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Fragestellung: Während der physiologischen Homöostase und bei Infektionen sind Skelett- und Immunsystem eng verbunden. Die Frakturheilung beginnt analog zu Infektionen mit einer Inflammationsphase. Diese ist gekennzeichnet durch eine schnelle Akkumulation verschiedener zellulärer und humoraler Komponenten im Frakturhämatom. Ein wichtiges Ereignis im Inflammationsprozess ist die Migration von Leukoyten in den Frakturbereich, welche die Heilung durch die Sekretion verschiedener Faktoren stimulieren. Die Hypothese dieser Studie war, dass die Frakturheilung durch LPS induzierte Überaktivierung des angeborenen Immunsystems verzögert ist.

Methodik: In 8-10 Wochen alten Mäusen (C57BL6/N) wurde eine geschlossene, transverse Femurfraktur gesetzt und mit einem intramedullären Pin stabilisiert. Eine Kontrollgruppe mit normaler Frakturheilung (WT) und eine Gruppe mit LPS Injektionen wurden verglichen (N=8). Die LPS Injektionen erfolgten 24 Stunden vor der Operation durch i.p. Applikation (2 mg/kg KG) und wurden alle 3 Tage wiederholt. Für die Analysen wurden die Femora nach 14 und 21 Tagen gewonnen. Es erfolgte eine biomechanische Testung sowie eine µCT Analyse. Statistische Vergleiche zwischen den Gruppen wurden mit dem Mann-Whitney U-Test durchgeführt.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die biomechanische Testung zeigte eine signifikant geringere Torsionssteifigkeit am Tag 14 in der LPS Gruppe (25 [15/31] % vs. 47 [33/58] %; [median (25/75 percentile), p=0.01]. 3D Rekonstruktionen des Kallusgewebes zeigten eine geringere knöcherne Überbrückung des Frakturspalts am Tag 14 sowie qualitativ eine geringere Mineralisierung des Kallus in der LPS Gruppe. Die quantitative µCT Evaluation ergab ein signifikant geringeres Knochenvolumen im Kallus an Tag 21 (8.0 [7.7/9.1] mm³ vs. 10.5 [9.7/14.7] mm³, p=0.001). Die Tissue Mineral Density war allerdings leicht erhöht (945 [927/994] mgHA/cm³ vs. 903 [857/943] mgHA/cm³, p= 0.014).

Aktivierung von Immunzellpopulationen beeinflusst die Frakturheilung wesentlich. Makrophagen beeinflussen die Heilung wesentlich, ihr Fehlen führt zu Heilungsstörungen. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse der Studie eine verzögerte Frakturheilung bei LPS induzierter Überaktivierung des angeborenen Immunsystems. Die Ergebnisse der biomechanischen Analysen bilden die Basis für diese Schlussfolgerung. Die µCT Analysen liefern darüber hinaus neue Informationen über Unterschiede der Gestalt und Mineralisierung des Kallusgewebes. Die Mineralisierung des regenerativen Gewebes ist verzögert. Hieraus ergeben sich wesentliche und schwere Komplikationen im Ablauf der Frakturheilung. Zellen des angeborenen Immunsystems wie Makrophagen und neutrophile Granulozyten sind “Key player“ bei der Reaktion auf LPS. LPS Signale werden via Toll-like-receptor-4 (TLR-4) transduziert und stimulieren die Ausschüttung pro-inflammatorischer Zytokine wie TNF-α. Dies könnte zu einem veränderten Gleichgewicht zwischen Osteoblast und Osteoklast führen und so die reduzierte Mineralisierung erklären.