Forcierte physische Aktivität nach operativer Frakturstabilisierung hat im Mausmodell keinen Einfluss auf die Knochenbruchheilung

Abstract

In den letzten Jahrzehnten wurde in vielfachen klinischen und experimentellen Arbeiten der Effekt von körperlicher Aktivität auf die Frakturheilung dargestellt. Hierbei konnte gezeigt werden, dass physische Aktivität und mechanische Frakturbelastung einen entscheidenden Einfluss auf Verlauf und Qualität der Frakturheilung haben. Während bislang fast ausschließlich die Mechanobiologie im Frakturspalt als wichtiger Einflussfaktor hinsichtlich der Hemmung bzw. Beschleunigung der Knochenbruchheilung untersucht wurde, wurde die systemische Rolle körperlicher Aktivität während der Frakturheilung unseres Wissens nach nicht experimentell analysiert. Ziel der hier vorgestellten Studie war es daher, interfragmentäre Relativbewegungen im Frakturspalt durch die Entwicklung einer rotations- und achsstabilen Osteosynthesetechnik für das Mäusefemur zu minimieren und somit den mechanobiologie-unabhängigen Effekt physischer Aktivität auf die Knochenbruchheilung an der Maus zu untersuchen. Nach zwei- und fünfwöchigem täglichem Laufradtraining konnten wir in der histomorphometrischen und biomechanischen Auswertung des Frakturkallus weder eine Beschleunigung noch eine Hemmung der Frakturheilung beobachten. Korrespondierend damit zeigten Western Blot Analysen des Kallus keine vermehrte Expression des Proliferationsmarkers PCNA und des angio- sowie osteogenen Wachstumsfaktors VEGF. Somit ziehen wir die Schlussfolgerung, dass vermehrte körperliche Aktivität unter Ausschluss mechanobiologischer Einflussfaktoren keine Auswirkung auf die Knochenbruchheilung hat. Gleichzeitig unterstreichen unsere Ergebnisse den wichtigen Einfluss der Osteosynthesetechnik und relativieren die systemische Bedeutung körperlicher Aktivität auf die Frakturheilung.

The aim of the present study was to analyse the systemic biological effect of increased physical exercise on fracture healing. We used a very stable fracture fixation technique to minimise the biomechanical impact of exercise on the interfragmentary environment and thereby to focus on the systemic biological effect of exercise on bone repair. We feel that it is important to distinguish between the local biomechanical effect of exercise on the fracture gap and the systemic biological effect of exercise on the total organism, which includes e.g., changes in blood circulation, metabolic conditions, and tissue oxygenation. Two groups of SKH mice were studied. Animals of the first group (n=36) were housed in cages supplied with a running wheel, while mice of the second group (n=37) were housed in standard cages for control. Using a closed femur fracture model, bone repair was analysed by histomorphometry and biomechanical testing at 2 and 5 weeks. At 2 weeks, we additionally evaluated the expression of the proliferation marker PCNA (proliferating cell nuclear antigen) and the angiogenic and osteogenic growth factor VEGF (vascular endothelial growth factor). To standardise the mechanical conditions in the fracture gap, we used an intramedullary compression screw for stable fracture fixation. Each mouse of the exercise group run a mean total distance of 23.5 km after 2 weeks and 104.3 km after 5 weeks. Histomorphometric analysis of the size and the tissue composition of the callus could not reveal significant differences between mice undergoing exercise and controls. Accordingly, biomechanical testing showed a comparable torsional stiffness, peak rotation angle, and load at failure of the healing bones in the two groups. The expression of PCNA and VEGF did also not differ between mice of the exercise group and controls. We conclude that increased exercise does not affect bone repair after stable fracture fixation.