Etablierung eines Operationsmodells und Untersuchung des Degenerationsverhaltens eines Silikat-Kollagen-Knochenersatzmaterials in einem metaphysären Frakturdefekt bei ovariektomierten Ratten

Abstract

Die hier vorgestellte tierexperimentelle Studie folgt dem Ansatz, ein reproduzierbares Großtiermodell zu etablieren, welches in weiterer Entwicklung einen Beitrag leisten soll, die Rücküberführung schlecht heilender/chronischer Wunden in akute Wunden mit reellen Heilungsaussichten zu ermöglichen.Um diesen Anspruch zu erfüllen, ist die Etablierung eines in-vivo Tiermodells vonnöten, welches unter Versuchsbedingungen eine verzögerte Wundheilung simulieren kann.Da sich die Haut des Schweines für Wundheilungsmodelle erwiesenermaßen aufgrund weitreichender struktureller Gemeinsamkeiten mit der menschlichen Haut besonders eignet, wählt man als Versuchstier das Münchener Minischwein (Troll-Minischwein) und standardisiert zunächst den Ablauf der Wundsetzung und der nachfolgenden Wundkontrollen und Probenentnahmen über einen Zeitraum von 24 Tagen an einem Pilotschwein , später Schwein 01 genannt . Die dabei gewonnenen Ergebnisse fließen nicht in die Auswertung mit ein.Im Anschluss werden insgesamt sechs Schweine gemäß dem dann etablierten Standard mit je acht Wunden versehen, wodurch insgesamt 48 identische Vollhautwunden entstehen. Die Wunden von dreien der Tiere werden mit einem spezifischen Wundkeim (E. coli) in einer Konzentration von 107/ml gezielt infiziert. Alle Wunden werden in identischer Weise nach dem Prinzip der idealfeuchten Wundheilung versorgt, die Verbandsmaterialien werden alle 3,5 Tage gewechselt und der Heilungsverlauf anhand mehrerer Parameter dokumentiert.Die vergleichende Betrachtung der Wundfläche, Granulationsgewebedicke, der Keimzahl im Wundgrund und des Verlaufes des Wollina-Scores zeigen eine Verzögerung des Heilungsfortschrittes insbesondere in den ersten sieben Tagen nach Wundsetzung bei den infizierten Wunden.Folgende Ergebnisse werden ermittelt: Die initiale Wundfläche beträgt am Tag 0 Ø 13.62 cm2 ± 2,068 cm2 bei den nicht-infizierten und Ø 13.44 cm2 ± 1,86 cm2 bei den infizierten Wunden, am Ende der Untersuchungsphase (Tag 24) beträgt die durchschnittliche Wundfläche der infizierten Wunden 5,63 cm2 ± 1,14 cm2 und die der nicht-infizierten 4,40 cm2 ± 0,94 cm2.Zu Beginn der Messungen der Granulationsgewebedicke zum Zeitpunkt des VW 2 (Tag 7) ist die Dicke des Granulationsgewebes der nicht-infizierten Wunden mit durchschnittlich 2479 nm ± 682 nm geringfügig geringer als die der infizierten Wunden mit 3188 nm ± 1580 nm. Zum Zeitpunkt des VW 6 (Tag 21) sind die nicht-infizierten Wunden mit einer Dicke von durchschnittlich 8955 nm ± 1312 nm stärker granuliert als die infizierten mit durchschnittlich 7632 nm ± 1435 nm.Der Gehalt an E. coli im Wundgrund steigt bei den infizierten Wunden ab Tag 0 (Tag der Infektion) stetig an. Von durchschnittlich 1.04 x 106 am Tag des ersten VW (Tag 3) erhöht sich der Keimgehalt stetig bis zu einem Wert von durchschnittlich 1,0 x 107 am letzten Probenentnahmetag (Tag 24). Auch die nicht-infizierten Wunden weisen einen stetig zunehmenden Keimgehalt auf, dieser liegt mit 4,6 x 106 am letzten Probeentnahmetag jedoch erheblich niedriger.Die Anzahl der Leukozyten im Blut nimmt bei allen Tieren einen ähnlichen Verlauf, alle Tiere steigen in ihren Leukozytenzahlen zwischen Tag 3 und Tag 14 etwas an, um dann zu Tag 17 parallel wieder abzusinken. An Tag 21 liegen die infizierten Tiere mit 9,37 x 103/mm3 etwas unter ihrem Anfangswert von 10,2 x 103/mm3, während die nicht-infizierten Tiere mit 11,23 x 103/mm3 etwas oberhalb von ihrem Anfangswert von 10,9 x 103/mm3liegen.Der Wollina-Score der nicht-infizierten Wunden steigt schon ab dem Tag der initialen Wundsetzung (Tag 0) signifikant schneller an als der der infizierten. Das deutlichste Delta ist an Tag 14 festzustellen, wo ein Score von 6,3 bei den nicht-infizierten Tieren einem Score von 3,9 bei den infizierten gegenübersteht.Es kann aus diesen Ergebnissen der durchgeführten Experimente gefolgert werden, dass die angestrebte Verzögerung der Wundheilung durch die gezielte Infektion der Wunden vor allem in der exsudativen, resorptiven und proliferativen Phase der Wundheilung stattfindet, während die reparative Phase zwar dementsprechend verzögert, aber regelrecht abzulaufen scheint. Eine Heilungsverzögerung aufgrund einer systemischen Infektion kann dabei durch regelmäßig durchgeführte Blutbildkontrollen und das Fehlen klinischer Anzeichen ausgeschlossen werden. Das vorgestellte Modell kann in weiterführenden Studien nun dazu verwandt werden, die Heilungsverzögerung durch systemische oder andere Einflussnahme weiter zu fördern, um die Entwicklung eines chronischen Wundmodells anzustreben. Weitere Untersuchungen an einem solchen Modell könnten wichtige Erkenntnisse für eine erfolgreiche und heilungsfördernde Behandlung schlecht oder gar nicht heilender Wunden in der Human- und Tiermedizin bringen. Osteoporotic fractures and their treatment remain a challenge. The use of biomaterials intends to stimulate bone healing in this context. However, there is currently a lack of both clinically relevant bone healing small animal models at the metaphyseal part of long bones and the investigation of biomaterials in metaphyseal bone defect healing. The goals of this work are first to establish of a clinically relevant fracture defect model at the distal femoral metaphysis of ovariectomized rats. Second, degradation behaviour of a silicat-collagen-two-phases construct in this metaphyseal fracture defect model is analysed. 13 ovariectomized rats underwent surgery with T-plate fixation at the distal femur with the creation of a metaphyseal defect with a volume of approximately 400 mm3 m and a length of approximately 5 mm by an osteotomy. Second, a silicat-collagen-two-phases construct was implanted into the defect and its degradation behavior was analysed histologically. The animals were followed up for 42 days and wound healing, body weight and general health status was frequently assessed. At day 43, the animals were euthanized and the femora were explanted and assessed macroscopically. Histological slides with hematoxylin-eosin, toluidin blue, TRAP and ED-1 staining were created. 13 of 14 animals survived the entire observation period without problems. Only one animal was lost during anesthesia for the femur surgery. Wound healing was normal in 11 of 13 animals, only 2 animals exhibited prolonged swelling of the knee area. The osteosynthesis was deemd stable in 11 of the 13 animals after 43 days postoperatively. Therefore, the T-plate osteosynthesis at the distal femur in this model can be considered to be stable. The two-phases biomaterial showed multiple tissue interactions with the surrounding host tissue and showed at least soft-tissue integration in the defect. In summary, this animal model enables the creation of a metaphyseal defect in oavariectomized rats in which biomaterials for the enhancement of osteoporotic fracture healing can be investigated.