Einfluss von Erythropoietin auf die Frakturheilung im Alter

Abstract

Frakturen bei älteren Menschen heilen aufgrund des reduzierten Heilungspotenzials deutlich schlechter. Unter anderen wird dies durch eine verzögerte Angiogenese während des Heilungsprozesses verursacht. Erythropoietin (EPO) wirkt angiogen und es konnte gezeigt werden, dass EPO die Frakturheilung in jungen Mäusen verbessert. Ziel dieser Arbeit war es daher, zu untersuchen, ob EPO auch in alten Mäusen die Frakturheilung verbessert.

Untersucht wurde die Frakturheilung in einem Femurfrakturmodell der Maus. Die alten Mäuse erhielten täglich eine Dosis von 500 U/kg KG EPO intraperitoneal. Die Kontrollgruppe erhielt eine äquivalente Menge NaCl-Lösung. Die Knochen wurden radiologisch, biomechanisch, histomorphometrisch und mittels Western Blot untersucht.

Die Blutanalysen zeigten sowohl 14 als auch 35 Tage postoperativ höhere Hämoglobin-konzentrationen und höhere Hämatokritwerte bei den EPO-behandelten Tieren. In der Mikro-Computertomographie zeigte sich kein Unterschied bzgl. der knöchernen Volumenanteile im Kallusgewebe zwischen beiden Gruppen. Es konnte jedoch eine dreifach höhere Knochendichte des Kallus bei den EPO-behandelten Tieren im Vergleich zu den Kontrollen nachgewiesen werden. Zudem war bei den EPO-behandelten Tieren die Knochendichte des Kallus verglichen mit der Knochendichte des unfrakturierten kontralateralen Femurs nahezu verdoppelt. Interessanterweise war die Biegesteifigkeit der Femora der EPO-behandelten Tiere signifikant geringer. Die histomorphometrischen Untersuchungen bzgl. der Kallusgröße und Kalluszusammensetzung waren in beiden Gruppen vergleichbar. Die Western Blot Analyse zeigte eine vermehrte Expression von Osteoprotegrin (OPG) und Receptor Activator of NF-κb Ligand (RANKL) im Kallus der EPO-behandelten Tiere, was auf einen erhöhten Knochenumsatz hinweist. Die histologischen Untersuchungen hinsichtlich der Angiogenese zeigten eine höhere Gefäßdichte nach Behandlung mit EPO. Zudem war die Anzahl an tartrate-resistente acid phosphatase (TRAP) positiven Zellen erhöht.

Wahrscheinlich wird durch die Verschlechterung der Mikrozirkulation sowie durch den erhöhten Knochenumsatz die Frakturheilung bei alten Mäusen negativ beeinflusst. Eine Behandlung mit EPO sollte daher bei älteren Patienten nur zurückhaltend angewendet werden.

Fracture healing in the elderly is associated with a declined healing potential caused by multiple factors including a delay of vascularization. Erythropoietin (EPO) has been demonstrated to improve vascularization and fracture healing in adult mice. We, therefore, hypothesized that EPO in aged mice also improves fracture healing.

For this purpose, EPO was given daily in a femoral fracture model in aged mice and compared to vehicle-treated controls using radiological, biomechanical, histomorphometric and Western blot techniques.

Blood analyses revealed significantly higher concentrations of hemoglobin and a higher hematocrit in EPO-treated animals at 14 and 35 days after fracture. Micro-computed tomography (μCT) indicated that the fraction of bone volume/tissue volume within the callus did not differ between the two groups. However, μCT showed a 3-fold increased tissue mineral density (TMD) in the callus of EPO-treated animals compared to controls. The callus TMD of the EPO-treated animals was also 2-fold higher when compared to the TMD of the unfractured contralateral femur. Interestingly, biomechanical analyses revealed a reduced bending stiffness in femurs of EPO-treated animals at day 35. The histomorphometrically analyzed callus size and callus composition did not show significant differences between the study groups. However, Western blot analyses exhibited an increased expression of osteoprotegerin (OPG), but in particular of receptor activator of NF-κB ligand (RANKL) in the callus of the EPO-treated animals. Further histological analyses of the callus tissue showed that this was associated with an increased number of newly formed blood vessels and a higher number of tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP)+ cells.

Conclusion: In fracture healing of aged mice EPO treatment increases callus TMD as well as OPG and RANKL expression, indicating an accelerated bone turnover when compared to controls. However, EPO does not improve fracture healing in aged mice. The process of fracture healing may be altered by EPO due to a deterioration of the microcirculation caused by the worsened rheological properties of the blood and due to an increased bone fragility caused by the accelerated bone turnover. Thus, EPO may not be used to improve fracture healing in the elderly.