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Das Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopic Imaging ist ein exzellentes Verfahren zur chemischen Untersuchung von Knochenschnitten mit einer räumlichen Auflösung von kleiner als 7 µm. FTIR spektroskopische intrinsische Knochenparameter wie die Mineralzusammensetzung, die Kristallinität und die Kollagenreife liefern wertvolle Informationen über die Knochenzusammensetzung und über Knochenpathologien. Die vorliegende Studie ist die erste systematische Untersuchung der Frakturheilung mittels FTIR Spectroscopic Imaging.

Transverse Femurfrakturen wurden bei insgesamt 28 männlichen Mäusen vom Wildtyp mittels Osteotomie produziert und durch einen intramedullären K-Draht stabilisiert. Die Opferung der Tiere erfolgte nach 1, 2, 4 und 8 Wochen. Die Femora wurden entnommen, in Ethanol fixiert und mittels Mikro-CT untersucht. Anschließend wurden die Knochenproben in PMMA eingebettet und in angrenzende Schnitte für die histologische Färbung und FTIR spektroskopische Untersuchung geschnitten. Dies erlaubte eine Zuordnung der FTIR spektroskopischen Bilder zu spezifischen histologischen Gewebetypen im Frakturkallus. Die folgenden FTIR Quotienten und Parameter wurden für die unterschiedlichen Kallusbereiche untersucht: Mineral/Matrix Ratio, Carbonat/Mineral Ratio, Kristallinität von Hydroxylapatit, die Quervernetzung von Kollagen als Maß für die Kollagenreife, und zwei Mineralquotienten, welche bei Wellenlängen des Phosphatpeaks bestimmt wurden, die sich typischerweise während der Kallusreifung verändern (1112 cm^-1/1038 cm^-1 und 1112 cm^-1/1038 cm^-1). Die statistische Auswertung erfolgte mittels ANOVA und Korrektur für Mehrfachtestung nach Bonferroni.

Das Verhältnis Mineral/Matrix vergrößerte sich signifikant während der ersten 4 Wochen der Frakturheilung in allen Kallusbereichen als Zeichen der Kallusmineralisation, und korrespondierte ausgezeichnet mit der Knochendichtemessung mittels Mikro-CT. Der Carbonat/Mineral Quotient war v.a. in der frühen Phase der Frakturheilung und bei früh kalzifizierendem Gewebe erhöht und normalisierte sich innerhalb von 2 Wochen rasch auf Werte vergleichbar der normalen Kortikalis. Die Kristallinität von Hydroxylapatit als auch die Kollagenquervernetzung änderten sich während der Frakturheilung nicht signifikant. Jedoch erwiesen sich die beiden erstmals untersuchten Mineralquotienten als sehr sensitiv, so konnte ein andauernder Umbau des Knochenminerals mit Kallusreifung noch 8 Wochen nach Fraktur nachgewiesen werden. Auch unterschieden sich die Mineralquotienten der verschiedenen Kallusgewebe (früher, kalzifizierender Knorpel, enchondrale und intramembranöse Knochenneubildung) während der Kallusbildung und des Kallusremodellings signifikant.

Das FTIR Spectroscopic Imaging hat sich auch in der Untersuchung von Frakturkallus als ein sehr sensitives Verfahren erwiesen. Parameter der Knochenzusammensetzung können mittels hoher räumlicher Auflösung dargestellt werden und so zum Verständnis von Knochenpathologien beitragen.

Abbildung 1 [Abb. 1]