Es gibt zwei Formen der Knochenheilung nach Fraktur oder Osteotomie, die von der Adaption der Frakturenden und deren Fixation beeinflusst werden: Die primäre und die sekundäre Heilung (SIEWERT u. ALLGÖWER 2006).
2.2.1 Primäre Knochenheilung
Zur primären oder direkten Knochenheilung kommt es, wenn die Bruchenden nach der Fraktur korrekt adaptiert werden und kaum gegeneinander beweglich sind. Dies ist unter anderem nach chirurgischer Versorgung mittels verschiedener Osteosynthese-techniken und einer Kompression der Frakturenden der Fall (SIEWERT u. ALLGÖ-WER 2006). Bei der primären Frakturheilung bildet sich kein makroskopisch sichtbarer
Kallus (SIKAVITSAS et al. 2001). Die Substantia spongiosa (Knochenbälkchen) wächst durch Anlagerung von neugebildetem Knochengewebe zusammen (SIEWERT u. ALLGÖWER 2006). Dieses Knochengewebe wird durch Aktivierung der Osteoblas-ten des Endosts gebildet. Im Bereich der Markhöhle langer Röhrenknochen bildet sich meist ein innerer Knochenkallus, der aus Spongiosa gebildet wird. Die Osteone der Substantia compacta der beiden Frakturenden können bei sehr guter Adaption (<1mm) von beiden Knochenenden aufeinander zuwachsen und sich direkt verzapfen und wieder fusionieren (FEHR 2004; SIEWERT u. ALLGÖWER 2006). Das neu ent-standene Knochengewebe aus Geflechtknochen (JUNQUEIRA 2002) hat zunächst eine geringere mechanische Belastbarkeit. Dieser Knochen wird etwa ab der achten Woche durch Osteoklasten wieder abgebaut und im Remodeling-Prozess durch stabi-les Knochengewebe, in Form von Lamellenknochen, ersetzt (JUNQUEIRA 2002). Die Dauer der Frakturheilung unterscheidet sich nicht von der Dauer bei der sekundären Frakturheilung (SIEWERT u. ALLGÖWER 2006).
2.2.2 Sekundäre Knochenheilung
Die sekundäre (indirekte) Frakturheilung verläuft in verschiedenen Phasen, die zum Teil auch parallel ablaufen (WILDEMANN 2005).
In der ersten Phase tritt Blut aus den Bruchenden und es kommt zu einem Frakturhä-matom (MARSH u. LI 1999; GERSTENFELD et al. 2007). Diesem folgt die Phase der Entzündung, mit einer Dauer von bis zu vier Wochen, und der lokalen Infiltration von Mastzellen, Granulozyten und Monozyten, sowie pluripotenten mesenchymalen Kno-chenmarkstammzellen (MSC), die unter anderem die Vorläufer der Osteoblasten dar-stellen (MARSH u. LI 1999; LIEBICH 1999). Die hämatopoetischen Zellen sekretieren Zytokine und Wachstumsfaktoren (MARSH u. LI 1999), was wiederum entscheidend ist für die Angiogenese und die Zellinfiltration, sowie die Differenzierung von MSCs und Osteoprogenitorzellen (MARSH u. LI 1999; MORLEY et al. 2005). In der dritten bis achten Woche schließt sich die sogenannte Granulationsphase an, die von der Bildung eines weichen Bindegewebes gekennzeichnet ist. Lokal wirksame Wachs-tumsfaktoren, wie TGF-β, IGF-1 und BMPs steuern den Aufbau und auch der Kalzium-, Parathormon- und Vitamin D-Stoffwechsel wirkt an der Regeneration mit (SIEWERT u. ALLGÖWER 2006). Kollagen Typ I wird in gesteigertem Maße von Fibroblasten und Osteoblasten gebildet (MARSH u. LI 1999; SIEWERT u. ALLGÖWER 2006). Durch diese Prozesse werden die Bruchenden elastisch verbunden und die Beweglichkeit eingeschränkt. Chondroblasten wandern ein und führen zur Bildung von Faserknorpel
(MARSH u. LI 1999; WANNER u. TRENTZ 2008). Dieser wird durch aktivierte Osteo-blasten verknöchert (SIEWERT u. ALLGÖWER 2006). Es bildet sich eine periostale und endostale bindegewebige Kallusmanschette, die in ihren Anfängen als Reizkallus bezeichnet wird (SIEWERT U. ALLGÖWER 2006). Sie ist dicker, als der gesunde Kno-chen, weist aber eine geringere mechanische Stabilität auf. Der Aufbau von neuem Knochengewebe durch Osteoblasten und der Abbau von nekrotischem Knochenge-webe werden durch Makrophagen gesteigert. Diese bewirken auch eine Ausschüttung von Matrixproteinen, wie Osteokalzin und Osteogenin (BMP-3), welches die Alkalische Phosphatase (AP) und Kollagensynthese stimuliert (STEVENSON et al. 1994). Der Kallus wird sukzessive abgebaut und durch entsprechend der Trajektorien ausgerich-tetes Knochengewebe ersetzt (MARSH u. LI 1999; SIEWERT u. ALLGÖWER 2006).
Der so gebildete Kallus wird nach sechs Wochen bis vier Monaten fester. Die Grundsubstanz mineralisiert in zunehmendem Maße. Es bildet sich Geflechtknochen (MARSH u. LI 1999), der sich in Richtung der Belastungsachse orientiert. Die physio-logische Steifigkeit wird am Ende dieser Phase nach vier Monaten erreicht. Die letzte Phase (vier bis 24 Monate), Remodellingphase genannt, schließt den Umbau von Ge-flechtknochen in lamellären Knochen mit ein. Der Kallus ist in dieser Phase bereits abgebaut worden. Ein durchgehender Markraum wird gebildet und die ursprüngliche Knochenstruktur mit Haverschem- und Volkmankanalsystem wird wiederhergestellt (SIEWERT u. ALLGÖWER 2006; GERSTENFELD et al. 2007; WANNER u. TRENTZ 2008). Je nach Ausmaß und Lokalisation der Fraktur kann die vollständige Kno-chenausheilung beim Menschen je nach Alter, Geschlecht und Gesundheitszustand bis zu 24 Monate dauern (SIEWERT u. ALLGÖWER 2006). Bei Ratten durchläuft die Knochenheilung dieselben Stadien wie beim Menschen, nur sind die Zeiträume deut-lich kürzer (WILDEMANN 19.04.2005). So beschreiben GARCIA et al. (2013), dass die Knochenheilung bei Ratten an langen Röhrenknochen in 4 bis 5 Wochen und beim Menschen nach etwa 8 Wochen abgeschlossen ist. Allerdings weisen GARCIA et al.
(2013) auch darauf hin, dass die Stadien des „Remodelling“ im Knochenheilungspro-zess bei der Ratte nicht hinreichend definiert sind und daher nicht in die gleichen Sta-dien wie beim Menschen eingeteilt und verglichen werden können. Dennoch sind bei Menschen und Ratten zwei bis drei Phasen in der Knochenheilung beschrieben. Bei Ratten kommt es in der ersten Phase zu einem Anstieg in der Festigkeit des gebildeten Kallus. Dem folgt eine kurze Zeitspanne mit einem großen Anstieg der Kallusfestigkeit durch einen schnellen Mineralisierungsprozess innerhalb des Kallus und zuletzt wird ein Plateu erreicht (CHAKKALAKAL et al. 1999). Bei Menschen wird die Festigkeit in der ersten Phase davon bestimmt wie die relativen Anteile an hartem und weichem
Reparaturgewebe im Kallus sind und wie sie im Kallus verteilt sind. Der Anteil des harten Gewebes ist bestimmt durch lamellären und trabekulären Knochen und das weiche Gewebe durch unmineralisiertes Osteoid und Knorpelgewebe (GARCIA et al.
2013). PADHRAIG et al. (2008) verweisen auf WRAY und LYNCH (1959) die bei der Ratte eine normale Knochenheilungsrate von vier bis fünf Wochen beschreiben und angeben, dass die Knochenheilung dort fast ausschließlich durch externen periostalen Kallus stattfindet, mit nur einem geringen Anteil an medullärem Kallus. Nach CHAK-KALAKAL et al. (1999) wird die Knochenheilung bei der Ratte dominiert von einer en-chondralen Knochenbildung, wohingegen beim Menschen die vorrangig von Osteo-blasten gesteigerte Ossifikation zu einer direkten Bildung von Knochen führt (ent-spricht der intramembranösen Ossifikation) und die vorranig von Chondroblasten ge-steuerte Knochenbildung durch enchondrale Ossifikation gekennzeichnet ist. In der normalen Frakturheilung beim Menschen finden beide Prozesse nebeneinander statt (O'LOUGHLIN 2008). Sowohl lokale als auch systemische Faktoren beeinflussen die Frakturheilung. Als systemische Faktoren stufen BRINKER et al. (2000) das Alter, Hor-mone, die Nervenfunktion, Ernährung, allgemeiner Gesundheitszustand, Medika-mente und Rauchen ein. Auch beim Nager haben Alter, Geschlecht, Stamm und Os-teosyntheseverfahren einen Einfluss auf die Knochenheilungsrate (LU et al. 2008;
MANIGRASSO u. O’CONNOR 2008; HISTING et al. 2010; MEHTA et al. 2011). Das Ausmaß und die Schwere der Verletzung, sowie Infektionen beeinflussen zusätzlich lokal die Knochenheilung (FOSSUM 2002; NIETHARD et al. 2005; MILLER u. BRIN-KER 2000).
2.2.3 Knochenheilung bei neuronaler Schädigung
In der Literatur finden sich klinische Berichte, die eine gesteigerte Frakturheilung bei Patienten mit neurologischer Schädigung beschreiben (NEWMAN et al. 1987; KHARE et al. 1995; PAPE et al. 2001; GIANNOUDIS et al. 2006; ANDERMAHR et al. 2006).
Unklar ist, ob es sich bei der gesteigerten Kallusbildung um eine beschleunigte Frak-turheilung oder um eine lokale neurogene Heterotope Ossifikation (HO) handelt (SPENCER 1987; KUSHWAHA u. GARLAND 1998). KHARE et al. (1995) vermuten, dass das verletzte Nervengewebe über einen unbekannten Mechanismus einen Mangel an Kortikosteroiden und anderen Entzündungshemmern verursacht und dieser Mangel einen stimulierenden Effekt auf die Knochenbildung ausübt. VANDEN
BOSSCHE und VANDEN STRAETEN (2005). stellen die These auf, dass einer über-schießenden Kallusbildung bei der Frakturheilung dieselben Ursachen zugrunde lie-gen wie der HO, weshalb sich Frakturmodelle in Kombination mit einer ZNS-Läsion dazu eignen, die Pathogenese der HO zu untersuchen. Außerdem beschreiben sie dass eine HO histologisch nicht von einer Kallusbildung bei Frakturheilung zu unter-scheiden ist (VANDEN BOSSCHE u. VANDERSTRAETEN 2005).
2.2.3.1 Knochenheilung nach ASCI
In der zugängliche Literatur gibt es nur eine Untersuchung von SOBEL et al. (1991), die in einer klinischen Studie die Frakturheilung nach ASCI untersucht.
Daneben existieren nur zwei tierexperimentelle Untersuchungen zur Frakturheilung nach ASCI. ARO et al. (1985) untersuchten die Frakturheilung bei Paraplegie an Wistar Ratten. Beidseitig wurden Tibiafrakturen angelegt und intramedullär stabilisiert.
Bei knapp einem Drittel der Tiere erfolgte unmittelbar zuvor eine Transsektion des Rückenmarks in Höhe der Lendenregion. Bei einem weiteren Drittel wurde anstelle der Rückenmarkdurchtrennung die Hüfte disloziert, um eine Gewichtsbelastung der Hinterbeine zu verhindern. Als Kontrolle mit Gewichtsbelastung diente das verbliebene Drittel der Tiere. Der entstandene Kallus zeigte zu den verschiedenen untersuchten Zeitpunkten (sieben, neun, 15 und 28 Tage nach der Operation) keinen Unterschied zwischen den Gruppen. Die Gruppe mit Paraplegie zeigte jedoch signifikant weniger fibröses Gewebe als die Kontrollgrupe. Obwohl keine Unterschiede im absoluten Gehalt an neu gebildetem Kallus festgestellt wurden, entwickelte sich der relative Gehalt an neu gebildetem Kallus schneller in der Gruppe mit Paraplegie als bei der Kontrollgruppe. Hinweise auf den zugrundliegenden Pathomechanismus wurden nicht genannt.
MIYAMOTO (1987) berichtet von frühzeitiger Knochenheilung am Femur bei paraplegischen Ratten, ohne den Grund dafür nachweisen zu können.
Weitere experimentelle Studien zur Frakturheilung nach Paraplegie sind in der zugänglichen Literatur nicht zu finden.
2.2.4 Knochendefektmodelle an langen Röhrenknochen
Im folgenden Abschnitt werden Knochendefektmodelle anhand von Ostektomien, Os-teotomien und Frakturen beschrieben.
2.2.4.1 Osteotomie und Ostektomie
Die Osteotomie ist definiert als Durchtrennung des Knochens mittels Meißel oder Säge, oft ohne ein Knochenstück zu entnehmen (PSCHYREMBEL 2002). An diesem Modell kann die Knochenheilung mit unterschiedlichen Fragestellungen untersucht werden. So verwenden FASSBENDER et al. (2011) eine Osteotomie an der Tibia, um durch die Inhibierung der Angiogenese eine atrophe Pseudarthrose zu schaffen. Die Osteotomie kann ebenfalls angewendet werden, um Vorgänge während der physiolo-gischen Frakturheilung zu untersuchen (HADJIARGYROU et al. 2000; WILDEMANN 19.04.2005; NYMAN et al. 2009; GARCIA et al. 2013).
Bei einer Ostektomie wird der Knochen auch durchtrennt aber es wird ein definiertes Knochenstück entnommen. Durch die Anwendung einer Ostektomie im Tierexperi-ment ist es möglich, einen festgelegten Knochenspalt zu schaffen um z.B. die osteo-gene Wirkung von Wachstumsfaktoren, wie BMP-2 oder GDF-5, in einem nicht von allein heilenden Knochendefekt (critical size defect, CSD) zu untersuchen (ZHAO et al. 2009; KASTEN et al. 2010). Auch kann daran der Pathomechanismus und die The-rapie von Pseudarthrosen und großen Knochendefekten analysiert werden (O'LOUG-HLIN 2008; SCHOEN et al. 2008; GARCIA et al. 2013). Sowohl die Osteotomie als auch die Ostektomie eignen sich als Model um verzögerte Knochenheilung zu unter-suchen, da sie besser standardisierbar sind als Frakturmodelle (GARCIA et al. 2013).
2.2.4.2 Fraktur
Bei einer Fraktur handelt es sich um die Kontinuitätsunterbrechung eines Knochens durch direkte und indirekte Gewalteinwirkung, sowie wiederholte Einwirkung von Mikrotraumen. Im Tierexperiment angewendet ist die Fraktur in geringem Maße stan-dardisierbar. So beschreiben O´LOUGHLIN et al. (2008) dass, die von Bonnarens und Einhorn 1984 eingeführte Methode der Frakturierung durch eine Guillotine am Nager, reproduzierbare endochondrale Ossifikationen bewirkt. Dem stellen GARCIA et al.
(2013) entgegen, dass eine Fraktur in Ratten und Mäusen nicht standardisierbar ist.
Die Verwendung eines Frakturmodelles im Tierexperiment hat eine große Ähnlichkeit mit der klinischen Situation. Für eine gute Frakturversorgung kann allerdings nicht im-mer die gleiche Fixierungsmethode gewählt werden. Außerdem entsteht dabei kein Frakturspalt, sondern einzelne Frakturstücke.
2.2.5 Osteosyntheseverfahren bei Defektmodellen
Zur Fixation von Knochendefekten können im Tiermodell der Ratte verschiedene Ver-fahren verwendet werden. Dazu zählen die Plattenosteosynthese (OHURA et al. 1999;
CHEN et al. 2003; DROSSE et al. 2008; SCHOEN et al. 2008), intramedulläre Schienung mit einem Marknagel (SCHOEN et al. 2008) oder Kirschner Draht (HADJI-ARGYROU et al. 2000; UTVÅG et al. 2001; WILDEMANN 19.04.2005) und die externe Fixierungsmethode (DROSSE et al. 2008; SIGURDSEN et al. 2009; ZHAO et al. 2009;
WILLIE et al. 2009). Bei der Plattenosteosynthese (Abb. 1) wird die Osteosynthese-platte auf dem Knochen mit Schrauben fixiert und die Ostektomie nach Anbringen der Platte durchgeführt. Diese Form der Fixation bietet eine gute Stabilität gegenüber Bie-gung und Rotation und ist deshalb für Studien über die Knochenheilung nach De-fektostektomie geeignet (DROSSE et al. 2008; CLAES 2011). Außerdem wird damit ermöglicht, die Größe des geschaffenen Knochendefektes über die Dauer des Versu-ches aufrecht zu erhalten und ein zusammenschieben der Knochenenden zu verhin-dern (DROSSE et al. 2008).
Abb. 1: Osteosyntheseplatte für die Stabilisierung eines Femur mit einem CSD von 6mm bei der Ratte. A: Titanplatte als Osteosyntheseplatte für den Femur. B: Röntgenbild (a/p) der am linken Femur
angebrachten Platte (DROSSE et al. 2008; Mit freundlicher genehmigung des Verlages)
Eine weitere Fixationsmöglichkeit ist die Marknagelung, bei der der Knochen mit einem intramedullären Nagel geschient wird (Abb. 2). Dieser verklemmt sich mit der Kortikalis und führt so zu einer guten Belastungsfähigkeit des Knochens (SIEWERT u. ALLGÖ-WER 2006). Die Verwendung eines intramedullären Nagels am Femur und der Tibia ist im tierexperimentellen Bereich zur Untersuchung der Frakturheilung, auch bei Ostektomien, ein verbreitetes Verfahren (ARO 1985; BOES et al. 2006; GERSTEN-FELD et al. 2007; SCHOEN et al. 2008). Dabei wird der Knochendefekt erst nach Ein-bringen des Marknagels geschaffen. Eine Verriegelung zur Vermeidung der Rotation ist allerdings in tierexperimentellen Studien bei kleinen Versuchstieren aufgrund der geringen Größe technisch schwer durchführbar (JÄGER et al. 2005; SCHOEN et al.
2008).
Abb. 2: Marknagelung, Röntgenbild im mediolateralen Strahlengang. Marknagel in einem CSD im Femur einer Ratte (SCHOEN et al. 2008; Mit freundlicher Genehmigung des Verlages)
Auch der Fixateur externe wird zur Stabilisierung von Defektosteotomien im Tierexpe-riment verwendet. (JÄGER et al. 2005; DROSSE et al. 2008). Es werden hierfür min-destens zwei Kirschnerbohrdrähte pro Frakturende im möglichst rechten Winkel zum Knochen durch die Haut in die Knochen eingebracht und wieder nach außen geführt.
Dort werden die Pins durch eine parallel zum Knochen verlaufende Metallstange oder eine aushärtende Plastikmasse (z.B. PMMA) (JÄGER et al. 2005) miteinander verbun-den und so in ihrer Position stabilisiert (Abb. 3). Bei diesem Verfahren ist es möglich die Ostektomie vor oder nach dem Einsetzen der Pins in den Knochen durchzuführen (LUCKE et al. 2003b; LUCKE et al. 2003a; JÄGER et al. 2005; DROSSE et al. 2008;
SIGURDSEN et al. 2009; WILLIE et al. 2009). Dieses Defektmodell wird eingesetzt um z.B. die Knochenheilung mit und ohne das Einbringen von Wachstumsfaktoren in den Ostektomiespalt zu untersuchen (STRUBE et al. 2008; OSZWALD et al. 2009; GLATT et al. 2009; CLAES 2011).
Abb. 3: Fixateur externe. A: Röntgenbild a/p, Fixateur externe in einem Rattenfemur mit PMMA gefüll-ter Plastikröhre als Stabilisierung. B: Fixateur exgefüll-terne aus Metall nach Wundverschluss. (JÄGER et al.
2005; Mit freundlicher Veranlassung von Herrn Prof. Dr. Jäger, Essen)