Abstract
In der vorliegenden Arbeit sollte die osteostimulierende Wirkung von PTH1-34, bei lokaler Abgabe aus einem Fibrinhydrogel, in einem segmentalen diaphysären Defekt in einer tierexperimentellen Studie an Schafen untersucht werden. Die geeignete Konzentration sollte durch den Vergleich von bioaktivem PTH1-34 mit der alleinigen Defektfüllung mit Fibrinhydrogel (Fibrin), mit Leerdefekten (Empty) und mit autologer Knochenspongiosa (Autograft) gefunden werden. Hierfür wurden 28 Schafe in 5 Gruppen {Empty (n=5), Fibrin (n=6), PTHlow (n=6), PTHhigh (n=6), Autograft (n=5)} unterteilt. Die Defektfüllung der Gruppe PTHlow enthielt zusätzlich zum Fibrinhydrogel eine geringe PTH1-34-Konzentration, die der Gruppe PTHhigh eine geringgradig höhere PTH1-34-Konzentration. Als Defekt wurde die Osteotomie eines standardisierten „full size defect“ von 1 Zentimeter länge an der Tibiadiaphyse gewählt. Nach der Osteotomie wurde das Periost um die Osteotomiestelle entfernt. Zur Stabilisierung wurde die Tibia mit einer 11-Loch-3.5mm- LC-DCP medial fixiert und die operierte Hintergliedmaße mit einem Scotchcastverband versehen. Anschließend wurden die Tiere für die folgenden 4 Wochen in speziellen Aufhängesystemen gehalten. Radiologisch wurden die Tiere sowohl nach Ende der Operation, als auch 4 und 8 Wochen später untersucht. Nach Tötung der Tiere 12 Wochen nach Operation und Entnahme der entsprechenden Tibia wurde die Osteotomie radiologisch, histologisch und histomorphometrisch untersucht. Transplantation von autologer Spongiosa führte zu nahezu vollständiger Knochenheilung 12 Wochen nach Defektsetzung. Radiologische sowie histomorphometrische Untersuchungen zeigten eine signifikant höhere Knochendichte und Knochenneubildungsrate als die übrigen Gruppen. Zwar verbesserte sich die Knochenheilung mit steigender Konzentrationserhöhung des PTH1-34, allerdings konnte kein signifikanter Unterschied zur alleinigen Defektauffüllung mit Fibrinhydrogel gesehen werden. Histologisch wiesen die Defekte nach Verwendung von Fibrinhydrogel ohne oder mit der höchsten PTH1- 34-Konzentration (PTHhigh) ein hohes Maß an Osteoblasten und Osteoidsäumen und keine Gelpersistenz auf. Jedoch führte insbesondere die alleinige Verwendung von Fibrinhydrogel zu einer inflammatorischen Reaktion im Sinne von Lymphozyteninfiltration im Bereich des Defekts. Diese war jedoch signifikant geringer ausgeprägt nach Kombinationstherapie von Fibrinhydrogel mit der höchsten PTH1-34-Konzentration (PTHhigh). Mit der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die lokale Abgabe von PTH1-34 aus Fibrinhydrogel sicher und machbar ist, und die Kombination mit PTH1-34 die inflammatorische Reaktion von Fibrinhydrogel dämpft. Größere Studien mit höheren PTH1-34-Konzentrationen sind notwendig, um geeignete PTH1-34-Konzentrationen zu finden und ihre Effektivität im vergleich zu autologer Knochenspongiosa zur Knochendefektheilung zu untersuchen.
SUMMARY
The aim of this study was to evaluate the ability of locally delivered PTH1-34 and its specific concentration in fibrin to promote the synthesis of new bone in a segmental, full thickness defect in the midshaft of the ovine tibia. Different concentrations of bioactive PTH1-34 were tested and their performance analysed; in addition, each concentration was tested against empty defects, defects receiving fibrin alone and those receiving an autograft (autologous bone spongiosa) to assess the efficacy of PTH1-34. 28 female sheep were randomized into 5 groups of 5 (Empty), 6 (Fibrin), 6 (PTHlow), 6 (PTHhigh), 5 (Autograft) animals each. In group Empty the defect was left empty, group Fibrin received fibrin alone, group PTHlow received a low concentration of PTH1-34, group PTHhigh a slight higher concentration of PTH1-34 in a fibrin based hydrogel and positive control group received transplantation of autologous cancellous bone (Autograft). The study was based on the hypothesis that locally applied PTH1-34 enhances new bone formation when delivered in a fibrin hydrogel. A standardized 1 cm full thickness cortical defect in the mid tibial diaphysis was chosen to test the bone healing potential of this osteogenic gel. After osteotomy and careful resection of the periosteum the tibia was stabilized using an 11-hole 3.5mm LC-DCP. The affected hindlimb was protected with a cast and the animals were kept in special suspension systems for four weeks after surgery to avoid spontaneous refracturing of the limb. Radiographs were taken directly after surgery as well as 4, 8 and 12 weeks thereafter. The animals were sacrified after a postoperative period of 12 weeks and the tibia was removed. The osteotomy sites were examined radiographically, histologically and histomorphometrically. Transplantation of autologous cancellous bone resulted in bridging of the segmental tibia defect and complete bone healing. Radiological and morphometric evaluation showed a significant higher bone density and new bone formation rate than in the other groups. New bone formation increased and fracture healing was enhanced with rising concentrations of PTH1-34. However, no significant difference in defect replenishment compared with fibrinhydrogel alone (Fibrin) could be seen. Histologic assessment showed a hypertrophy of osteoblasts and no hydrogel persisted after the use of fibrinhydrogel without or with the highest PTH1-34. However, lymphocyte infiltration was present in all groups treated with fibrinhydrogel. This inflammatory response was significantly reduced in the presence of the highest PTH1-34 concentration (PTHhigh). This study showed that the protracted, local delivery of PTH1-34 from a fibrinhydrogel is safe and feasible and the combination with PTH1-34 decreases the inflammatory reaction of fibrinhydrogel. Larger studies with higher PTH1-34 concentrations are required to find the optimum PTH1-34 concentration and to examine its efficacy in promoting bone synthesis. Again, the impact of inflammation on bone healing and the interaction of PTH1-34 with leucocyte infiltration has to be assessed in future trials.
Streifeneder, Dinah