a study in the rat fracture model

Knochen- und Frakturheilungsstörungen verursachen trotz moderner Behandlungstechniken oft lange Leidenswege und große Einschränkungen der Lebensqualität betroffener Patienten. Deshalb ist es ein Ziel der traumatologisch-orthopädischen Forschung, durch neue Therapien Knochenheilungsstörungen erfolgreich zu beeinflussen. Heute stellt die therapeutische Applikation von Wachstumsfaktoren eine Möglichkeit der positiven Beeinflussung von Knochenheilungsstörungen dar. BMP-2 und BMP-7 sind gegenwärtig die effektivsten Wachstumsfaktoren und mit eingeschränkter Indikation für die Behandlung von Knochen- und Frakturheilungsstörungen bereits zugelassen. Als negative Begleiterscheinungen gelten hohe Kosten und die noch nicht endgültig beantwortete Frage nach den Nebenwirkungen. In verschiedenen experimentellen und klinischen Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass die erfolgreich als Cholesterinsenker eingesetzten Statine die besondere Eigenschaft der Entfaltung pleiotroper Effekte besitzen. Im Knochengewebe stimulieren Statine die BMP-2-Synthese in Osteoblasten. Die Nutzbarmachung dieser Wirkung für die Knochen- und Frakturheilung wäre überaus positiv, denn durch die Stimulierung der BMP-2-Produktion könnte auf die exogene Applikation von BMP-2 verzichtet werden. Daran anknüpfend war die Zielstellung dieser Dissertation, den Einfluss der lokalen Applikation eines Statins, Simvastatin, auf die Heilung der Tibiafraktur im Fraktumodell der Ratte zu untersuchen. Zur Dosisfindung wurde eine niedrige (3 µg) und eine hohe Dosierung Simvastatin high (50 µg) eingesetzt. Parallel erfolgte der Vergleich sowohl mit einer unbeeinflussten als auch mit einer durch den Wachstumsfaktor BMP-2 (50 µg) beeinflussten Heilung. Für die Methode der lokalen Applikation wurde das Trägermaterial PDLLA ausgewählt und die zu implantierenden Kirschnerdrähte mit PDLLA und Simvastatin oder mit BMP 2 beschichtet. Die Kirschnerdrähte dienten so neben der Frakturstabilisierung auch als Wirkstoffapplikatoren. Nach standardisierter Fraktur der Tibia erfolgte die Frakturversorgung entweder mit unbeschichteten, mit Simvastatin oder mit BMP-2 beschichteten intramedullären Kirschnerdrähten. Nach einem Untersuchungszeitraum von 28 Tagen erfolgte die Tötung der Tiere, danach die radiologischen, biomechanischen sowie histomorphologischen und histomorphometrischen Untersuchungen. Die biomechanische Auswertung zeigte eine nahezu doppelt so hohe torsionale Steifigkeit und ein signifikant gesteigertes maximales Drehmoment der mit 50 µg Simvastatin high behandelten Tiere gegenüber den nicht behandelten Kontrolltieren. Die radiologische Auswertung mittels Röntgenscore ergab eine weiter fortgeschrittene Frakturkonsolidierung der Simvastatin high behandelten Tiere im Vergleich zu den nicht behandelten Tieren. Histomorphometrisch waren ein reduzierter Knorpelanteil und eine signifikant verringerte Kortikalismineralisierung der Simvastatin high behandelten Tiere im Vergleich zu den Kontrolltieren festzustellen. Nahezu kein Einfluss auf die Heilung zeigte sich bei den Tieren mit der geringen Dosierung von 3 µg Simvastatin. Für die Positivkontrollgruppe BMP 2 wurden signifikant gesteigerte biomechanische Eigenschaften, eine radiologisch verstärkte Frakturkonsolidierung und ein histomorphometrisch signifikant verringerter Knorpelanteil im Frakturkallus ermittelt. Die Ergebnisse führen zu der Schlussfolgerung, dass das Statin Simvastatin bei lokaler Applikation von PDLLA beschichteten Kirschnerdrähten einen dosisabhängig stimulierenden Einfluss auf die Heilung der Tibiafraktur bei Ratten hat und dass die heilungsstimulierenden Wirkungen von Simvastatin im Vergleich zu dem intensiv erforschten Wachstumsfaktor BMP-2 später einsetzen. Statine können die Synthese von BMP-2 stimulieren. Sie haben sich in jahrelanger klinischer Praxis als nebenwirkungsarm und gut verträglich erwiesen. Im Vergleich zu den kostenaufwändigen BMPs scheint der Einsatz von Statinen für die positive Beeinflussung der Knochenheilung sinnvoll. Im Ergebnis weiterführender Untersuchungen könnten sie die kostenträchtigen BMPs unter Umständen ablösen. Die Technik der Beschichtung von Osteosynthesesysthemen mit dem Trägermaterial PDLLA erwies sich in dieser Dissertation als effektive Applikationsmethode für Simvastatin. Mit der Beschichtung von Osteosynthesesystemen sind vielfältige Vorteile verbunden, deshalb sollte sie auch bei einer möglichen Anwendung von Statinen beim Menschen zum Einsatz kommen.Despite recent advances in treating fractures, failures in bone and fracture healing still remain a big issue in trauma surgery. Since established therapeutic options often require complex procedures, failures in bone healing account for sustained reductions in the quality of life of affected patients. Thus, enhancing bone healing through innovative therapeutic strategies has become a focus area in trauma and orthopaedic research. Research has led to the introduction of growth factors in trauma surgery in recent years and the therapeutic application of growth factors has been shown to reduce failures in bone healing. BMP-2 and BMP-7 are the most effective growth factors at this time. Both are approved in limited indications for specific failures in fracture and bone healing. However, BMPs are expensive and specific side- effects are not clearly defined. In recent years, various experimental and clinical studies have demonstrated that the cholesterol-lowering statins develop so-called pleiotropic effects in different tissues. In bone tissue statins, stimulate the synthesis of BMP-2 in osteoblasts. Exploring this BMP-2 stimulating property for enhancing bone and fracture healing could potentially replace the exogenous application of the expensive BMP-2. The objective of this thesis was to investigate the influence of a statin, Simvastatin, under local application on the healing of tibial fractures in the rat fracture model. The effects of Simvastatin were compared with untreated control animals and with BMP-2 treated positive control group animals. After standardised fracture induction all tibial fractures were intramedullary stabilised with kirschner-wires. Simvastatin was applied locally using the carrier PDLLA. The implanted kirschner-wires were uncoated, coated with PDLLA and with Simvastatin or coated with PDLLA and BMP-2. For dose-finding, Simvastatin was applied in two different doses, 3µg (Simvastatin low dose) and 50µg (Simvastatin high dose). After a period of 28 days the animals were killed and subsequently biomechanical, radiological and histological studies were conducted. The biomechanical analysis showed an almost two times higher torsional stiffness and a significantly increased maximum load of the Simvastatin high treated animals compared to the untreated control group. Radiologically, the animals treated with Simvastatin high dose showed an advanced fracture consolidation compared to the control. Histomorphometrically, a reduced percentage in cartilage and a significantly reduced mineralization of the cortices were found in the Simvastatin high treated animals compared to the untreated control animals. Almost no influence on the healing of the tibial fracture was observed in the animals treated with low doses of Simvastatin. The positive control-group BMP-2 showed significantly increased mechanical properties, progressive fracture consolidation by radiologic findings and a histomorphometric significantly reduced percentage in cartilage. The results indicate that the statin Simvastatin results in dose-dependent stimulation of tibial fracture healing in rats under local application using PDLLA coated kirschner-wires. It was also shown that PDLLA coated implants are an effective application method for Simvastatin. Statins stimulate the synthesis of BMP-2 and are well-tolerated in longtime clinical use. In comparison to the expensive BMPs the application of statins seems reasonable. Thus, it is possible that statins can replace BMPs in clinical practice after further investigations