Lokaler Knochenumbau und Mechanoregulation der Frakturheilung im gesunden alternden osteoporosen Menschen

Das derzeitige Wissen zur Frakturheilung stützt sich vor allem auf Untersuchungen im Bereich der Diaphyse, also an kortikalem Knochen. Alters- und osteoporoseassoziierte Frakturen kommen jedoch vor allem an den metaphysären Knochenenden, also im trabekulären Knochen vor. Man weiß wenig über die mechanische Regulation der Knochenheilung in diesem Bereich. Auch der Einfluss von Alter und Osteoporose auf die Knochenheilung ist wenig untersucht. Aus diesem Grund soll unser Wissen über die Frakturheilung und die beteiligte Mechanoregulation in gesundem, gealtertem und osteoporotischem Knochen erweitert werden. Um Diagnose und Prognose humaner Frakturen zu verbessern, möchten wir das Fortschreiten und den Erfolg der Knochenheilung vorhersagen. Die Untersuchungen lokaler Veränderungen im Knochen (Remodelling) können nur direkt am Patienten vorgenommen werden und stellen deshalb eine große Herausforderung dar. Um die Mechanoregulation zu untersuchen, bedarf es der Berechnung von mechanischer Belastung und somit die Definition von physiologischen Belastungsmustern, welche am Patienten selbst nicht zu definieren sind. Im vorliegenden Projekt wollen wir (1) das lokale Remodelling, (2) die lokale Mechanoregulation im trabekulären Knochen von gesunden, gealterten und osteoporotischen Patienten und (3) die Mechanoregulation der Frakturheilung voraussagen. Um die erste Fragestellung zu bearbeiten, soll die Mikrostruktur des Knochens nach distalen Radiusfrakturen mittels hochauflösender Computertomographie (HR-pQCT) untersucht werden. MikrostrukturelleUnterschiede zwischen den verschiedenenUntersuchungszeitpunktenwerdenin Bildanalyseverfahren untersucht. In einer Pilotstudie wurde bereits gezeigt, dass diese Unterschiede im Patienten gut nachgewiesen werden können. Die zweite Fragestellung soll mit einer neu entwickelten biomechanischen Methode untersucht und am Schafmodell validiert werden, da in diesem Setting das Belastungsmuster bekannt ist. Mit einem Computermodellwelches dietrabekuläreFrakturheilung und die entsprechende Mechanoregulation simuliert, soll die dritte Fragestellung beantwortet werden. Im Gesamten bedarf dieses Projekt der großen Expertise, die in der Kombination der Stärken verschiedener Projektpartner im Rahmen einer DACH-Kollaboration bereitgestellt werden soll. Die Medizinische Universität Innsbruck mit ihrer Erfahrung in klinischen Landzeitstudien wird Ziel (1) bearbeiten. Ziel (2) wird durch die ETH Zürich mit ihrer Expertise in Knochenbildgebung und biomechanischen Analysen bearbeitet. Die Universität Ulm wird ihre Expertise in Ziel (3) im Rahmen von Computermodellen der Frakturheilung einfließen lassen. Das vorgeschlagene Projekt beleuchtet die lokale Mechanoregulation der trabekulären Knochenheilung und die Frage, ob Alter und Osteoporose den humanen Frakturheilungsprozess beeinflussen. Wenn dies der Fall ist, soll herausgefunden werden, welche Mechanismen daran beteiligt sind. Die Untersuchungen sollen auch eine Methodik erarbeiten, mit welcher mikrostrukturelle Veränderungen am Knochen über einen längeren Zeitraum beobachtetundder Heilungsverlauf vorhergesagtwerdenkann. Dies ermöglichteuns,den Frakturheilungsprozess besser zu monitorisieren und sogar zu simulieren.Damit stünden verbesserte diagnostische und prognostische Möglichkeiten bei Patienten mit Frakturen zur Verfügung.

An der Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie der Medizinischen Universität Innsbruck wurden im Rahmen der oben angeführten Studie 106 Studienteilnehmer rekrutiert. Alle Patienten, die sich mit konservativ behandelbaren distalen Radiusfrakturen an unserer Abteilung vorstellten, wurden für die Aufnahme in die Studie gescreent. Anhand der ersten Röntgenaufnahmen der frakturierten Handgelenke wurde der Schweregrad der Verletzung ermittelt und die Patienten mit einem Gipsverband für fünf Wochen immobilisiert. Patienteninformationen wie Demografie, Händigkeit und Gesundheitszustand wurden ermittelt. Nachsorgetermine inkl. Gipswechsel, Röntgen- und klinischen Untersuchungen beider Handgelenke wurden an unserer Abteilung koordiniert und fanden in unserer Ambulanz statt. Laut des von uns entwickelten Untersuchungsplans wurden Kontrolluntersuchungen zu sieben Zeitpunkten innerhalb eines Jahres (Baseline, 1 Woche, 3 Wochen, 5 Wochen, 3 Monate, 6 Monate und ein Jahr) durchgeführt. Neben objektiven Funktionsmessungen wie Griffstärke und Bewegungsumfang wurden subjektive Parameter wie Schmerzbeurteilung, sowie Fragebögen zur Lebensqualität im Alltag erhoben. Alle Patienten erhielten zusätzlich DXA-Scans, um die Patienten entsprechend ihrer Knochenqualität in Untergruppen einzuteilen. Außerdem wurden bei jeder Kontrolle Nüchtern-Blutproben entnommen. Mittels eines von uns erstellten In-vivo-HR-pQCT Protokolls war es uns möglich, hochauflösende Bilder beider Handgelenke zu verschiedenen Zeitpunkten zu erhalten. Zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit wurden verschiedene Protokolle für die Darstellung der Fraktur und des kontralateralen Arms entwickelt und im Verlauf der Studie optimiert. Um die Beweglichkeit zu erhöhen und eine initiale Schwellung zu verringern, wurde ein neuartiges Übungsprotokoll implementiert, das Faustschluss-Übungen in der anfänglichen Heilungsphase und die Verwendung von Trainingshanteln nach der Gipsentfernung beinhaltet. Alle HR-pQCT-Bilder wurden visuell in verschiedene Grade bezüglich Bewegungsartefakten eingeteilt. In allen Röntgenbildern wurden die Gelenkwinkel des distalen Radius gemessen und bei den verschiedenen Nachbeobachtungszeiten verglichen. Die gewonnenen HR-pQCT-Bilder wurden mit den klinischen Ergebnissen wie Alter, Geschlecht und Knochenqualität der Patienten verglichen und während der Frakturheilung ausgewertet. Des Weiteren werden Bilddaten und Biomarker mit den klinischen Ergebnissen und der Knochenheilung korreliert, um das Voranschreiten der Frakturheilung innerhalb eines Jahres zu zeigen.