unsere Studie bestätigt, dass ein potentes Regenerat auch vom Periost und Endost alleine gebildet werden kann. Dies zeigt – wie auch schon von anderen Autoren postuliert - die Wichtigkeit, die periostale Integrität zu erhalten und ggf. wiederherzustellen.(13,19,101,211,252,381) Bei der Diskussion der vorliegenden Untersuchungen gilt es zu berücksichtigen, dass die Änderung von jeweils zwei Parametern von Gruppe zu Gruppe die einzelne Diskussion des Einflusses von Standzeit und Distraktionsgeschwindigkeit auf die Histologie des Regenerates nicht erlaubt. Vielmehr sollte die vorliegende Studie die histologischen und biomechanischen Veränderungen bei einer Distraktionsosteogenese unter zunehmend “extremen“ Bedingungen zeigen.

Die vorliegende Studie zeigte, dass eine Distraktion der Tibia am Minischwein durchgeführt werden kann. Die von uns verwendeten Tiere zeigten eine außerordentlich hohe osteogene Potenz mit einer linearen Knochenformation von 1000 µm pro Tag, während die bisher schnellste dokumentierte Formationsrate 400 µm pro Tag beträgt.(15,17) Insgesamt zeigte sich, dass sich am Minischwein eine zuverlässige und reproduzierbare Distraktionsosteogenese durchführen lässt.


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3.2  Validierung der neu entwickelten oder an das Tiermodell adaptierten Messmethoden

3.2.1 Digitale LuminEszenzradiographie (DLR)

Die zur Zeit übliche Methode zur Beurteilung des Regenerates bei der Distraktionsosteogenese ist zum einen die Röntgenaufnahme in zwei Ebenen, zum anderen die klinische Beurteilung.(270) Therapieplanung und -verlauf werden bestimmt durch manuelle Untersuchungen der Stabilität der Extremität, die Bewertung der Schmerzsymptomatik durch den Patienten sowie empirisch gewonnene Daten über die durchschnittlich notwendigen Distraktions­geschwindig­keiten und Heilungszeiträume. In der Literatur wird der Heilungsindex, das heißt die durchschnittliche Heilungszeit des Knochens pro distrahiertem Zentimeter, mit 35-45 Tagen angegeben.(360) Nach den klinischen und radiologischen Kriterien werden gegebenenfalls notwendige Korrekturen der Distraktions­geschwindigkeit, Empfeh­lungen zur Belastung der Extremität und Zeitpunkt der Fixateurentfernung bestimmt.(245) In einigen Studien wurden die Schwierigkeiten der radiologisch-morphologischen(55,263,275)oder der manuellen Beurteilung bei der Frakturheilung aufgezeigt.(362) Das konventionelle Röntgenbild ist zur Beurteilung der Qualität eines Regenerates nicht genügend aussagekräftig, die Untersucher­abhängigkeit bezüglich der Einschätzung der Knochenstabilität birgt immer ein Risiko für den Patienten.(123,238) Die Ansätze zur quantitativen Evaluierung des Regenerates im Distraktionsspalt befinden sich im experimentellen Stadium. In einer klinischen Studie untersuchten Fink et al. die Mineraldichte von 71 Regeneraten bei der Kallusdistraktion, indem sie konventionelle Röntgenbilder während der Distraktions- und Konsolidierungsphase bis zur Fixateurentfernung digital auswerteten.(119) Dabei zeigte sich ein initialer Abfall der relativen radiographischen Dichte bis zum Ende der Distraktion, anschließend wieder ein kontinuierlicher, logarithmischer Anstieg der Dichtewerte. Die Autoren empfehlen die Quantifizierung der zunehmenden Kallus-Kalzifizierung zur Abschätzung der Heilungsdauer des Knochens. In einer weiteren Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Absorption von Durchlicht durch die jeweils interessierende Kallusregion mit der Biegesteifigkeit veheilender Tibiae bei Hunden korreliert.(346) Mit dem Beginn der Digitalisierung von optischen Informationen wurde die auf Röntgenbilder basierende Quantifizierung von [Seite 63↓]Knochen- oder Kallusdichte erleichtert.(310) Die Basis für die Auswertung von Röntgenbildern war jedoch immer der konventionelle Röntgenfilm mit seiner sigmoiden Expositionskurve und seinem limitierten Spektrum detektierbarer Röntgenstrahlung, insbesondere im hohen und niedrigen Intensitätsbereich.(246) Demgegenüber bietet die digitale Radiographie einige Verbesserungen. Diese resultieren aus dem breiteren Wellenlängenspektrum, der linearen Reaktion des Detektors auf die Röntgenstrahlung und der verbesserten Detektionseffezienz; zudem können die Bilder direkt digital verarbeitet werden. Aufgrund der größeren Spannbreite detektierbarer Intensitäten bietet sich die digitale Radiographie besonders für die Analyse der frühen Frakturheilung und Regeneratkonsolidierung an.(125) Die Möglichkeiten zur digitalen Bildnach­bearbeitung ermöglichen auch die Visualisierung geringer, für das Auge kaum nachweisbarer Signale. Dies könnte ebenfalls bei der Beurteilung der frühesten Verheilungszustände bei der Distraktions­osteogenese wertvoll sein, birgt aber auch die Gefahr des Hinzufügens von Bildinformation. In der vorliegenden Studie erwies sich die Auswertung der digitalen Lumineszenzradiographie (DLR) als sensitive Messmethode, signifikante Unter­schiede der “Knochendichte“ im Regenerat konnten von Messtag zu Messtag (zeitlicher Abstand ein bis zwei Tage) gefunden werden. Der Determinations­koeffizient (r²) von 0.8 zwischen der DLR-Messung am letzten Tag der Konsoli­dierungsphase und den biomechanischen Daten der Materialtestmaschine ist sowohl mit dem der eigenen QCT-Messungen (siehe 3.2.2) als auch mit den in der Literatur gefundenen Werten für DEXA und QCT vergleichbar; letztere gelten, wie oben bereits erwähnt, als “gold standard“ der Bildgebung hinsichtlich der Vorhersage biomechanischer Belastbarkeit (siehe 1.3.3). Auffallend ist, dass sowohl bei der sonographischen Messung als auch bei der quantitativen DLR die erhaltenen Werte besser mit den Steifigkeitswerten der Regenerate als mit der torsionalen Festigkeit korrelieren. Eine mögliche Erklärung bietet die Beobachtung, dass bei der Verheilung, also der Zunahme der Mineralisierung belasteter langer Röhrenknochen, die Steifigkeit früher zum gesunden Knochen vergleichbare Werte erreicht als die Versagenslast.(92)

Die vorliegende Untersuchung lässt erwarten, dass die DLR in der Zukunft erweiterte Möglichkeiten zur Evaluierung der Regeneratkonsolidierung eröffnet. Ob diese Methode auch zur Analyse der Frakturheilung herangezogen werden kann, bedarf weiterer Studien, da bei der vorliegenden Evaluierung mit dem [Seite 64↓]Distraktionsspalt ein breites Messfeld zur Verfügung stand, während bei der Frakturheilung ein deutlich kleineres Messareal vorliegt.

3.2.2 Quantitative Computertomographie (QCT)

Ziel der Untersuchung war es ebenso wie bei der Sonographie und der DLR zu überprüfen, inwiefern es möglich ist, durch standardisierte Vermessung des Kallusgewebes prädiktive Aussagen über die biomechanische Festigkeit des Knochens zu treffen. In der vorliegenden Studie wurden CT-Longitudinalschnitte des Regenerates angefertigt, um die Ausbreitung des Kallus und die hypodense “fibrous interzone“ genauer identifizieren zu können. Die Assoziation von Mineralgehalt und biomechanischen Eigenschaften wird in der klinischen Routine seit Jahren zur Einschätzung des osteoporotischen Knochens genutzt. Da sich die quantitative Computertomographie hier bereits als Standard etabliert hat, wurde diese Methode auch von vielen Untersuchern in experimentellen Studien zur Beurteilung des Mineralisierungsgrades von Kallusgewebe eingesetzt, um daraus Rückschlüsse auf die Festigkeit und das Heilungsstadium ziehen zu können.(155) In den bisher publizierten Studien zur quantitativen CT-Auswertung des Kallus werden verschiedene Messmethoden am tierexperimentellen Modell sowohl bei der Distraktionsosteogenese als auch bei der Frakturheilung verwendet. Bei der Frakturheilung im Tiermodell korrelierte die mittels dreidimensionaler QCT gemessene Mineraldichte eines Kallus nach geschlossener Fraktur sehr gut mit der Torsionsfestigkeit und –steifigkeit (r² bis 0.82).(102) Auch die axiale Messung in einem Osteotomiespalt erbrachte im Tierexperiment ähnlich hohe Korrelationen (r²=0.74) zwischen Torsionssteifigkeit und durch QCT gemessener Knochendichte.(243-245) Zu vergleichbaren Ergebnissen gelangt auch eine weitere Arbeit, welche in einem auf 3 mm distrahierten Osteotomiespalt eine starke Korrelation zwischen der Knochendichte des Regenerates und der Biegefestigkeit des Knochens beschreibt (r²=0.70).(23) In einer anderen Arbeit wurden QCT-Messungen an axialen Schnittbildern im Distraktionsregenerat bei der Verlängerung von Schafstibiae durchgeführt.(291) Hierbei wurde ein Bestimmtheitsmaß bei der Korrelation der Torsionsparameter und der Mineraldichte in der QCT bis r2 = 0,60 gefunden. Die Autoren dieser Studie geben an, dass aufgrund ihrer klinischen Auswertungen an Tibiaverlängerungen der Abbau des Fixateur externe bei einer [Seite 65↓]Mineraldichte im Regenerat von 60 % der gesunden Gegenseite erfolgt; dieser Wert wird von einer weiteren Studie bestätigt.(13) In der vorliegenden Studie zeigen sich Korrelationen zwischen der QCT-Messung und den Torsionsmessungen in der Materialprüfmaschine, welche mit den oben dargestellten, bei der Frakturheilung gefundenen Werten übereinstimmen. Mit der vorliegenden Messmethode ergibt sich eine deutlich höhere Korrelation mit den mechanischen Eigenschaften des Regenerates wie in der vergleichbaren Studie an der Distraktionsosteogenese.(291) Möglicherweise besitzt die Auswertung sagittaler Schnittbilder durch das Regenerat bessere Aussagekraft wie die axialer Schnitte, wobei letztere der Schnittbildrichtung in der klinischen Applikation entsprechen. Anlässlich der vorliegenden Studie erfolgte auch die Analyse zur Aussagekraft verschiedener Messfelder innerhalb des Regenerates. Diese wird gesondert publiziert und diskutiert werden. Für die Anwendung in der jetzigen Studie wurde der gesamte sagittale Schnitt des Regenerates zwischen den Osteotomieflächen vermessen.

In diversen anderen Studien erfolgte die Vermessung des Regenerates mittels QCT zum morphologischen Monitoring der Heilungsvorgänge ohne Vergleich mit der Biomechanik.(13,354,355) Strittig ist, ob bei der Applikation der QCT ein Abbau des Fixateur externe erfolgen muss. Während einige Autoren versuchen, dieses Problem durch den Einsatz strahlendurchlässiger Kunststofffixateure zu umgehen(354,355), geben andere an, trotz Artefaktbildung im Messfeld zuverlässige Messungen zu erhalten.(13,300) In der vorliegenden Studie erfolgte der Abbau des Fixateur externe und die Vermessung des Regenerates ohne umgebende Weichteile. Dies verbessert zum einen die Messgenauigkeit, zum anderen vermindert sich jedoch damit die klinische Übertragbarkeit.

Die quantitative Computertomographie bestätigt im vorliegenden Versuch, dass sie die Möglichkeit einer qualitativen und quantitativen Analyse des Regenerates bietet.(61,270,284,347) Nachteilig an dem Verfahren der QCT ist die zusätzliche Strahlenbelastung der Patienten (100-300 mrem).(245) Die Verbesserung der diagnostischen Sicherheit und die damit verbundene Reduzierung der Komplika­tions­rate würde jedoch einen deutlichen Nutzen für die Patienten darstellen. Als zusätzliches radiologisches Verfahren bei entsprechender unklarer Klinik oder nicht eindeutigen Befunden im konventionellen Röntgenbild kann die QCT wertvolle Hinweise auf ungenügend kalzifizierte Areale im Regenerat geben und somit eine Verbiegung oder Fraktur des Knochens nach Fixateurentfernung verhindern. In der [Seite 66↓]vorliegenden Studie wurde unseres Wissens erstmalig durch longitudinale Tomogramme ein repräsentativer Teil des Kallus untersucht und dieser mit den biomechanischen Torsionseigenschaften quantitativ korreliert. Die Ergebnisse weisen einen klinisch relevanten Zusammenhang zwischen dem Mineralisierungs­grad des Gewebes im Distraktionsspalt und den biomechanischen Eigenschaften des Knochens nach.

3.2.3 Quantitativer Ultraschall

Um die Ergebnisse von Eindringtiefe und Breitenausmessung des Distraktionsspaltes mittels Ultraschall zu erklären, sollen hier die Arbeiten von Aronson, der die Heilungsvorgänge histologisch untersucht hat, zugrunde gelegt werden.(16) Nach seinen Beobachtungen schreitet der Durchbauungsprozess von den Kortikotomie­rändern ausgehend zur Mitte des Distraktionsspaltes fort. Dies ließe Ultraschallbilder erwarten, die zunächst eine homogene echoarme Distraktionszone zeigen. Im Verlauf müssten zunehmend echoreiche Strukturen, von den Rändern beginnend zur Mitte des Spaltes fortschreitend, abgebildet werden. Die Breitenausmessung des Distraktionsspaltes müsste in diesem Fall die Durchbauungsprozesse exakt widerspiegeln. In den Ultraschallabbildungen des vorliegenden Versuches zeigten sich jedoch im wesentlichen zwei signifikante Abweichungen dieses Verlaufs: 1. Die meisten Versuchstiere zeigten im Ultraschallbild eine ausgeprägte Kallusbildung, so dass die Kortikotomieränder aufgeworfen abgebildet und die Distraktionsstrecke von Beginn an verkleinert dargestellt wurde. 2. Bei einigen Versuchstieren waren auch in der Mitte des Distraktionsspaltes echoreiche kortikalisartig reflektierende Strukturen zu erkennen, so dass ein für die Breitenausmessung relevanter Distraktionsspalt nicht mehr klar zu definieren war. Die Breitenausmessung reflektiert somit den Kallusanbau an den distrahierten Knochenenden und folglich die Einengung des Distraktionsspaltes. Auch bei großen Kallusmengen kann jedoch die Verzahnung derselben fehlen und weiterhin eine fibröse sehr elastische Zwischenzone vorliegen, so dass die biomechanische Stabilität gering ist. Dementsprechend korreliert in diesem Versuch die Breitenausmessung schlecht mit den Ergebnissen der Biomechanik. Um den oben beschriebenen Abweichungen vom Idealfall der Heilung Rechnung zu tragen, könnte es sinnvoll sein, die Kontinuität der Kortikalis zu berechnen. In einer entsprechenden Studie wurde die Disktraktionszone von allen [Seite 67↓]vier Seiten in der longitudinalen Ebene sonographisch untersucht, die Kontinuität dieses Bereichs ermittelt und in Prozentwerten angegeben.(148) Einzig in dieser experimentellen Studie erfolgte der Vergleich der sonographischen Messungen mit den biomechanischen Eigenschaften des Regenerates. Der sonographische Messparameter der “Kortikaliskontinuität“ korrelierte jedoch schlecht mit den biomechanischen Daten. Die im vorliegenden Versuch bestimmte Eindringtiefe des Ultraschalls in das Regenerat hingegen korreliert sehr gut mit den Ergebnissen der Biomechanik und zeigt überraschenderweise im Vergleich mit dem “gold standard“ QCT hinsichtlich der torsionalen Steifigkeit einen vergleichbaren Determinations­koeffizienten. Die biologischen Vorgänge im Distraktionsspalt und ihre Abbildung im Ultraschall bieten dafür eine logische Erklärung: Im Idealfall der Heilung ist der Distraktionsspalt zu Beginn der Distraktion im Ultraschallbild ein noch echoarmes Gebiet, das an den Kortikotomierändern beginnend kalzifiziert. Im Ultraschallbild ist das anhand der zunehmend echoreichen Strukturen zu erkennen. Durch die Messung der Eindringtiefe wird immer die Schwachstelle des Regenerates erfasst, gleichgültig, ob sich am Rande des Regenerates Kallus findet oder nicht. Offensichtlich ist für die mechanische Stabilität entscheidend, ob in der fibrösen Zwischenzone eine echoreiche Überbrückung stattgefunden hat. Ebenso wie die quantitative DLR und die QCT zeigen die sonographisch ermittelten Werte eine bessere Korrelation mit der Steifigkeit als mit der torsionalen Versagenslast. Die möglichen Gründe hierfür wurden bereits oben diskutiert (siehe 3.2.1). Da die Tiere ausgesprochen unterschiedliche Durchbauungsstadien aufwiesen, bot sich ein breites Spektrum an Verheilungsszuständen. So ist auch der Schluss zulässig, dass die Tiefenausmessung des Distraktionsspaltes durch Ultraschall nicht nur zu einem Zeitpunkt der Konsolidierungsphase, sondern während der gesamten Dauer der Konsolidierung bis zur Bildung einer durchgängigen Kortikalis eine Aussage über die mechanische Stabilität des Regenerates erlaubt.

Die vorliegende Untersuchung bestätigt vorhergehende Studien, welche eine sehr frühe Visualisierung der Kalzifizierung des Distraktionsregenerates beschreiben.(95,283,383) Somit scheint es übereinstimmend mit anderen Autoren möglich, eine vorzeitige oder verzögerte Konsolidierung zu verhindern bzw. frühzeitig zu erkennen.(53) Verschiedene Autoren haben die Regeneratbildung im Distraktionsspalt mittels Ultraschallmessungen in unterscheidbare Stadien eingeteilt. Gemeinsam äußerten sie, dass ab dem Zeitpunkt der kompletten knöchernen [Seite 68↓]Überbrückung eine genaue Einschätzung des Verlängerungsspaltes nicht mehr möglich sei.(104,148,237) Einzelne Autoren geben an, dass mittels Sonographie auch das Ausmaß der kortiko-medullären Differenzierung des Regenerates im Verlauf möglich sei.(168) Dieser Auffassung wird von anderen Autoren widersprochen.(148,239) Gegen Ende des vorliegenden Versuches konnte bei zwei Tieren keine Eindringtiefe der Ultraschallsignale mehr gemessen werden. In der biomechanischen Testung zeigten diese eine komplette Verheilung mit einer höheren Torsionsfestigkeit als die gesunde kontralaterale Tibia. Rückschlüsse auf die klinische Situation lassen sich daraus jedoch nicht ziehen, da die enorm beschleunigte Regeneratkonsolidierung unter dem Einfluss von GH sicherlich anderen Gesetzmäßigkeiten folgt. In einem Review-Artikel betonen Hughes et al., dass die Sonographie eine korrekte Ausmessung der Spaltbreite zulässt.(169) Für den vorliegenden Versuch kann dies nicht bestätigt werden. Dabei muss man berücksichtigen, dass eine Osteotomie mit der oszillierenden Säge unter Erhalt des Periosts durchgeführt wurde. Dies führte zu einer Mineralisierung des Regenerates vorwiegend vom Periost aus. Wie eingangs dieses Abschnittes bereits angemerkt, “überwuchert“ diese Knochenneubildung frühzeitig die kortikalen Knochenenden und lässt eine Distanzmessung zwischen denselben nicht mehr zu. In der vorliegenden Literatur handelt es sich bei den verwendeten Schallköpfen zumeist um Linearscanner, die zum Einsatz gekommenen Frequenzen reichen von 3,5 MHz über 5, 7,5 bis 10 MHz.(104,118,143,148,168,171,237,383) Wenn das distrahierte Areal subkutan liegt, wie in der vorliegenden Studie, scheint die Schallfrequenz von untergeordneter Bedeutung zu sein. Vergleichende Studien liegen nach Wissen des Autors derzeit nicht vor. Von größerer Wichtigkeit für den intraindividuellen Vergleich des Heilungsverlaufes erscheint die Verwendung der Meßschablone, um die Messung an identischen Lokalisationen durchführen zu können. Nachteilig ist hierbei, dass für eine Vermessung mehrerer Ebenen wie sie von einigen Autoren gefordert wird(148), auch mehrere Schablonen nötig wären.

Der vorliegende Versuch zeigt übereinstimmend mit anderen Autoren, daß die Sonographie die Möglichkeit zur diagnostischen Kontrolle der Regeneratbildung eröffnet.(95,171) Damit kann die Strahlenbelastung des Patienten verringert werden, da regelmäßige Röntgenkontrollen zumindest zum Teil durch Ultraschall ersetzt werden können.


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3.2.4  In-vivo torsionale Steifigkeit (IVTS)

In der vorliegenden Arbeit wurde ein neues Messinstrument vorgestellt, welches in der Lage ist, die Torsionssteifigkeit eines heilenden Knochenregenerates bei der Distraktionsosteogenese in-vivo zu messen. Die Steifigkeit wurde bestimmt, indem man ein bekanntes minimales Drehmoment auf die Regeneratzone applizierte und den resultierenden Drehwinkel bestimmte. Der Vergleich der IVTS-Messdaten mit den gemessenen Bruchfestigkeitswerten in der Materialtestmaschine ergab eine hoch signifikante Korrelation (r²= 0.8). Die Ergebnisse der Modellstudie und der in-vivo Studie zeigten die Fähigkeit des Systems, den Heilungsverlauf eines sich neubildenden Knochenregenerates zu verfolgen, sowie die torsionale Steifigkeit des Regenerates mit guter Genauigkeit und Präzision vorauszusagen. Voraussetzung ist jedoch, dass die Messung innerhalb der oben angegeben Steifigkeitsbereiche erfolgt (siehe 2.1.3). Die Ursache der geringeren Genauigkeit in sehr niedrigen Steifigkeitsbereichen mag in der nicht optimalen Auslastung und Auflösung der Kraftmesszelle zu finden sein. In sehr hohen Steifigkeitsbereichen hingegen kommt es vermutlich zu elastischen Verformungen des Fixateurs (vor allem der Schanz-Schrauben) und der abnehmbaren Messeinheit. Dies und die nicht-lineare Kalibrierung kann bei höheren Belastungen und höheren Steifigkeiten der Testkörper für die Ungenauigkeiten der präsentierten Methode gegenüber dem "gold standard" - der Materialtestmaschine - verantwortlich sein. Diese Genauigkeits- und Präzisionswerte müssen bei klinischem oder wissenschaftlichem Einsatz des Systems in Betracht gezogen werden. Messungen unterhalb eines Bereiches von 0.3 Nm/° und über 3.0 Nm/° müssen zurückhaltend interpretiert werden. Entsprechend können Unterschiede der Knochenregeneratsteifigkeit von unter 6% von dieser Anordnung nicht mehr wahrgenommen werden. Genauigkeit und Präzision sowie der Messbereich könnten sich jedoch noch weiter verbessern werden, indem die Dimensionen, die verwendeten Materialien, das Gleitlager oder der Knochen-Doppelhalbring-Abstand modifiziert würden.

Wie oben angeführt, wurde das Konzept, einen vorhandenen Fixateur externe zum Monitoring der Frakturheilung zu nutzen, bereits vielfach experimentell eingesetzt. Die ersten Berichte stammten von Autoren, welche die Knochenregeneratsteifigkeit über minimale Fixateurverformungen während normaler Belastungen gemessen haben (siehe 1.3.4).(45,66,188,200) Obwohl die Anwendbarkeit der Verfahren [Seite 70↓]demonstriert wurde, konnte bisher noch keine verbreitete Akzeptanz dieser Systeme im klinischen Gebrauch beobachtet werden. Einer der Hauptgründe für die ablehnende Haltung könnte die Empfindlichkeit dieser Messanordnungen gegenüber einer Vielzahl von unterschiedlichen Einflussfaktoren sein. Zu nennen sind hier vor allem die individuelle Fixateurkonfiguration und der Einfluss der Knochen-Implantat/Schrauben-Verankerungen. Jeder montierte Fixateur stellt ein Einzelstück dar, das mit eigenen Meßsensoren und -konstruktionen versehen und jeweils individuell kalibriert ist. Die Messungen müssten auf jeden Patienten zugeschnitten werden, um die Daten individuell zu korrigieren und auf konstruktionstechnische Unterschiede der Messanordnungen eingehen zu können. Chirurgische Revisionen wie Pin-Neupositionierung bei Lockerung oder Achsenkorrekturen während der Heilungsphase bedeuten eine Änderung des Konstruktes mit der Notwendigkeit einer Neujustierung und Korrektur des Messprozesses. Die erste klinisch anwendbare Methode besitzt trotz der im Vergleich zu anderen Systemen signifikanten Verbesserungen, den entscheidenden Nachteil, dass bei dieser Messanordnung der vorhandene Fixateur externe entfernt werden muss.(96,115,293) Folglich kann das System nicht in der Frühphase der Frakturheilung eingesetzt werden. Das vorgestellte Torsionsmesssystem besitzt gegenüber den bisher angewandten deformativen Messverfahren einige Vorteile. So ist diese Methode nach derzeitigem Wissen die Erste, die eine Torsionsbewegung für die in-vivo Steifigkeitsmessungen benutzt. Dieses Prinzip ermöglicht ein Belassen des Fixateurs und somit die Erhaltung der Knochenachse in allen Ebenen. Lediglich die Bewegung in der Rotationsebene wird freigegeben, die jedoch kontrolliert ausgeübt und minimal gehalten wird. Dies gewährleistet einen Schutz des sich neubildenden Knochengewebes und erlaubt den Einsatz des Systems auch in der Frühphase der Knochenheilung. Dazu kommt, dass in der etwaigen klinischen Anwendung für verschiedene Patienten nur eine abnehmbare Messeinheit innerhalb einer klinischen Einrichtung benötigt werden würde. So wurden alle Tiere im vorliegenden Versuch mit der gleichen Messeinheit untersucht. Die zu erwartenden Probleme mit dem vorgestellten Meßsystem entsprechen denen bei anderen Studien beschriebenen. So stellt die glatte Osteotomie mit einem elastischen Regenerat dazwischen den Idealfall für die Testung dar. Bei unregelmäßigen Fragmentenden wie im Falle einer Fraktur können sich diese auch bei kleinen Torsionsbewegungen ineinander verzahnen. Damit ist die Messung von absoluten Knochensteifigkeiten sehr eingeschränkt und [Seite 71↓]würde für die Überwachung von Frakturpatienten individuell vom Frakturtyp abhängen. Gleiches gilt jedoch auch für Methoden, welche die Biegesteifigkeit frakturierter Knochen bestimmen.(89) Beim Monitoring von Frakturen mit derartigen Methoden ist es dennoch – wenn auch bei sehr kleinen Auslenkungen eingeschränkt – möglich, die relative Steifigkeitsänderung im Verlauf aufzuzeigen. Ebenso wie andere Verfahren hat auch die Lockerung von Pins oder Drähten oder die Verschmutzung des Fixateurs einen Einfluss auf das Messergebnis. Diese Veränderungen der Konstante “Fixateur“ muss demzufolge vermieden werden. In der vorliegenden Studie erfolgte vor Beginn der Messungen (vor der Konsolidierungsphase) in Narkose der Tiere die Überprüfung der Festigkeit aller Fixateurpins, gelockerte Pins wurden ausgetauscht.

Im vorliegenden Versuch konnten mit der Messung der Torsionssteifigkeit die Heilungsverläufe der einzelnen Tiere verfolgt werden. Die Ergebnisse demonstrieren die Anwendbarkeit des in-vivo Torsionssteifigkeits-Messverfahrens im Rahmen der Distraktionsosteogenese im Tierexperiment. Die Methode kann mit guter Genauigkeit und Präzision den Heilungsverlauf des sich regenerierenden Knochens verfolgen. Aufgrund der hohen Korrelation der in-vivo Torsionssteifigkeit und des maximalen Drehmomentes in der biomechanischen Testung am letzten Versuchstag wurde gefolgert, dass unter Berücksichtung der oben angeführten Limitationen anhand von in-vivo Torsionssteifigkeitsmessungen Aussagen über die Belastbarkeit und Bruchfestigkeit heilender Knochen während der Frühphase der Regeneratkonsolidierung bei der Distraktionsbehandlung möglich sind.

3.3 Wirkung von GH auf die Distraktionsosteogenese

3.3.1 Serologische Untersuchungen

In der hier vorliegenden Studie wurde erstmals das Verhalten der GH/IGF-I -Achse während der Distraktionsosteogenese unter Stimulation durch GH untersucht. Zahlreiche andere Studien zur Untersuchung eines stimulativen Effektes von Wachstumshormon auf die Frakturheilung hatten artfremdes GH eingesetzt. Die Ergebnisse waren widersprüchlich.(28,29,74,267) Im vorliegenden Versuch wurde ein artgleiches, rekombinantes Wachstumshormon systemisch appliziert. Bei den Tieren der GH-Gruppe kam es postoperativ zu einem signifikanten Anstieg der wachstumshormonabhängigen Parameter IGF-I und IGFBP-3. Auch erhöhte sich der [Seite 72↓]Anteil des freien IGF-I am gesamten IGF-I. Ebenso wie im Vorversuch zeigte sich, dass die GH/ IGF-I -Achse stimulierbar war.

Bei der Distraktionsosteogenese zeigten sich phasenabhängige Verläufe der IGF-I Serumkonzentration. Während der Distraktionsphase kam es im Serum der Kontrollgruppe zu einer Abnahme der Konzentration des gesamten IGF-I. Aus dieser Beobachtung und den in der Literatur beschriebenen lokalen Vorgänge kann ein Übertritt des Wachstumsfaktors ins Gewebe während der Distraktion vermutet werden.(322) Eine weitere Erklärung für den Abfall der IGF-I Konzentration in der Kontrollgruppe während der Distraktion, welcher auch begleitet war durch einen Abfall der Serumwerte des wachstumshormonabhängigen IGFBP-3, könnte ein kataboler Zustand mit einer Insensitivität auf das endogen ausgeschüttete GH sein. An brandverletzten Patienten wurden posttraumatische, katabole Stadien mit einer mangelnden IGF-I Antwort auf endogenes GH beschrieben.(5) Der Katabolismus ist charakterisiert durch niedrige IGF-I Serumkonzentrationen bei hohen endogenen GH-Spiegeln. Durch die systemische Applikation des rekombinanten porcinen Wachstumshormons war dieser Abfall nicht nur kompensierbar, es konnte sogar ein deutlicher Anstieg des IGF-I in der GH- Gruppe in dieser Phase gemessen werden. Durch die systemische GH-Applikation stand somit während der Distraktionsphase ausreichend IGF-I im Serum zur Verfügung. Am Ende des untersuchten Zeitraumes der Konsolidierungsphase wurde in beiden Gruppen die höchste Konzentration des gesamten IGF-I im Serum gemessen. Diese lag auch in der Kontrollgruppe signifikant über dem Basalwert. Eine vorangegangene Untersuchung zeigte an aus humanem Frakturkallus gewonnenen Osteoblasten, dass gerade zur Zeit des Knochenremodelings die Konzentration der mRNA für IGF-I in diesen erhöht und somit eine vermehrte lokale Produktion und Freisetzung wahrscheinlich ist.(10) Während der Konsolidierungsphase könnte ein entgegengesetzter Transport von IGF-I aus dem Kallus in die Zirkulation stattgefunden haben. Im vorliegenden Versuch konnten die lokalen molekularbiologischen Vorgänge in der Osteotomiezone im Verlauf der Distraktionsosteogenese nicht betrachtet werden. Für das Verständnis der Wachstumshormon / IGF-I -Achse ist die zusätzliche Untersuchung der Bindungsproteine wichtig. In unserem Versuch zeigte das IGFBP-3 als Hauptransportprotein und Speicher des IGF-I im Serum seinen bekannten wachstumshormonabhängigen Charakter. So ist parallel zum IGF-I in der GH-Gruppe ein signifikantes Ansteigen der IGF-I-Konzentration im Serum festzustellen. [Seite 73↓]Auf zellulärer Ebene sind widersprüchliche Ergebnisse über die Art und Weise der Auswirkung des IGFBP-3 auf die IGF-I-Aktivität beschrieben worden. Versuche mit einem IGFBP-3-Überschuss bewirkten eine Inhibition der IGF-I-Effekte in Osteoblastenzellkulturen.(314) Einzelne Studien sahen eine Verstärkung des Proliferationsstimulus von IGF-I auf Rattenosteoblasten nach GH Gabe in-vitro und führten dies auf eine erhöhte IGFBP-3 Konzentration im Medium zurück.(113) Andere fanden eine potenzierte mitogene Wirkung von IGF-I auf Rinderfibroblasten in Gegenwart von IGFBP-3.(93) Aufgrund dieser in-vitro Ergebnisse wurde ovarektomierten Ratten rekombinantes IGFBP-3 zusammen mit IGF-I infundiert. Diese Untersuchung zeigte, dass die Kombination beider einen stärkeren positiven Effekt auf die Knochenformation am Schenkelhals von Ratten hat, als jeweils einzeln verabreicht.(24) Entscheidend scheint das Verhältnis der Konzentration von gesamtem IGF-I zur Konzentration des IGFBP-3 zu sein, da durch dieses die Menge des freien IGF-I festgelegt wird.(193) Der Haupteffekt des Serum-IGFBP-3 auf die IGF-I Konzentration liegt in der Verlängerung der Plasma-Halbwertszeit. Wie oben dargestellt beträgt diese für freies IGF-I in humanem Serum weniger als zehn Minuten und die des im 150-kD ternary-complex gebundenen IGF-I 12-15 Stunden (siehe 1.2.3). Somit stellt der durch Wachstumshormon induzierbare 150-kD ternary-complex eine Art Speicher für IGF-I dar, aus dem bei Bedarf vermehrt IGF-I zur Verfügung gestellt werden kann.(146) In der vorliegenden Studie steigen in der GH-Gruppe auch die Serumkonzentrationen an ungebundenem (freien) IGF-I an, sie zeigen einen nahezu parallelen Verlauf zum Verlauf der IGF-I-Konzentration. Dies zeigt, dass das IGFBP-3 oder ein anderer Bestandteil des 150-kD ternary-Komlexes unter dem Einfluss von GH nicht in dem gleichen Maße produziert wird wie IGF-I. Ob dies einem physiologischen Steuerungsmechanismus unterliegt, oder ob die physiologische Kapazität zu Bildung des 150-kD ternary-Komplexes nicht ausreicht, kann anhand der vorliegenden Untersuchung nicht geklärt werden.

Hinsichtlich des IGFBP-1 zeigten im vorliegenden Versuch weder die Applikation von GH, noch die Behandlungsphasen einen Einfluss auf dessen Serum-Level. Dies bestätigt frühere Studien, in welchen IGFBP-1 als unabhängig vom GH-Spiegel(41) und ohne Beziehung zu Knochenstoffwechsel beschrieben wird.(224) Beim IGFBP-2 kam es zunächst zu einem signifikanten Abfall der Serumwerte in beiden Gruppen. Danach lagen die Werte in der GH-Gruppe signifikant unter denen der Kontrollgruppe. Es ist bekannt, dass IGFBP-2 die Aktivität von IGF-I inhibiert.(315)[Seite 74↓]Eine Suppression der IGFBP-2-Konzentration durch GH könnte somit einen weiteren, indirekten Mechanismus zur Steigerung des IGF-I Effektes darstellen. IGFBP-2 inhibierte in Osteoblastenzellkulturen eine durch IGF-I hervorgerufene Steigerung der Zellproliferationsrate und Kollagensynthese.(315) Somit lässt sich ein Effekt auf das Remodeling des Knochens vermuten. Bei Betrachtung des IGFBP-4 fiel in beiden Gruppen ein signifikanter Anstieg des Mittelwertes von der Basalmessung zum vierten Tag des Versuches auf. Da IGFBP-4 in erheblichem Maße im Knochen gespeichert wird, könnte die Freisetzung direkt von der Osteotomiefläche eine Erklärung dafür sein. IGFBP-4 inhibierte die Effekte von IGF-I in fast allen Studien(186,312) und könnte so zum beobachteten Status der Wachstumshormonresistenz in der Kontrollgruppe beitragen. Der inhibitorische Effekt von IGFBP-4 auf IGF-I folgt einer Sättigungskinetik.(186) In der mit GH behandelten Gruppe wird IGF-I im Übermaß zur Verfügung gestellt, und das vermehrt zirkulierende IGFBP-4 könnte nach kurzer Zeit seine inhibierende Aktivität verlieren. Dieser inhibitorische Effekt des IGFBP-4 könnte jedoch eine Erklärung für den verzögerten Anstieg von b-ALP in der GH-Gruppe sein.

In beiden Behandlungsgruppen kommt es postoperativ zu einem Abfall des Knochenformationsmarkers b-ALP, in der Kontrollgruppe ist dies signifikant. Der Abfall der b-ALP nach Frakturen und nach knochenchirurgischen Eingriffen wurde auch in anderen Studien beschrieben; erst in späteren Phasen der Frakturheilung kann dieser als Parameter der Frakturheilung herangezogen werden. Die Ursache für den initialen Abfall der b-ALP ist bisher nicht bekannt.(224,248,358) Die systemische Applikation von rekombinantem porcinen Wachstumshormon (r-pGH) führte in der vorliegenden Studie zu Beginn der Distraktionsphase zu einem signifikanten Anstieg der knochenspezifischen alkalischen Phosphatase im Serum. Dies bestätigt die zahlreichen klinischen Studien an GH-defizienten Patienten, bei denen es durch die Substitution von GH sowohl zur Zunahme der Knochenmasse als auch der Serum-Marker der Knochenformation kommt.(194,198,305,311) Die Erhöhung der b-ALP wird teilweise als Parameter für eine erfolgreiche Substitutionstherapie mit Wachstumshormon genutzt.(62) Dieser “Knochen-anabole“ Effekt konnte auch nach Wachstumshormongabe an gesunden freiwilligen Erwachsenen und osteoporotischen älteren Personen festgestellt werden.(62,63,221,269) Insbesondere erbrachte auch die kurzzeitige systemische Gabe von GH eine längerfristige Erhöhung von Knochen-Formationsmarkern im Serum (siehe 1.2.5).(179,204)


[Seite 75↓]

Wie ebenfalls oben angeführt wurde in mehreren Studien ein stimulierender Einfluss von GH auf die Serumparameter der Knochenresorption beschrieben (siehe 1.2.5).(48,62,72,204,305) Dies konnte im Vorversuch tendenziell bestätigt werden (siehe 2.1.2). In der hier vorliegenden kürzer dauernden Studie konnte zwar ein signifikanter Anstieg des ICTP zu Beginn der Konsolidierungsphase gefunden werden, dies traf jedoch auf beide Gruppen zu. Im Widerspruch dazu stehen die Ergebnisse einer klinischen Studie, bei welcher die Applikation von GH in einer sofortigen Erhöhung des ICTP im Serum resultierte.(204) Auch in der parallel durchgeführten histomorphometrischen Analyse der vorliegenden Untersuchung wurde eine signifikant geringere Knochendichte der kortikalen tibialen Knochenenden im Regenerat der mit r-pGH behandelten Tiere als Zeichen eines erhöhten Remodelings und damit höheren resorptiven Aktivität gefunden (siehe 2.3.4). Dies deutet darauf hin, dass möglicherweise eine lokal erhöhte Knochenresorption nicht zu einer Erhöhung von ICTP im Serum führen muss.

Zusammengefasst bewirkt die systemische Gabe von rekombinantem GH im vorliegenden Modell in-vivo eine Stimulation der Osteoblastenaktivität. Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem IGF-I-Serumspiegel und der Aktivität an b-ALP im Serum. Dies weist darauf hin, dass der eventuelle anabole Effekt von GH auf Osteoblasten möglicherweise IGF-I vermittelt ist. Verstärkt wird diese Annahme durch die Beobachtung, dass die Korrelation zwischen der knochenspezifischen alkalischen Phosphatase und dem freien – biologisch aktiven – IGF-I noch deutlich höher ist. Dies weist auch den die biologische Aktivität von IGF-I bestimmenden IGFBPs eine regulierende Funktion zu. Die Stimulation der Kochenresorption scheint in der Frühphase der Distraktionsosteogenese keine Rolle zu spielen. Insgesamt scheint bei den Kontrolltieren initial postoperativ ein katabole Phase des Knochenmetabolismus zu bestehen, gekennzeichnet durch eine signifikante Erniedrigung der b-ALP. Gleichzeitig fallen auch IGF-I, freies IGF-I und IGFBP-3 signifikant ab, IGFBP-4 steigt an. Die systemische Applikation von GH ist in der Lage, in dieser Phase die b-ALP als Parameter der Knochenformation deutlich anzuheben. Diese Osteoblastenstimulation könnte möglicherweise auch im Regenerat zu einer vermehrten Matrixproduktion führen.


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3.3.2  Histologische Untersuchungen

In der vorliegenden Studie wurde in der mit GH behandelten Gruppe eine signifikant erhöhte Kallusmenge und Menge an kalzifiziertem Gewebe im Kallus gefunden. Gleichzeit war in der GH-Gruppe der Kallusdurchmesser signifikant höher als in der Kontrollgruppe. Die bisherigen Studien zum Einfluss von GH auf diese Parameter erbrachten widersprüchliche Ergebnisse. Während einige histologische Studien keinen Wirkungsnachweis erbrachten(325), konnten andere eine verstärkte Kallusbildung unter GH–Applikation beschreiben(213,257,326) Es gilt jedoch zu berücksichtigen, dass alle bisherigen histologischen Studien an sekundärer Frakturheilung durchgeführt wurden und somit ein Vergleich zur vorliegenden Studie nur eingeschränkt möglich ist. Die sogenannte intramembranöse Ossifikation, welche bei der Distraktionsosteogenese vorliegt, ist charakterisiert durch die direkte Deposition von Osteoid durch Osteoblasten, ohne Auftreten von Knorpelzellen (siehe 1.1.2).(12,173) Da bekannt ist, dass GH sowohl in-vitro als auch in-vivo chondroide Zellen zur Proliferation und Matrixsynthese stimuliert, stand zu befürchten, dass eine Transformation des intramembranösen Kallus zur sekundären Frakturheilungszone induziert wird. Dieses konnte jedoch ausgeschlossen werden, da die histomorphometrischen Untersuchungen zeigten, dass in der mit GH behandelten Gruppe signifikant weniger Knorpel im Regenerat vorhanden ist. Diese, wenn auch geringe Menge an Knorpel kann man unterschiedlich interpretieren: zum einen kann diese auf eine gewisse Instabilität des Konstruktes hindeuten. So könnten die, wenn auch limitierten Rotationsbewegungen bei den in-vivo Steifigkeitsmessungen dafür verantwortlich sein. Zum anderen könnte dies ein Beleg für die Theorie der sogenannten “transchondralen Ossifikation“ sein. Bei dieser käme es gerade bei der Distraktionsosteogenese zu einer Transformation von chondroiden Zellen zu Osteoblasten; somit wäre das Auftreten von Knorpelzellen in einem Distraktions­regenerat ein Normalbefund.(382) In einer früheren Untersuchung zur sekundären Frakturheilung an Ratten wurde durch den Einfluss von GH eine deutliche Veränderung der Kallusstruktur beschrieben. Diese war gekennzeichnet durch einen lockeren, aufgetriebenen Kallus der ein verzögertes Remodeling und eine große Menge an hämatopoetischen Zellen zeigte.(257) Alle diese Veränderungen konnten im vorliegenden Versuch nicht nachgewiesen werden. Die histomorphometrische Vermessung der Knochendichte der Tibiakortices proximal und distal der Osteotomie erbrachte vielmehr Hinweise auf eine Beschleunigung des Remodelings. [Seite 77↓]Eine Erklärung für diese gegensätzlichen Ergebnisse könnte unter anderem im deutlichen strukturellen Unterschied zwischen dem Kallus bei der sekundären Frakturheilung und dem bei der Distraktionsosteogenese begründet sein.(306)Zudem wurde in der zitierten Studie ein artfremdes (humanes) GH mit im Vergleich zur präsentierten Untersuchung 30-fach höherer Dosierung eingesetzt. Darüber hinaus konnte mittels der in-vivo Markierung der Knochenformation nachgewiesen werden, dass der stimulative Effekt des Wachstumshormons vor allem in der Anfangsphase der Distraktionsosteogenese vorhanden ist. Im Gegensatz zur klinischen Anwendung der Distraktionsosteogenese, bei welcher eine relevante Ossifikation des Regenerates erst in der Konsolidierungsphase erfolgt, konnte eine deutliche Kallusformation sogar während der Distraktion gefunden werden.

3.3.3 Bildgebende und biomechanische Untersuchungen

Die vorliegenden Daten zeigen, dass die Applikation von porcinem Wachstumshormon bei der Distraktionsosteogenese am Yucatan Micropig® sowohl dieRegeneratsteifigkeit während der Konsolidierung, als auch die torsionale Bruchfestigkeit und die Torsionssteifigkeit des Regenerates signifikant zu steigern vermag. Der stimulierende Effekt konnte in den in-vivo biomechanischen Untersuchungen schon am Beginn der Distraktionsphase nachgewiesen werden. Dies stimmt mit den histologischen Beobachtungen überein, welche mittels in-vivo Markierung der Knochenformation eine relevante Kallusbildung schon während der Distraktionsphase zeigte (siehe 3.3.2). Ebenso konnten die quantitativen Ultraschalluntersuchungen und die quantitative DLR in den Messungen während der Konsolidierungsphase einen signifikanten Vorsprung der GH-behandelten Tiere darstellen. Die QCT schließlich erbrachte in Analogie zur Histomorphometrie im Regenerat eine signifikant erhöhte Mineraldichte in der Wachstumshormon-Gruppe.

Die Distraktionsosteogenese stellt ein gut reproduzierbares Modell der Frakturheilung dar, da eine standardisierte Osteotomie Verwendung findet und die Distraktion gleich große “Knochendefekte” hinterlässt. Es gilt jedoch zu berücksichtigen, dass es sich bei der Distraktionsosteogenese um eine rein intramembranöse Frakturheilung handelt, welche im Gegensatz zur sekundären Frakturheilung ohne Knorpelbildung zur Kallusformation führt (siehe 1.1.2).(14) Grundlegende Heilungsmechanismen lassen sich jedoch bei beiden Formen der [Seite 78↓]Knochenheilung finden und erlauben einen wenn auch limitierten Vergleich der verschiedenen Studien. So kommt es bei jeder Knochenheilung zu einer Trans­formation, Immigration und Differenzierung von osteogenen Zellen, sowie zur Deposition von Matrix und deren Kalzifizierung, welches schlussendlich zur Formation von primären Geflechtknochen führt.(13,14)

In der Vergangenheit wurden widersprüchliche Ergebnisse zum Einfluss von GH auf die Frakturheilung publiziert: während mehrere Studien einen stimulierenden Effekt von GH zeigen konnten(33,264), fanden andere Untersuchungen keinen Einfluss auf die Kallusbildung.(74,267) Diese widersprüchlichen Ergebnisse könnten zumindest teilweise ihre Ursache in den unterschiedlichen Methoden und Versuchsanordnungen haben, welche in den früheren Studien Verwendung fanden. Einer der wichtigsten Punkte ist die mögliche Antikörperbildung gegen allogenes GH, der damit einhergehende Wirkungsverlust des Wachstumshormons wurde in mehreren Untersuchungen nachgewiesen.(353,386) Wenn die endokrinen Regelkreisläufe intakt sind, kommt es bei systemischer Applikation von GH zum Anstieg von IGF-I im Serum. Lediglich eine vorhergehende Studie hat jedoch im Frakturheilungsmodell den Einfluss des applizierten GH auf den IGF-I-Serumspiegel überprüft.(74) In dieser Publikation wurde berichtet, dass rekombinantes humanes GH keinen Einfluss auf die Verheilung von osteotomierten Kaninchentibiae hat; gleichzeitig konnte jedoch in der GH-behandelten Gruppe kein IGF-I-Anstieg im Serum verzeichnet werden.(74) Die Ausschüttung von GH aus der Hypophyse bewirkt die Produktion von IGF-I in der Leber und eventuell auch im mesenchymalen Bindegewebe.(110,349)Es ist etabliert, dass zusätzlich zum direkten Effekt von GH auf mesenchymales Gewebe(255)auch ein indirekter, IGF-I vermittelter, Einfluss existiert.(70,141,178)Obwohl die IGF-I-Serumspiegel die lokalen IGF-I Spiegel in der Zone der Frakturheilung nicht widerspiegeln müssen, so bedeutet ein systemischer Anstieg des IGF-I nach Applikation von GH doch, dass ein IGF-I-vermittelter Effekt auf die Zone der Knochenheilung zumindest theoretisch möglich ist. Unseres Wissens ist die vorliegende Studie die erste, welche homologes, synthetisches GH in einem Tierversuch zur Frakturheilung einsetzt. Der signifikante Anstieg von IGF-I (440 %) weist darauf hin, dass im vorliegenden Model das eingesetzte GH sowohl biokompatibel als auch ausreichend dosiert war.

Zusätzlich zur möglichen Antikörperbildung gegen allogenes GH könnten weitere Faktoren zu den widersprüchlichen Ergebnissen früherer Studien geführt haben. In [Seite 79↓]den meisten Studien wurden Nagetiere verwendet; es gibt Hinweise, dass im Vergleich zur humanen Frakturheilung bei Nagetieren signifikant mehr Knorpel im Kallus exprimiert wird.(280) So wird z.B. die Frakturheilung bei der Ratte von nicht-osteonaler Knochenformation dominiert.(32) Verglichen mit Kaninchen und Ratten könnte das Minischwein-Modell hinsichtlich endokriner Zyklen und den Vorgängen bei der Frakturheilung der humanen Situation ähnlicher sein. Weiterhin liegt bei älteren Studien eine Inhomogenität der Versuchs- und Kontrollgruppen vor(160,384), die Spezifität des Wachstumshormons ist unbekannt(153), juvenile Tiere werden verwendet oder das Geschlecht und Alter der Tiere wurden überhaupt nicht kontrolliert.(351,379,384)

Einige Studien untersuchten den möglichen Unterschied zwischen den Gruppen durch eine mechanische Testung der verheilten Knochen.(351,379) Es gilt jedoch zu berücksichtigen, dass Einmaltestungen am Ende des Versuches irreführend sein können, da ein etwaiger Unterschied zwischen den Gruppen zu einem früheren Zeitpunkt bestanden haben könnte. Um dieses Problem zu vermeiden, wurde in einigen Studien die gesamte Untersuchungsgruppe zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen, welches bei einer destruktiven biomechanischen Testung zu einer entsprechenden Erniedrigung der Fallzahl führte. Die neu entwickelte, nicht destruktive in-vivo Messung der Steifigkeit ermöglichte in der vorliegenden Untersuchung die kontinuierliche Erfassung der Regeneratfestigkeit bereits während des Versuches. Hier konnte bereits zu Beginn der Konsolidierungsphase ein signifikanter Unterschied zwischen der GH-Gruppe und der Kontrollgruppe fest­gestellt werden. Dies weist auf einen stimulierenden Einfluss von GH bereits in der Distraktionsphase hin. Der Verlauf der in-vivo Steifigkeit aufgetragen gegen die Zeit zeigt während der Regeneratkonsolidierung einen Vorsprung der behandelten Gruppe von einer Woche gegenüber der Kontrollgruppe. Um die im vorliegenden Experiment erstmals eingesetzte in-vivo Steifigkeitsmessung zu validieren, wurde das Versuchsende so geplant, dass mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auch in der destruktiven post-mortem Testung eventuelle Unterschiede zwischen den Gruppen gemessen werden können. Im Unterschied zu einer sogenannten kritischen Defekt­größe ist basierend auf den Vorversuch zu erwarten, dass beide Gruppen verheilen und somit nach einer genügend langen Versuchszeit keine Differenz in den mecha­nischen Eigenschaften mehr vorliegt. Im vorliegenden Versuch konnten die Werte der in-vivo Messung durch die Testung in der Materialtestmaschine bestätigt werden.


[Seite 80↓]

Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass rekombinantes GH möglicherweise eine Option zur Verbesserung der Frakturheilung darstellt. Insbesondere die systemische Anwendbarkeit bietet Vorteile gegenüber den derzeit propagierten Ansätzen. Sowohl autologe und allogene Knochentransplantation als auch synthetische Implantate und die Applikation von Wachstumsfaktoren erfordern es, die Frakturzone bzw. Distraktionszone operativ darzustellen. Die vorliegende Studie lässt jedoch wichtige Fragen unbeantwortet: Studien zur Beziehung zwischen Dosis und Wirkung von GH stehen noch aus, ebenso muss die komplette Verheilung einer Fraktur oder Distraktionszone und das Remodeling der Kallusmanschette unter GH-Medikation abgewartet werden. Auch die in dem vorliegenden Versuch gefundene Erhöhung des IGF-I Serumspiegels um mehr als des vierfache ist für die klinische Applikation zurückhaltend zu betrachten. Die Dosierung von 100 µg/kgKG/Tag ist gewählt worden, weil sie die Ausschüttung von endogenem Wachstumshormon beim Schwein sicher unterdrückt und somit interindividuelle Schwankungen des GH-Spiegels bei den Versuchstieren limitiert.(271) Ob ein derart hoher IGF-I Spiegel in der klinischen Anwendung signifikante Nebenwirkungen hervorrufen würde, ist derzeit nicht geklärt. Trotz dieser noch ausstehenden Untersuchungen stellt jedoch die Gabe von GH nach Ansicht des Autors zumindest bei der Distraktionsosteogenese eine lohnende Therapieoption dar, welcher weiter klinisch und experimentell nachgegangen werden sollte.


[Seite 81↓]

3.4  Nebenwirkungen des Wachstumshormons

Die Tatsache, dass die Therapie mit Wachstumshormon im Rahmen einer Frakturheilung oder Distraktionsosteogenese an sonst gesunden Erwachsenen durchgeführt würde, wirft natürlich die Frage nach eventuellen unerwünschten Nebenwirkungen auf. Ein Überschuss an Wachstumshormon im Erwachsenenalter führt zur Ausbildung einer Akromegalie. Infolge vermehrten Wachstums insbesondere von Gesichtsweichteilen und -skelett sowie der Extremitäten kommt es bei den Betroffenen zu einer selektiven Vergrößerung der Akren. Dies ist besonders bei chronischer Erhöhung der endogenen GH-Freisetzung (insbesondere bei Hypophysentumoren) der Fall. Für die kurzzeitige Anwendung von GH bei Frakturen oder der Distraktionsosteogenese sind derartige Nebenwirkungen nicht zu erwarten. Als weitere mögliche Nebenwirkungen einer Therapie mit Wachstumshormon beim Erwachsenen sind diskutiert worden: Manifestierung latenter Hypothyreosen, Epiphyseolyse des Femurkopfes, die Bildung von Antikörpern gegen Wachstumshormon, das Entstehen einer Insulinresistenz, die Retention von Wasser, Hypertension, Arthralgie sowie die Auslösung eines Karpaltunnelsyndroms. Ein weiterer Diskussionspunkt ist, ob eine Therapie mit Wachstumshormon zum Auftreten von Malignomen oder Leukämie führt.(164,177) Beim Menschen wird ein erhöhter Blutspiegel an IGF-I mit der Entstehung von Brustkrebs bei prämenopausalen Frauen, Prostata- und Lungenkrebs sowie der Entstehung von kolorektalen Tumoren in Verbindung gebracht.(78,134,142,150,208,234,380) Patienten mit Wachstumshormonmangel weisen auch ohne eine Therapie mit diesem Hormon ein erhöhtes Risiko auf, an Leukämie zu erkranken. Bei Patienten, die an einem Wachstumshormonmangel leiden und ein Malignom oder Leukämie überstanden haben, weisen die mit Wachstumshormon behandelten nicht häufiger ein Rezidiv auf als die ohne Therapie.(7,54,337) Insgesamt ließ sich bisher kein Nachweis erbringen, dass GH das Auftreten von Malignomen hervorruft oder begünstigt. Klinisch weit bedeutender ist ein möglicher diabetogener Effekt des Wachstumshormons bei einer Langzeittherapie. Es wird berichtet, dass Patienten unter Wachstumshormongabe eine insulinpflichtige Hyperglykämie entwickelten.(139)Dieser diabetogene Effekt wurde ebenfalls in Tierversuchen mit Schweinen beobachtet.(137,138)Kurz nach einer einmaligen Gabe von Wachstumshormon fällt der Blutzucker ab, steigt dann aber deutlich an. Es kommt zu einer vermehrten [Seite 82↓]Insulinausschüttung, um den erhöhten Blutzuckerspiegel zu kompensieren, dies führt zu einer Insulinresistenz bzw. möglicherweise zu einer Erschöpfung der insulinproduzierenden Zellen im Pankreas und damit zu einem Diabetes, der allerdings nach Absetzen der Wachstumshormontherapie meist reversibel ist. Eine Insulinresistenz wie auch die Ausbildung von akromegalieähnlichen Erscheinung­bildern sind eindeutig dosisabhängig bzw. abhängig von der Dauer der Therapie. Es sollten Patienten mit grenzwertigem oder manifestem Diabetes mellitus vor einer GH-Applikation identifiziert werden und von der Behandlung ausgeschlossen sein. Die weiteren, für die Akutgabe beschriebenen unerwünschten Nebenwirkungen betreffen vor allem die Flüssigkeitsretention mit ihren Folgen (Carpaltunnel-Syndrom, Impingementsyndrom der Schulter). Diese Symptome können in der Regel mit einer Dosisreduktion beherrscht werden.(81)Im vorliegenden Versuch konnte kein offensichtlicher Unterschied im Verhalten (Belastung der operierten Extremität, Fressverhalten, Gesundheitszustand) zwischen den Kontrolltieren und den mit GH behandelten Tieren gesehen werden.(289) Serologisch zeigte sich jedoch eine durchschnittliche Erhöhung des Glucose-Spiegels um 10%. In einem weiteren Experiment zur Verheilung osteochondraler Defekte erfolgte ebenfalls am Yucatan Micropig® über einen längeren Zeitraum (6 Wochen) die Gabe der gleichen Dosis r-pGH wie im vorliegenden Versuch. Das Verhalten der Tiere (Schmerz, Fressverhalten, Stress usw.) wurde tierärztlich nach dem Score von Morton und Griffiths bewertet; es ergab sich kein Unterschied zwischen den Kontrolltieren und der mit GH behandelten Gruppe.(26,256) Ebenso waren die erhöhten Serum-Glucosewerte gegen Ende des Versuches bei nahezu allen Tieren wieder normalisiert. Aufgrund der oben angeführten Publikationen ergeben sich bestimmte Ausschlußkriterien, welche bei der klinischen Anwendung von Wachstumshormon im Falle einer Fraktur oder Distraktionsosteogenese sorgfältig überprüft werden müssen. Um so mehr, da es sich bei diesen Indikationen in der Regel hinsichtlich des endokrinen Zustandes um eine elektive Situation handelt.


[Seite 83↓]

3.5  Schlussfolgerung

Die vorliegenden Studien konnten zeigen, dass eine Distraktionsosteogenese am Minischwein durchführbar ist. Es erwies sich, dass das Tiermodell Yucatan Micropig® eine enorme osteogene Potenz besitzt. Die angewandten bildgebenden Verfahren (QCT, quantitative Sonographie, quantitative DLR) eignen sich, teilweise unter speziellen Bedingungen, auch zur Vorhersage biomechanischer Eigenschaften des Regenerates. Mittels der Applikation von rekombinantem porcinen Wachstumshormon lässt sich bei der Distraktionsosteogenese am Yucatan Minischwein die Konsolidierung des Regenerates stark beschleunigen. Die biomechanischen in-vivo als auch die post-mortem Messungen zeigen, dass es unter dem Einfluss von GH sowohl zu einer schnelleren Zunahme der Regeneratsteifigkeit als auch zu einem deutlichen Vorsprung in der Regeneratfestigkeit kommt. Mittels bildgebender Verfahren und Histomorphometrie konnte eine schnellere Mineralisierung des Distraktionsregenerates nachgewiesen werden. Letztere Messungen zeigen auch, dass der Effekt der Regeneratmineralisierung bereits während der Distraktionsphase beginnt und die Kallusqualität unter dem Einfluss von GH nicht verändert ist. Histomorphometrisch findet sich unter GH-Einfluss ein verstärktes Remodeling der kortikalen Knochenenden, dies findet jedoch keine Entsprechung im gemessenen Serumparameter der Knochenresorption. Der vermehrten Mineralisierung des Regenerates könnte die gefundene signifikante Erhöhung des gemessenen Serum-Markers der Knochenformation unter GH-Einfluss entsprechen. Dieser Marker korreliert signifikant mit dem Serumspiegel des IGF-I. Dies legt nahe, dass dieser zirkulierende Wachstumsfaktor den knochen-anabolen Effekt des GH vermittelt. Die Analyse der Serumspiegel der Bindungsproteine des IGF-I macht deutlich, dass diese zum Teil sowohl von GH beeinflusst sind als auch wiederum die Verfügbarkeit des IGF-I im Serum steuern und somit Einfluss auf den Effekt des applizierten Wachstumshormons nehmen.


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3.6  Ausblick

Heutzutage etablierte Indikationen für eine Wachstumshormontherapie sind der hypophysäre Minderwuchs, das Turnersyndrom und andere Formen des Minderwuchses. Ebenso wird es eingesetzt bei renaler Insuffizienz im Kindesalter und als Substitutionstherapie bei Erwachsenen mit Wachstumshormonmangel. Die Ergebnisse der klinischen Studien an Patienten mit hoher metabolischer Belastung, wie es bei Verbrennungsopfern, Polytraumapatienten und Patienten mit einer Sepsis der Fall ist, sind widersprüchlich. Die Wachstumshormongaben scheinen hier vor allem Substrate zu mobilisieren und sich nicht positiv auf den Proteinhaushalt auszuwirken.(46,83) Wie oben bereits angemerkt, können basierend auf den vorliegenden Studien, keine Aussagen zu den lokalen Vorgängen im Regenerat hinsichtlich des Einflusses von GH auf Zelldifferenzierung, Matrixproduktion, Rezeptorexpression oder Wachstumsfaktorensynthese getroffen werden. Dies wird derzeit in einer DFG-geförderten Untersuchung an einem Osteotomiemodell der Ratte auf molekularbiologischer Grundlage untersucht. Einzelne Kongressver­öffentlichungen aus dieser Untersuchung zeigen in-vivo, dass lokal im Kallus sowohl IGF-I als auch GH selbst eine Stimulation der Matrixsynthese bewirkt.(25) Durch weitere Untersuchungen auch bei Defektfrakturen und Osteotomien konnte unsere Arbeitsgruppe die Wirksamkeit des GHs auch auf andere Situationen der Knochenheilung wie Defektfrakturen und Osteotomien nachweisen.(27,212,287)Dies hat mittlerweile zu einer klinischen Phase-II-Studie geführt, in welcher bei über 450 Tibiaschaftfrakturen die klinische Einsetzbarkeit und Wirksamkeit von Wachstumshormon überprüft wird. Ebenso wurde in einer weiteren Studie eine positive Wirkung der systemischen Applikation von Wachstumshormon auf die Verheilung osteochondraler Defekte am Großtiermodell gezeigt.(26)

Es ist zu erwarten, dass systemisch applizierbare osteogenetisch wirksame Substanzen mit ihrem erweiterten Indikationsspektrum in Zukunft die Liegedauer bei Frakturen verkürzen helfen und bei der Behandlung von Frakturheilungsstörungen weitere potente Behandlungsoptionen bieten werden.


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08.06.2005