Investigation of signaling pathways in different clinically relevant rat bone healing mode

Trotz verbesserter operativer Versorgung und fundiertem Wissen über die Heilungsabläufe, treten auch heute noch schwerwiegende Komplikationen während der Knochenheilung auf. Daher ist es von außerordentlicher Bedeutung neue Erkenntnisse zur Pathologie der Knochenheilungsstörung zu gewinnen. Eine Möglichkeit ist der Vergleich unterschiedlicher, klinisch relevanter Tiermodelle. Diese Promotion beschäftigt sich mit der Analyse von drei Heilungsmodellen, die eine i. physiologische Knochenheilung (Kontrollgruppe), ii. hypertrophe Pseudarthrose (Hypertrophiegruppe) und iii. atrophe Pseudarthrose (Atrophiegruppe) imitieren. Dabei wurde die Expression osteogener und angiogener Signalwegkomponenten vergleichend mittels mRNA Analyse und Immunhistochemie sowie die Revaskularisierung des Kallusgewebes untersucht. Der Wechsel von einem geschlossenen Frakturansatz (Kontrollgruppe) zu einer offenen Osteotomie (Hypertrophiegruppe), und damit Setzen eines zusätzlichen Weichteiltraumas, führte bereits zu einer verlängerten Heilung mit fehlender knöcherner Überbrückung nach 42 Tagen. qRT-PCR Daten zeigten eine höhere Expression der analysierten osteogenen und angiogenen Faktoren in der Hypertrophiegruppe zu Tag 14. Nach 42 Tagen kam es zu einer signifikanten Reduktion osteogener Faktoren und deren Antagonisten wie Bmp4 und Bambi. Die Inhibierung der Angiogenese durch Fumagillin (Atrophiegruppe) verringerte die Bildung neuer Blutgefäße sowie die Chondrogenese in spaltnahen Bereichen und führte nach 42 Tagen zu einer kompletten Nichtheilungssituation. Angiogene Faktoren zeigten eine Hochregulation über die späteren Heilungszeitpunkte und gleichzeitig waren osteogene Faktoren weniger reguliert zu Tag 14 und 21 im Vergleich zur Kontrollgruppe. Bis heute gibt es keine Studie, die sich mit dem Vergleich mehrerer verzögerter Heilungsmodelle, in Hinblick auf die Unterschiede im osteogenen und angiogenen Signalweg, beschäftigt hat. Besonders aus gesundheitsökonomischer Sicht ist es von außerordentlicher Bedeutung, individuelle Therapieformen zu entwickeln und dabei die Kosten der Therapie so gering wie möglich zu halten. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung ist das Verständnis über die Ursachen und sich anschließende Regulationsmechanismen in den unterschiedlichen Knochenheilungsstörungen vor allem auf molekularer Ebene. Das Projekt zur Untersuchung klinisch relevanter Knochenheilungsmodelle am Tier stellt dabei eine enge Verknüpfung von Forschung und Klinik dar.Severe complications in bone healing, such as delayed healing or non-union progressions, are still present although a great deal of information about the general healing process and treatment strategies are available. Therefore, it is of crucial importance to gain an insight into the pathology of healing failure. One possibility is to compare different clinical relevant animal models. The aim of this study was to evaluate biological characteristics of hypertrophic and atrophic non unions in comparison to a physiological healing outcome. In all three healing models expression levels of relevant pathway components important for osteogenic differentiation and angiogenesis were analyzed using mRNA analysis and immunohistochemistry. Additionally, the revascularization during the entire healing process was investigated ex vivo by utilization of µCT technique in combination with the application of a polymerizing contrast agent. The change from a closed fracture approach (control group) to an open osteotomy (hypertrophy group), and thereby inducing a soft tissue damage, led to a prolonged healing with a lack in bony bridging after 42 days. qRT-PCR data revealed higher expression of osteogenic and angiogenic genes at day 14. After 42 days a significant reduction of osteogenic factors and their antagonists such as Bmp4 and Bambi could be seen. The inhibition of angiogenesis by the application of Fumagillin (atrophy group) not only reduced the number of vessels, but inhibited chondrogenesis in gap regions and led to a complete non-union situation after 42 days. Angiogenic factors were highly upregulated over a longer time whereas osteogenic genes were less regulated compared to the control group. Up to now, no study compared three different clinically relevant bone healing models focusing on both the osteogenic and angiogenic signaling pathway. Understanding the cause and the associated regulation mechanism on molecular level are important steps towards development of individual treatment strategies. This project tightly links science and clinical needs by analyzing clinically relevant bone healing progressions in an animal model