Heterotope und orthotope Knochenbildung mit einem vaskularisierten Periostlappen, einer Matrix und rh-BMP-2 (bone morphogenetic protein) im Rattenmodell

Zusammenfassung

Ziel dieser Arbeit war die Analyse von orthotoper und heterotoper Knochenbildung mit Hilfe einer strukturellen Polylaktatmatrix (OPLA/HY), dem osteoinduktiven rh-BMP-2 und einem vaskularisierten Periostlappen. An der Ratte wurde ein an den saphenischen Gefäßen gestielter Periostlappen von der medialen Tibiaoberfläche präpariert, mit der Periostseite als Innenauskleidung zu einer Kammer geformt und in die Leiste transportiert. In diese Kammer wurde die OPLA/HY-Matrix mit und ohne BMP eingepackt bzw. dieser vaskularisierte Periostlappen „leer“ durch die Oberschenkelmuskulatur nach dorsal zu einem Femurdefekt transferiert und um die OPLA/HY-Matrix mit und ohne BMP gewickelt. Die Tiere wurden in 10 Gruppen (82 Tiere) unterteilt. Der Effekt des vaskularisierten Periostlappens mit oder ohne OPLA/HY-Matrix und mit oder ohne rh-BMP-2 wurde in der Leiste (heterotope Knochenbildung) anhand von 6 Gruppen und im Femurdefekt (orthotope Knochenbildung) anhand von 4 Gruppen untersucht. Die Präsenz und Dichte von neuem Knochen in der Leiste und im Femurdefekt wurden radiologisch und histologisch nach 4 und 8 Wochen evaluiert. Eine radiologische und histologische Knochenformation in der Leiste (heterotop) konnte nur bei Ratten mit vaskularisiertem Periostlappen, OPLA/HY-Matrix und rh-BMP-2 demonstriert werden, während bei den Femurdefekten auch eine zunehmende Knochenbildung (orthotop) mit der OPLA/HY-Matrix und rh-BMP-2 mit und ohne Periostlappen feststellbar war. Der Periostlappen bewirkte jedoch eine stärkere Knochenbildung am Rand mit definierter Begrenzung des Defekts. 4 Faktoren – autonome Vaskularität, Osteoprogenitorzellen enthaltendes Periost, eine strukturelle Matrix und BMP – sind für eine optimale Knochenbildung sowohl heterotop in der Leiste als auch orthotop im Femurdefekt notwendig. Aufgrund dieser Ergebnisse könnten potenziell in Zukunft Knochendefekte oder Pseudarthrosen mit Hilfe eines vaskularisierten Periostlappens, einer Matrix und BMP erfolgreich rekonstruiert werden. Alternativ könnte ein vaskularisiertes Knochensegment fern von einem Defekt in einem vaskularisierten Periostlappen präfabriziert und sekundär mikrochirurgisch in den Defekt transferiert werden.

Abstract

The purpose of this study was to construct a vascularized bone graft using the osteoinductive bone morphogenetic protein (rh-BMP-2), a polylactic acid matrix (OPLA/HY), and a vascularized periosteal flap containing osteoprogenitor cells ectopically in the groin or orthotopically in a femoral defect. In the Lewis rat, periosteal flaps were harvested from the medial surface of the tibia vascularized by the saphenous artery and vein and were transferred to the groin on its vascularized pedicle. Alternatively, the periosteal flap along its pedicle was transferred between the thigh muscles to be wrapped around a femoral defect of 1 cm. The animals were divided into 10 groups (82 animals). In group 1, the periosteal flap was left empty in the groin. Groups 2 and 3 consisted of the periosteal flap and 20 μg rh-BMP-2, but in group 3 the vascular pedicle was ligated proximally. In group 4 the flap was harvested without the periosteal layer and turned “inside out”. Groups 5 and 6 consisted of the periosteal flap and the matrix OPLA/HY±20 μg rh-BMP-2. In the femoral defect model, bone formation was studied using the matrix OPLA/HY alone (group 7) or combined with the vascularized periosteal flap (group 8), or in combination with OPLA/HY+BMP (group 9) or OPLA/HY+BMP+the periosteal flap (group 10). The presence and density of new bone formation in the groin and femoral defect were evaluated radiologically and histologically at 4 and 8 weeks. Good bone formation in the groin chamber (ectopic) was demonstrated in the periosteal flap + OPLA/HY + BMP group. In the femoral defects, good bone formation (orthotopic) was seen in the OPLA/HY + BMP + the periosteal flap groups. However, with the presence of a vascularized periosteal flap, more bone formation along the rim of the defect was observed. This study of ectopic bone formation in the groin and orthotopic bone formation in the femoral defect demonstrates that optimal bone formation requires four factors: BMP, a biodegradable matrix, osteoprogenitor cells, and blood supply. Potentially in the future, this technique could be used to reconstruct a bony defect or a nonunion by covering the involved area with a vascularized periosteal flap and a suitable matrix combined with BMP. Alternatively, a vascularized bone graft could be prefabricated at a distant site and then transferred microsurgically into a defect.