Der Effekt von BMP-2 auf die Osteogenese und Angiogenese nach Osteotomie an der Tibia : eine experimentelle Untersuchung am Rattenmodell

Abstract

Ziel der vorliegenden Studie ist die Untersuchung des Einflusses von BMP-2 auf die Frakturheilung und auf die Angiogenese in einem Ratten-Osteotomiemodell. Hierfür sind bei insgesamt 36 Ratten die Tibiadiapyhse osteotomiert und mittels eines intramedullären Implantats osteosynthetisch versorgt worden. Bei 18 Tieren ist eine zusätzliche Applikation eines rh-BMP-2-getränkten Kollagenschwamms auf die Osteotomie erfolgt, bei den restlichen 18 Kontrollgruppen-Tieren ist dieses Kompositimplantat nicht verwendet worden. Nach 3, 14 und 42 Tagen postoperativ sind mittels Volumencomputertomografie Nativ-, Volumen- und Perfusionsscans durchgeführt und zu diesen Tagen jeweils 12 Tiere euthanasiert worden. Die Tibiae sind entnommen und einer histomorphologischen, detailhistologischen bzw. immunhistologischen Untersuchung zugeführt worden. Die statistische Auswertung der Scans ergibt eine signifikant beschleunigte Knochenheilung der BMP-Gruppe gegenüber der Kontrollgruppe. Histologisch kann mittels Gefäßauszählung eine signifikante Steigerung der Kapillardichte vom 3. zum 14. Tag mit darauffolgender Senkung zum 42. Tag gemessen werden. Im Vergleich mit der Kontrollgruppe wird eine signifikante Erhöhung des Gefäßaufkommens in der BMP-Gruppe am 3. und 14. postoperativen Tag gemessen. Der Vergleich der beiden Gruppen am 42. Tag weist keine signifikanten Unterschiede auf. Durch die Histomorphometrie kann in der BMP-Gruppe ein signifikant erhöhter Anteil von neuem Knochen mit Betonung des äußeren Osteotomiebereichs nachgewiesen werden. Demgegenüber werden signifikant erhöhte Bindegewebs- und Knorpelanteile in der Kontrollgruppe gemessen. Weiterhin kann eine verstärkte Kallusbildung an der ventralen Tibiaseite nachgewiesen werden sowie ein höheres Gefäßaufkommen dorsal. Wird die Gefäßmenge mit der Kallusfläche ins Verhältnis gesetzt, resultiert daraus eine erhöhte Gefäßdichte an der dorsalen Tibia. Die VCT-Methode ist aufgrund des limitierten Auflösungsvermögens von 45µm nicht in der Lage, die Blutgefäße am Osteotomiespalt darzustellen. Zusammenfassend kann in diesem Osteotomiemodell gezeigt werden, dass BMP-2 einen angiogenen und osteoinduktiven Effekt besitzt, der zu einer beschleunigten Frakturheilung führt. The aim of the present study was to investigate the influence of BMP-2 on fracture healing and angiogenesis in a rat osteotomy model. For this purpose, a tibial mid-diaphyseal osteotomy was performed in 36 rats and the tibia was fixed with an intramedullary device. 18 animals received an additional application of rh-BMP-2 with an absorbable collagen sponge onto the osteotomy (rh-BMP-2/ACS). The remaining 18 animals served as controls and received no rh-BMP-2/ACS. After 3, 14 and 42 days postoperatively, native-, volume- and perfusion scans were done using volumetric computed tomography followed by euthanasia of 12 animals per observation day. The tibiae were harbested and investigated by histomorphological, histological and immunohistological methods, respectively. Statistical analysis of the scans revealed a significant accelerated fracture healing of the BMP group compared with the control group. Histologically, a significant increase in vessel density could be measured from day 3 to day 14, with subsequent reduction on day 42. On day 3 and day 14, the BMP group showed a significant increase in blood vessel formation compared with the control group. The comparison of the two groups on day 42 showed no significant differences. However, in both groups a reduction of vessel formation compared to day 14 was detected. Histomorphometry showed a significantly increased new bone formation bone with emphasis on the outer osteotomy area in the BMP group. In contrast, significantly increased connective tissue and cartilage was found in the control group. Furthermore, an increased callus formation and a higher new blood vessel formation could be detected on the ventral and dorsal side of the tibia, respectively. By relating new blood vessel foramtion to the callus area an increased vessel density at the dorsal tibia could be detected. Due to a limited resolution of 45 µm, the VCT method could not show the vessels on the osteotomy gap.In summary, BMP-2 exhibited an angiogenic and osteoinductive effect which led to accelerated fracture healing in this osteotomy model.