Molecular and Cellular Investigations of Fracture Healing in a Mouse Model

Abstract

The success of fracture healing relies on coordinated overlapping cellular and molecular events. 10-15% of cases worldwide result in delayed healing, non-union or pseudarthrosis. Therefore, analysis of molecular and cellular healing events is important to discover new therapeutic attempts in clinical research. Besides, engineering a blueprint of differential regulation throughout physiological healing is essential to specify phase-specific markers. Such undercarriage will pinpoint irregular gene expression, whether chronological, temporal or functional. This study analyzed the healing progression of standard closed femoral fracture in C57BL/6N (age = 8 weeks) wild type male mice model. Fracture callus was assessed at days 3, 7, 10, 14, 21, and 28 post fracture by microarray and histological analysis. Results revealed increased bone mineralization with healing progression and bony bridging was seen by day 28. In-depth analysis of bone matrix mineralization showed changes in collagen orientation and osteocytes morphology with healing progression. Differential expression analysis followed by gene ontology associated genes with angiogenesis, ossification, extracellular matrix regulation, immune response, mitochondrial, and ribosomal activity. However, the overlapping genes between consecutive time points were not addressed before. This thesis compared consecutive time points to study the overlapping genes in correlation to healing events. In accordance to previous reports, this thesis showed the importance of angiogenesis, ossification, immune response, and extracellular matrix regulation leading to successful healing. However, the individual role of mitochondrial and ribosomal genes in bone regeneration remain unknown. Differential analysis in this study showed drastic downregulation among the mitochondrial and ribosomal genes during the early phase of healing. Further, histological evaluation of mitochondrial marker (GPX1) and ribosomal marker (UBB) showed patches of positive stain in osteocytes and blood vessels vicinity during the course of healing. In summary, this study shows the importance of mitochondrial and ribosomal genes besides angiogenesis, ossification, extracellular matrix, and immune response to reach the successful bony consolidation. Moreover, this mouse fracture model can be used as a template to identify specific molecular mechanism of fracture healing.

Eine erfolgreiche Frakturheilung ist das Ergebnis ineinandergreifender zellulärer und molekularer Ereignisse. Weltweit zeigen 10-15% aller Frakturen eine verzögerte Heilung, Non-Union oder Pseudarthrose. Das detailliert Verständnis der Frakturheilung ist essentiell für die Wahl der Behandlungsmethode. Daher ist die Analyse der molekularen und zellulären Heilungsprozesse wichtig, um neue therapeutische und klinisch relevante Ansätze zu entdecken. Anhand eines Modelles zur physiologischen Knochenheilung können für die Heilungsphasen spezifische Marker identifiziert werden und chronologische oder funktionelle Abweichungen bei pathologischer Knochenheilung präzise aufgezeigt werden. In dieser Studie wurde der Heilungsprozess an einer geschlossenen Femurfraktur in einem C57BL/6N männlichem Wildtyp Mausmodell (Alter = 8 Wochen) untersucht. Hierbei wurde der Frakturkallus an den Tagen 3, 7, 10, 14, 21 und 28 mittels Mikroarray und histologischer Analysen untersucht. Hierbei zeigte sich an Tag 28 eine gesteigerte Knochenmineralisation mit fortschreitender Heilung und Verknöcherung des Kallus. Im Verlauf des Heilungsprozesses zeigten sich Veränderungen in der Kollagenfaserorientierung der Knochenmatrix und der Osteozytenmorphologie. Durch differentielle Genexpressionsanalysen konnten aktive Gene der Angiogenese, Ossifikation, extrazellulären Matrix, des Immunsystems sowie der mitochondrialen und ribosomalen Aktivität identifiziert und den Heilungsphasen zugeordnet werden. Eine derartige Studie mit aufeinander folgenden Zeitpunkten ist bisher einzigartig und zeigt zwischen den Zeitpunkten überlappende Genaktivitäten in den einzelnen Phasen der Frakturheilung. In Übereinstimmung mit vorangegangenen Studien zeigte sich hier die Bedeutung der Angiogenese, Ossifikation, extrazellulären Matrix und des Immunsystems für eine erfolgreiche Frakturheilung. Dennoch ist die Rolle der mitochondrialen und ribosomalen Gene bei der Frakturheilung bisher ungeklärt. In dieser Studie zeigte sich in der frühen Phase der Frakturheilung eine deutliche Herabregulation der mitochondrialen und ribosomalen Genaktivität. Zusätzlich zeigten sich bei den histologischen Analysen in den Osteozyten und den Blutgefäßen positive Areale für den mitochondrialen Marker (GPX1) sowie den ribosomalen Marker (UBB). Diese Studie belegt die Bedeutung von mitochondrialen und ribosomalen Genen zusätzlich zu der Angiogenese, Ossifikation, extrazellulären Matrix und dem Immunsystem an der erfolgreichen, knöchernen Konsolidierung bei der Frakturheilung. Darüber hinaus kann dieses Fraktur-/Mausmodell als Vorlage für die Identifizierung molekularer Mechanismen der Frakturheilung dienen.