Mechanoregulation und Knochenumbau bei der Knochenheilung in gesunden, alten und osteoporotischen Patienten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Anita Ignatius; Dr.-Ing. Ulrich Simon
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 323231527

Das Wissen zur Knochenheilung basiert im Wesentlichen auf tierexperimentellen Daten zu diaphysären Frakturen, obwohl viele alters- und osteoporoseassoziierte Frakturen im metaphysären Knochen auftreten. Über die Mechanoregulation der trabekulären Heilung ist wenig bekannt. Das bisherige Wissen beruht auf histologischen Auswertungen auf makroskopischer Skala. Es ist daher wichtig, die Prozesse der Knochenheilung im gesunden, alten und osteoporotischen humanen Knochen auch mikroskopisch zu untersuchen. Knochenbildungs- und -umbauvorgänge nichtinvasiv im Patienten zu untersuchen, ist jedoch eine große Herausforderung. Die Untersuchung der Mechanoregulation der Knochenheilung erfordert darüber hinaus die Berechnung des lokalen mechanischen Stimulus im Gewebe, wofür die muskuloskelettale Belastung auf Organebene patientenindividuell bekannt sein muss. Diese kann nicht ohne Weiteres gemessen werden.In dieser Studie sollen daher drei Ziele verfolgt werden: Untersuchung 1) der lokalen Knochenbildung und des -umbaus, 2) des Einflusses der muskuloskelettalen Belastung auf den Heilungsprozess, 3) der lokalen Mechanoregulation der metaphysären Frakturheilung im gesunden, alten sowie osteoporotischen humanen Knochens.Zur Erreichung des ersten Ziels ist eine klinische Studie an Patienten mit distaler Radiusfraktur geplant, bei der die Mikrostruktur des Knochens mit hochauflösender quantitativer Computertomographie (HR-pQCT) erfasst und mit neu zu entwickelnden Bildverarbeitungsmethoden zeitaufgelöst analysiert wird.Für das zweite Ziel werden die muskuloskelettalen Effekte auf die Frakturheilung in Patienten studiert, die Handgriffübungen verrichten. Ein invers-dynamisches muskuloskelettales Modell von Unterarm und Hand wird entwickelt, um die am distalen Radius wirkenden Kräfte aus den patientenindividuellen Greifkräften zu bestimmen. Zudem wird ein vorhandenes Frakturheilungsmodell so erweitert, dass der Einfluss der muskuloskelettalen Belastung auf den trabekulären Heilungsprozess bestimmt werden kann. Das auf die trabekuläre Heilung erweiterte Modell wird durch Vergleich zu vorhandenen tierexperimentellen Daten validiert.Für das dritte Ziel werden Mikro-FE-Modelle entwickelt, die den lokalen Stimulus in der durch HR-pQCT gemessenen trabekulären Struktur aus den globalen muskuloskelettalen Lasten (Ziel 2) berechnen. Die Korrelation der lokalen Stimuli und der zeitlichen Änderungen der Knochenstrukturen erlaubt die Ableitung der Mechanoregulationsprinzipien der trabekulären Frakturheilung.Das Projekt erfordert eine umfassende Expertise, die hier durch die deutsch-österreichisch-schweizerische Kooperation gewährleistet wird. Die Universität Innsbruck und das Inselspital Bern besitzen exzellente Erfahrung in klinischen Studien. Die Universität Ulm besitzt Expertise in der Computersimulation der Frakturheilung und experimentellen Tierstudien. Die ETH Zürich hat exzellente Expertise im Bereich des Imaging von Knochengewebe und der Mikro-FE-Modellierung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich, Schweiz
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Michael Blauth; Professor Dr. Kurt Lippuner; Professor Dr. Ralph Müller