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Globale Genexpressionsanalyse der atrophen Pseudarthrose der Ratte
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Veröffentlicht: | 23. Oktober 2017 |
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Fragestellung: Die Bildung einer atrophen Pseudarthrose ist eine schwerwiegende Komplikation in der Knochenheilung und die Hauptursache liegt vermutlich in einer gestörten Vaskularisierung. Doch die zugrunde liegenden Mechanismen sind noch unzureichend geklärt. Über eine Longitudinalstudie im Rattenmodell sollte dieser Aspekt näher analysiert werden. Mithilfe einer globalen Genexpressionsanalyse wurden Unterschiede in den Prozessen: Inflammation, Chondrogenese, Osteogenese und Angiogenese untersucht.
Methodik: 5-6 Ratten wurden pro Gruppe und Zeitpunkt (Tag: 3, 7, 14, 21 und 42) operiert. Die rechte Tibia wurde osteotomiert und mittels Marknagel mit PDLLA Beschichtung stabilisiert (Kontrollgruppe). Der atrophen Pseudarthrosegruppe wurde 10% Fumagillin (Angiogeneseinhibitor) in die PDLLA Beschichtung inkorporiert. Microarrays: Die Gesamt-RNA wurde pro Gruppe gepoolt, mit dem Agilent single-color Quick-Amp Labeling Kit Cy3 markiert und auf Agilent SurePrint G3 Rat Gene Expression Microarrays hybridisiert. Nach der "feature extraction" und Quantil- Normalisierung wurden biologisch relevante Prozesse mittels GeneOntology identifiziert. Gene mit einem Expressionswert unter dem 25. Perzentil wurden ausgeschlossen. Zur Visualisierung wurden heatmaps erstellt.
Ergebnisse: Die Analyse inflammatorischer Gene zeigte eine Hochregulation von Monozyten/Makrophagen- relevanter Faktoren, wie die Chemokine Ccl2 und Ccl12 und des Oberflächenmarkers CD14. Andere Faktoren, die an den frühen proinflammatorischen Prozessen beteiligt sind, wie Il1a, Tnf und Il6, zeigten sich nicht beeinflusst. Chondrogene Marker, darunter Kollagen Typ II, -IX, -X, Mmp9, Mmp13, Hapln1, Ucma, Runx2, Sox5 und -9 waren in der atrophen Pseudarthrosegruppe runterreguliert. In der mittleren Heilungsphase (Tag 14-21) zeigten sich vor allem osteogene Faktoren geringer exprimiert. Dieses Gencluster beinhaltete vornehmlich Bmps, Bmp Antagonisten, Bmp- und Tgfb Rezeptoren, Integrine und Matrixproteine. Angiogene Faktoren waren weniger deutlich reguliert, eine genauere Analyse mittels qPCR zeigte aber eine erhöhte Expression von Angpt2, Fgf1 und -2 über den Heilungsverlauf in der atrophen Pseudarthrosegruppe.
Schlussfolgerung: In einer vorangegangenen Studie konnten wir zeigen, dass die Inhibierung der Angiogenese nach Osteotomie zu einer Reduktion der Gefäßneubildung und nachfolgend zur Entwicklung einer atrophen Pseudarthrose führt [1]. Die Microarray-Daten zeigten eine erhöhte Expression von Makrophagenmarkern sowie eine Erniedrigung von Chondrogenese- und Osteogenesemarkern. Die fehlende Blutversorgung könnte zu einer verminderten Anzahl an rekrutierten MSCs und Makrophagen geführt haben und somit eine Störung des Hämatomabbaus sowie der Chondrogenese zur Folge haben. Der spaltnahe Bereich bestand nach 42 Tagen vornehmlich aus fibrösem Gewebe. Die Heilung in der atrophen Pseudarthrosegruppe blieb bereits in einer sehr frühen Phase der Knochenregeneration stecken.