Informatie

5.3: Breuken - Botherstel - Biologie


EEN breuk is een gebroken bot. Als het bot niet correct wordt teruggezet, zal het genezingsproces het bot in zijn vervormde positie houden.

Wanneer een gebroken bot wordt gemanipuleerd en in zijn natuurlijke positie wordt gebracht zonder operatie, wordt de procedure a . genoemd gesloten reductie. Open reductie vereist een operatie om de breuk bloot te leggen en het bot te resetten. Hoewel sommige fracturen klein kunnen zijn, zijn andere behoorlijk ernstig en resulteren in ernstige complicaties. Een gebroken diafyse van het dijbeen heeft bijvoorbeeld het potentieel om vetbolletjes in de bloedbaan af te geven. Deze kunnen vast komen te zitten in de capillaire bedden van de longen, wat leidt tot ademnood en, indien niet snel behandeld, tot de dood.

Breuken worden geclassificeerd op basis van hun complexiteit, locatie en andere kenmerken (Figuur 5.20). Tabel 5.4 geeft een overzicht van veelvoorkomende typen fracturen. Sommige fracturen kunnen worden beschreven met meer dan één term omdat ze de kenmerken van meer dan één type kunnen hebben (bijvoorbeeld een open transversale fractuur).

Figuur 5.20. Soorten fracturen
Vergelijk gezond bot met verschillende soorten fracturen: (a) gesloten fractuur, (b) open fractuur, (c) transversale fractuur, (d) spiraalfractuur, (e) verbrijzelde fractuur, (f) geïmpacteerde fractuur, (g) greenstickfractuur en (h) schuine breuk.
Tabel 5.4.
Soorten fracturen
Type breukBeschrijving
transversaalVindt plaats dwars over de lengteas van het bot
SchuinGebeurt onder een hoek die geen 90 graden is
SpiraalBotsegmenten worden uit elkaar getrokken als gevolg van een draaiende beweging
verkleindMeerdere breuken resulteren in veel kleine stukjes tussen twee grote segmenten
beïnvloedHet ene fragment wordt in het andere gedreven, meestal als gevolg van compressie
Groene stokEen gedeeltelijke breuk waarbij slechts één kant van het bot is gebroken
Open (of samengesteld)Een breuk waarbij ten minste één uiteinde van het gebroken bot door de huid scheurt; heeft een hoog risico op infectie
Gesloten (of eenvoudig)Een breuk waarbij de huid intact blijft

Wanneer een bot breekt, stroomt er bloed uit elk vat dat door de breuk is verscheurd. Deze vaten kunnen zich in het periosteum, osteons en/of medullaire holte bevinden. Het bloed begint te stollen en ongeveer zes tot acht uur na de breuk heeft het stollende bloed zich gevormd fractuur hematoom (Figuur 5.21een). De verstoring van de bloedtoevoer naar het bot resulteert in de dood van botcellen rond de fractuur.

Figuur 5.21. Stadia in breukherstel
De genezing van een botbreuk volgt een reeks progressieve stappen: (a) Er vormt zich een fractuur hematoom. (b) Interne en externe calli-vorm. (c) Kraakbeen van de calli wordt vervangen door trabeculair bot. (d) Er vindt verbouwing plaats.

Binnen ongeveer 48 uur na de breuk hebben chondrocyten uit het endosteum een interne eelt (meervoud = calli) door een fibrokraakbeenachtige matrix uit te scheiden tussen de twee uiteinden van het gebroken bot, terwijl de periostale chondrocyten en osteoblasten een externe eelt van respectievelijk hyalien kraakbeen en bot rond de buitenkant van de breuk (Figuur 5.21B). Dit stabiliseert de breuk.

In de loop van de volgende weken resorberen osteoclasten het dode bot; osteogene cellen worden actief, delen en differentiëren tot osteoblasten. Het kraakbeen in de calli wordt via endochondrale ossificatie vervangen door trabeculair bot (Figuur 5.21C).

Uiteindelijk verenigen de interne en externe calli zich, compact bot vervangt sponsachtig bot aan de buitenranden van de fractuur en genezing is voltooid. Er kan een lichte zwelling achterblijven op het buitenoppervlak van het bot, maar vrij vaak ondergaat dat gebied hermodellering (Figuur 5.21NS), en er is geen extern bewijs van de fractuur.


Recente ontwikkelingen in de biologie van breukherstel

Breukherstel is afhankelijk van lokale en systemische moleculaire en cellulaire processen. Tijdens het herstel van de breuk worden mesenchymale stamcellen systemisch gerekruteerd naar de plaats van de breuk en worden cytokinen vrijgemaakt van de plaats van de breuk in het vasculaire systeem. Bij een significante minderheid van fracturen zijn vertragingen in de genezing het gevolg van ongunstige klinische factoren die deze processen verstoren. Extrinsieke factoren, zoals veroudering en roken, hebben een nadelige invloed op de moleculaire en cellulaire processen die lokaal op de plaats van de fractuur plaatsvinden. Fractuurfixatie beïnvloedt de genezing door lokale veranderingen in de biologische signalering binnen de fractuurcallus. De huidige biologische behandeling van fracturen omvat de lokale toepassing van osteo-inductieve botmorfogenetische eiwitten (dwz BMP-2, BMP-7) en celgebaseerde therapieën. Hoewel de klinische resultaten met botmorfogenetische eiwitten bevredigend waren, waren ze niet zo indrukwekkend als de resultaten die werden gerapporteerd in dierstudies. Verder begrip van de biologie van fractuurherstel kan leiden tot verbeterde behandelingsmodaliteiten.


Botmorfogenetische eiwitten bij breukherstel

Botbreuken vertegenwoordigen een significante medische morbiditeit onder de oudere bevolking met osteoporose. Er wordt gesuggereerd dat botmorfogenetische eiwitten (BMP's) therapeutisch potentieel hebben om de genezing van fracturen bij dergelijke patiënten te verbeteren. Hoewel BMP-gemedieerde fractuurgenezing goed gedocumenteerd is in preklinische modellen, is er geen klinisch onderzoek geweest dat ondubbelzinnig aantoonde dat een BMP inderdaad, indien gepresenteerd met een geschikte scaffold, de basis zou kunnen vormen voor een robuust resultaat voor vertraagde of niet-uniale diafysaire botbreuken. Deze beoordeling geeft een uitgebreid inzicht in de bestaande kennis over de rol van BMP-signalering bij botvorming en -onderhoud. Ook therapeutische opties op basis van BMP-biologie worden besproken. Een nieuwe osteo-inductieve autologe bottransplantaatvervanger (ABGS) die bedoeld is om botregeneratie te versnellen, werd ontwikkeld en wordt momenteel getest in de klinische setting. Het bestaat uit een biologisch compatibele autologe drager gemaakt van het perifere bloed van de patiënt (autoloog bloedcoagulum, ABC) en rhBMP6 als actief ingrediënt. Een dergelijke formulering omzeilt het gebruik van van dieren afgeleide materialen, beperkt ontstekingsprocessen die gebruikelijk zijn in commerciële botapparaten aanzienlijk en maakt de drager flexibel, kneedbaar en injecteerbaar, waardoor het gebruiksgemak wordt gegarandeerd. Het resultaat van de lopende klinische onderzoeken zal meer gedetailleerde inzichten verschaffen in de veiligheid, verdraagbaarheid, farmacokinetiek en botgenezende effecten bij mensen en mogelijk nieuwe en veilige therapeutische opties bieden voor botherstel.

trefwoorden: Bot Botbreuk Botmorfogenetische eiwitten Regeneratieve behandeling BMP6-bevattend osteogeen apparaat.


INDIRECTE BREUKGENEZING

Indirecte (secundaire) fractuurgenezing is de meest voorkomende vorm van fractuurgenezing en bestaat uit zowel endochondrale als intramembraneuze botgenezing. 17 Het vereist geen anatomische reductie of rigide stabiele omstandigheden. Integendeel, het wordt versterkt door microbeweging en gewichtsbelasting. Het is echter bekend dat te veel beweging en/of belasting resulteert in vertraagde genezing of zelfs niet-vereniging. 20 Indirecte botgenezing treedt meestal op bij niet-operatieve fractuurbehandeling en bij bepaalde operatieve behandelingen waarbij enige beweging optreedt op de fractuurplaats, zoals intramedullaire spijkers, externe fixatie of interne fixatie van gecompliceerde verpulverde fracturen. 35, 36

De acute ontstekingsreactie

Onmiddellijk na het trauma wordt een hematoom gegenereerd dat bestaat uit cellen van zowel perifeer als intramedullair bloed, evenals beenmergcellen. De verwonding initieert een ontstekingsreactie die nodig is om de genezing te laten vorderen. De respons zorgt ervoor dat het hematoom tussen en rond de breukuiteinden coaguleert en binnen de medulla een sjabloon vormt voor callusvorming. 18 Hoewel bekend is dat inflammatoire cytokines een negatief effect hebben op botten, gewrichten en geïmplanteerd materiaal wanneer langdurige of chronische expressie optreedt, is een korte en sterk gereguleerde secretie van pro-inflammatoire moleculen na de acute verwonding van cruciaal belang voor weefselregeneratie. 18 De acute ontstekingsreactie piekt binnen de eerste 24 uur en is na 7 dagen voltooid, hoewel pro-inflammatoire moleculen ook later in de regeneratie een belangrijke rol spelen, zoals verderop in dit artikel wordt beschreven. 12

De initiële pro-inflammatoire respons omvat de secretie van tumornecrosefactor-α (TNF-α), interleukine-1 (IL-1), IL-6, IL-11 en IL-18. 18 Deze factoren rekruteren ontstekingscellen en bevorderen angiogenese. 40 Het is aangetoond dat de TNF-α-concentratie een piek bereikt na 24 uur en terugkeert naar de uitgangswaarde binnen 72 uur na het trauma. 18 Gedurende dit tijdsbestek wordt TNF-α tot expressie gebracht door macrofagen en andere ontstekingscellen, en er wordt aangenomen dat het een effect medieert door secundaire ontstekingssignalen te induceren, en werkt als een chemotactisch middel om noodzakelijke cellen te rekruteren. 28 TNF-α is ook getoond in vitro om osteogene differentiatie van MSC's te induceren. 11 Deze effecten worden gemedieerd door activering van de twee receptoren TNFR1 en TNFR2 die tot expressie worden gebracht op zowel osteoblasten als osteoclasten. TNFR1 wordt echter altijd tot expressie gebracht in bot, terwijl TNFR2 alleen tot expressie wordt gebracht na een verwonding, wat wijst op een meer specifieke rol bij botregeneratie. 3, 28 Van de verschillende interleukinen wordt aangenomen dat IL-1 en IL-6 het belangrijkst zijn voor de genezing van fracturen. IL-1-expressie overlapt met die van TNF-α met een bifasische modus. Het wordt geproduceerd door macrofagen in de acute fase van ontsteking en induceert de productie van IL-6 in osteoblasten, bevordert de productie van de primaire kraakbeenachtige callus en bevordert ook angiogenese op de beschadigde plaats door een van zijn twee receptoren, IL-1RI of IL-1RII. 28, 29, 40 IL-6 daarentegen wordt alleen geproduceerd tijdens de acute fase en stimuleert de angiogenese, de productie van vasculaire endotheliale groeifactor (VEGF) en de differentiatie van osteoblasten en osteoclasten. 47

Werving van mesenchymale stamcellen (MSC)

Om bot te regenereren, moeten specifieke mesenchymale stamcellen (MSC's) worden gerekruteerd, prolifereren en differentiëren tot osteogene cellen. Waar deze cellen precies vandaan komen, is niet helemaal duidelijk. Hoewel de meeste gegevens aangeven dat deze MSC's zijn afgeleid van omringende zachte weefsels en beenmerg, tonen recente gegevens aan dat een systemische rekrutering van circulerende MSC's naar de gewonde plaats van groot belang kan zijn voor een optimale genezingsreactie. 19, 27 Welke moleculaire gebeurtenissen deze rekrutering bemiddelen, staat nog ter discussie. Er is al lang gesuggereerd dat BMP-2 een belangrijke rol speelt bij deze werving, maar gegevens van onze groep geven aan dat dit niet het geval is. 2 Inderdaad, BMP-2 is essentieel voor botherstel 43 maar andere BMP's zoals BMP-7 kunnen een belangrijkere rol spelen bij de rekrutering van voorlopercellen. 2

Huidige gegevens suggereren dat van stromale cellen afgeleide factor-1 (SDF-1) en zijn G-eiwit-gekoppelde receptor CXCR-4 een as (SDF-1/CXCR-4) vormen die een belangrijke regulator is van het werven en homing van specifieke MSC's naar de plaats van het trauma. 19, 27, 31 Deze rapporten laten zien dat SDF-1-expressie verhoogd is op de plaats van de breuk, en vooral in het periosteum aan de randen van de breuk. Ze tonen ook aan dat SDF-1 een specifieke rol speelt bij het rekruteren van CXCR-4 die MSC's tot expressie brengt op de gewonde plaats tijdens endochondrale fractuurgenezing. 27 Het belang van deze as is verder bevestigd omdat behandeling met een anti-SDF-1-antagonist of genetische manipulatie van SDF-1 en CXCR-4 de genezing van fracturen schaadt. Er is ook aangetoond dat getransplanteerde MSC's alleen thuiskomen op de plaats van de fractuur als ze CXCR-4 tot expressie brengen, terwijl CXCR-4-negatieve MSC's dit vermogen niet hebben. 19, 27 Verder tonen recente gegevens ook een belangrijke rol aan voor hypoxie-induceerbare factor-1α (HIF-1α) bij botherstel en de inductie van VEGF in het revascularisatieproces tonen aan dat hypoxische gradiënten MSC-progenitorcelhandel door HIF reguleren -1. 9, 44

Generatie van een kraakbeen en een periostale benige eelt

Hoewel indirecte fractuurgenezing bestaat uit zowel intramembraneuze als endochondrale ossificatie, is de vorming van een kraakbeenachtige callus die later mineralisatie en resorptie ondergaat en vervolgens wordt vervangen door bot het belangrijkste kenmerk van dit proces. Na de vorming van het primaire hematoom vormt zich een fibrinerijk granulatieweefsel. 37 Binnen dit weefsel vindt endochondrale vorming plaats tussen de breukuiteinden en buiten de periostale plaatsen. Deze gebieden zijn ook mechanisch minder stabiel en het kraakbeenweefsel vormt een zachte callus die de breuk een stabiele structuur geeft. 14 In diermodellen (rat, konijn, muis) vindt de piek van zachte callusvorming 7𠄹 dagen na trauma plaats met een piek in zowel type II procollageen als proteoglycaankerneiwit extracellulaire markers. 15 Tegelijkertijd treedt subperiostaal direct naast de distale en proximale uiteinden van de fractuur een intramembraneuze ossificatiereactie op, waardoor een harde callus ontstaat. Het is de laatste overbrugging van deze centrale harde callus die de breuk uiteindelijk een semi-rigide structuur geeft die gewichtsbelasting mogelijk maakt. 17

De vorming van deze callusweefsels is afhankelijk van de rekrutering van MSC's uit de omringende zachte weefsels, cortex, periosteum en beenmerg, evenals de systemische mobilisatie van stamcellen in het perifere bloed vanaf afgelegen hematopoëtische plaatsen. Eenmaal aangeworven, omvat een moleculaire cascade de productie van collageen-I en collageen-II-matrix en de deelname van verschillende peptide-signaleringsmoleculen. In dit proces is aangetoond dat de transformerende groeifactor-bèta (TGF-β) superfamilieleden van groot belang zijn. TGF-㬢, -㬣 en GDF-5 zijn betrokken bij chondrogenese en endochondrale ossificatie, terwijl is gesuggereerd dat BMP-5 en -6 celproliferatie induceren bij intramembraneuze ossificatie op periostale plaatsen. 12, 33 Bovendien is, zoals hierboven opgemerkt, aangetoond dat BMP-2 cruciaal is voor het initiëren van de helende cascade, aangezien muizen met inactiverende mutaties in BMP-2 geen callus kunnen vormen om hun fracturen met succes te genezen. 43 Of dit te wijten is aan effecten op de proliferatie en differentiatie van mesenchymale stamcellen of effecten op celmigratie staat nog ter discussie.

Revascularisatie en neoangiogenese op de fractuurplaats

Fractuurgenezing vereist een bloedtoevoer en revascularisatie is essentieel voor succesvol botherstel. 25 Bij endochondrale fractuurgenezing gaat het niet alleen om angiogene routes, maar ook om apoptose van chondrocyten en kraakbeenafbraak, aangezien de verwijdering van cellen en extracellulaire matrices nodig zijn om de ingroei van bloedvaten op de reparatieplaats mogelijk te maken. 1

Zodra dit structurele patroon is bereikt, wordt het vascularisatieproces voornamelijk gereguleerd door twee moleculaire routes, een angiopoëtine-afhankelijke route en een vasculaire endotheliale groeifactor (VEGF)-afhankelijke route. 42 De angiopoëtines, voornamelijk angiopoëtine-1 en 2, zijn vasculaire morfogenetische eiwitten. Hun expressie wordt vroeg in de genezingscascade geïnduceerd, wat suggereert dat ze een initiële vasculaire ingroei van bestaande bloedvaten in het periosteum bevorderen. 30 De VEGF-route wordt echter beschouwd als de belangrijkste regulator van vasculaire regeneratie. 25 Er is aangetoond dat zowel osteoblasten als hypertrofische chondrocyten hoge niveaus van VEGF tot expressie brengen, waardoor de invasie van bloedvaten wordt bevorderd en de avasculaire kraakbeenmatrix wordt getransformeerd in een gevasculariseerd botweefsel. 25 VEGF bevordert zowel vasculogenese, d.w.z. aggregatie en proliferatie van endotheliale mesenchymale stamcellen in een vasculaire plexus, en angiogenese, d.w.z. groei van nieuwe bloedvaten uit reeds bestaande. 24 Daarom speelt VEGF een cruciale rol in de neoangiogenese en revascularisatie op de plaats van de fractuur. Het belang ervan in deze processen wordt verder ondersteund door de waarnemingen dat toevoeging van overmatige VEGF de genezing van fracturen bevordert, terwijl blokkering van VEGF-receptoren vasculaire ingroei remt en het regeneratieve proces vertraagt ​​of verstoort. 1, 25 Verschillende andere factoren kunnen ook bij deze reacties betrokken zijn, met pro-angiogene effecten, zoals de synergetische interacties van de BMP's met VEGF en de rol van mechanische stimuli om angiogene activiteiten op een VEGFR2-afhankelijke manier te versterken. 1, 24

Mineralisatie en resorptie van het kraakbeenachtige eelt

Om botregeneratie te laten vorderen, moet de primaire zachte kraakbeenachtige callus worden geresorbeerd en vervangen door een harde benige callus. Deze stap van fractuurgenezing recapituleert tot op zekere hoogte de embryologische botontwikkeling met een combinatie van cellulaire proliferatie en differentiatie, toenemend cellulair volume en toenemende matrixafzetting. 7 Het verband tussen botregeneratie en botontwikkeling is verder versterkt door een recent begrip van de rol van de Wnt-familie van moleculen, die van groot belang is in de embryologie en waarvan is aangetoond dat ze een belangrijke rol speelt bij botgenezing. Men denkt dat de Wnt-familie de differentiatie van pluripotente MSC's in de osteoblastische lijn reguleert en, in latere stadia van ontwikkeling, de osteoblastische botvorming positief reguleert. 10

Naarmate chondrocyten van breukcallus zich vermenigvuldigen, worden ze hypertrofisch en wordt de extracellulaire matrix verkalkt. Een cascade die voornamelijk wordt georkestreerd door macrofaagkoloniestimulerende factor (M-CSF), receptoractivator van nucleaire factor kappa B-ligand (RANKL), osteoprotegerine (OPG) en TNF-α initieert de resorptie van dit gemineraliseerde kraakbeen. 4, 18 Tijdens dit proces wordt ook gedacht dat M-CSF, RANKL en OPG helpen bij het rekruteren van botcellen en osteoclasten om geweven bot te vormen. TNF-α bevordert verder de rekrutering van MSC met osteogeen potentieel, maar de belangrijkste rol ervan kan zijn om chondrocytapoptose te initiëren. 18 Het verkalkingsmechanisme omvat de rol van mitochondriën, die calciumbevattende korrels accumuleren die zijn gecreëerd in de hypoxische fractuuromgeving. Na uitwerking in het cytoplasma van fractuur callus chondrocyten, worden calciumkorrels getransporteerd naar de extracellulaire matrix waar ze neerslaan met fosfaat en initiële minerale afzettingen vormen. Deze afzettingen van calcium en fosfaat worden de nidus voor homogene kiemvorming en de vorming van apatietkristallen. 26 De piek van de harde callusvorming wordt meestal bereikt op dag 14 in diermodellen zoals gedefinieerd door histomorfometrie van gemineraliseerd weefsel, maar ook door de meting van extracellulaire matrixmarkers zoals type I procollageen, osteocalcine, alkalische fosfatase en osteonectine. 15 Naarmate de harde callusvorming vordert en het verkalkte kraakbeen wordt vervangen door geweven bot, wordt de callus steviger en mechanisch stijver. 17

Botremodellering

Hoewel de harde callus een stijve structuur is die biomechanische stabiliteit biedt, herstelt het de biomechanische eigenschappen van normaal bot niet volledig. Om dit te bereiken, initieert de fractuurgenezingscascade een tweede resorptieve fase, dit keer om de harde callus om te vormen tot een lamellaire botstructuur met een centrale medullaire holte. 18 Deze fase wordt biochemisch georkestreerd door IL-1 en TNF-α, die tijdens deze fase hoge expressieniveaus vertonen, in tegenstelling tot de meeste leden van de TGF-β-familie die tegen die tijd in expressie zijn afgenomen. 1, 34 Sommige BMP's, zoals BMP2, lijken echter ook bij deze fase betrokken te zijn met redelijk hoge expressieniveaus. 33

Het remodelleringsproces wordt uitgevoerd door een balans tussen harde callusresorptie door osteoclasten en afzetting van lamellair bot door osteoblasten. Hoewel het proces al na 3𠄴 weken wordt gestart in dier- en mensmodellen, kan het jaren duren voordat de hermodellering is voltooid om een ​​volledig geregenereerde botstructuur te bereiken. 45 Het proces kan sneller plaatsvinden bij dieren en jongere patiënten. Het is aangetoond dat botremodellering het resultaat is van de productie van elektrische polariteit die wordt gecreëerd wanneer druk wordt uitgeoefend in een kristallijne omgeving. 5 Dit wordt bereikt wanneer axiale belasting van lange botten optreedt, waarbij één elektropositief convex oppervlak en één elektronegatief concaaf oppervlak wordt gecreëerd, waardoor respectievelijk osteoclastische en osteoblastische activiteit worden geactiveerd. Door deze acties wordt de externe callus geleidelijk vervangen door een lamellaire botstructuur, terwijl de interne callus-remodellering een medullaire holte herstelt die kenmerkend is voor een diafysair bot. 5

Om botremodellering succesvol te laten zijn, is een adequate bloedtoevoer en een geleidelijke toename van de mechanische stabiliteit cruciaal. 8 Dit wordt duidelijk aangetoond in gevallen waarin geen van beide wordt bereikt, wat resulteert in de ontwikkeling van een atrofische fibreuze non-union. In gevallen waarin er echter sprake is van een goede vasculariteit maar onstabiele fixatie, vordert het genezingsproces om een ​​kraakbeenachtige callus te vormen, maar resulteert dit in een hypertrofische non-union of een pseudoartrose. 20


3. Interacties tussen ontstekingscellen en botcellen

Ontsteking is een cruciaal biologisch proces voor de uitroeiing van pathogenen en het handhaven van weefselhomeostase. Succesvolle klaring van ontstekingsstimuli gaat gepaard met ontstekingsremmende en herstellende cytokines om het ontstekingsmilieu op te lossen en de weefselhomeostase te herstellen [55]. Als deze progressie van gebeurtenissen echter scheef gaat vanwege het aanhouden van pro-inflammatoire stimuli, kan het proces evolueren naar een toestand van chronische ontsteking. Deze onopgeloste ontstekingsreactie wordt benadrukt door aanhoudende secretie van cytokinen en andere factoren, aanhoudende weefselvernietiging en verminderde homeostase. Botbeschadiging veroorzaakt een ontstekingsreactie die gunstig is voor genezing wanneer deze acuut en sterk gereguleerd is, maar als deze reactie wordt onderdrukt, ontregeld of chronisch wordt, kan ontsteking schadelijk zijn voor genezing [56�]. Immuuncellen, vooral macrofagen, zijn vitale modulatoren van ontsteking [8]. Decennia van onderzoek naar de interacties tussen het immuunsysteem en het skeletsysteem hebben geleid tot het ontstaan ​​van de term osteo-immunologie voor dit opkomende gebied [59]. De nauwe relatie tussen deze twee systemen wordt onderstreept door het feit dat beenmerg zowel hematopoëtische stamcellen (HSC's) als MSC's [60] huisvest. De eerste geven aanleiding tot immunomodulerende macrofagen en botresorberende osteoclasten en de laatste zijn voorlopers van botvormende osteoblasten, die essentieel zijn bij HSC-differentiatie [61]. Gemeenschappelijke cytokinen, receptoren, signaalmoleculen en transcriptiefactoren vanwege de gedeelde oorsprong maken dus een breed scala aan dynamische overspraak mogelijk tussen cellen van de monocyt-macrofaag-osteoclast- en MSC-osteoblast-lijnen [62].

3.1. Overzicht van ontstekingscellen

Aangezien de interacties van MSC's en botcellen met lymfocyten, natural killer-cellen en dendritische cellen uitvoerig zijn onderzocht [63�], zal deze review zich richten op de interacties tussen macrofagen en botcellen.

Macrofagen kunnen worden beschreven als residente of inflammatoire macrofagen [40]. Residente macrofagen worden gedurende het hele leven in de meeste weefsels aangetroffen, terwijl gerekruteerde inflammatoire macrofagen, afkomstig van circulerende bloedmonocyten, ontstekingsplaatsen infiltreren en van korte duur zijn [40, 67]. Macrofaagpopulaties zijn zeer heterogeen en plastisch [68], waardoor ze uitstekende kandidaten zijn voor immunomodulatie van weefselremodellering. Macrofagen kunnen verschillende fenotypen krijgen met pro-inflammatoire (M1) of anti-inflammatoire (M2) functies. Dit fenomeen staat bekend als macrofaagpolarisatie [10, 69]. Klassieke activering van macrofagen met interferon-gamma (IFN-γ) en/of lipopolysaccharide leidt tot M1 macrofaagpolarisatie. M1-macrofagen scheiden pro-inflammatoire cytokinen uit (tumor-necrosefactor-α (TNF-α), IL-1β, etc.) en chemokinen (CCL2, macrofaag inflammatoir eiwit 1α (MIP-1α ), enz.), wat resulteert in weefselbeschadiging met extra leukocytinfiltratie. Als alternatief worden macrofagen die zijn blootgesteld aan IL-4 of IL-13 gepolariseerd tot M2-macrofagen, gekenmerkt door verhoogde arginase-1 en ontstekingsremmende cytokine-expressie, waaronder IL-10 en IL-1-receptorantagonist (IL-1Ra). Bijproducten van weefselbeschadiging en celresten polariseren macrofagen tot een M2-achtig ontstekingsremmend fenotype [10]. M2- of M2-achtige macrofagen zijn in staat om de ontstekingsreactie te moduleren en te beëindigen en zijn cruciaal voor weefselremodellering en -herstel. Uitscheiding van VEGF en matrixmetalloproteïnase (MMP) door M2-macrofagen is essentieel voor angiogenese (vorming van nieuwe bloedvaten) en weefselremodellering tijdens het herstelproces [10]. Een recente studie door Spiller et al. rapporteerde echter dat de expressie van VEGF dominant is in M1- in plaats van M2-macrofagen [70]. Deze bevindingen suggereren dat de experimentele omstandigheden van cruciaal belang kunnen zijn om VEGF-expressie in gepolariseerde macrofagen te bepalen.

3.2. Overzicht van botcellen

Bot is een zeer dynamisch orgaan waarvan de structurele integriteit wordt behouden door nauwkeurige hermodellering waarbij osteoclasten, osteoblasten en osteocyten betrokken zijn. MSC's zijn pluripotente stromale cellen die aanvankelijk werden geïsoleerd uit beenmerg, maar ze kunnen ook worden gevonden in de meeste weefsels, waaronder hersenen, pancreas, spieren, milt en long [71]. Osteoblasten, gedifferentieerd van MSC's, scheiden de organische botmatrix uit en induceren mineralisatie [72]. Transcriptiefactoren runt-gerelateerde transcriptiefactor 2 (Runx2) en osterix (Osx) zijn nodig voor osteoblastdifferentiatie [73]. Tijdens de laatste fase van botremodellering ondergaan osteoblasten apoptose of nemen zichzelf op in de botmatrix als osteocyten tijdens alkalische fosfatase-gemedieerde calcificatie [62, 74]. Als regulatoren van het mineraalmetabolisme zijn osteocyten de primaire cellen die de activiteit van osteoblasten en osteoclasten coördineren als reactie op mechanische stimuli [75]. Osteoclasten van hematopoëtische oorsprong resorberen de botmatrix door zure ontkalking en proteolytische oplossing [76]. Osteoclastdifferentiatie wordt gemoduleerd door zowel macrofaag-koloniestimulerende factor (M-CSF) als receptoractivator van nucleaire factor-kappa B (RANK) ligand (RANKL). M-CSF is van cruciaal belang voor de proliferatie en overleving van osteoclastvoorlopercellen terwijl het een hoge expressie van RANK induceert [61]. Bij blootstelling aan RANKL fuseren deze voorlopercellen en ontwikkelen ze de functies van actieve osteoclasten [77].

3.3. RANKL/RANK/OPG

De nauwe relatie tussen het immuunsysteem en het skeletsysteem werd voor het eerst onderstreept door de ontdekking dat RANKL, dat de T-celgroei en dendritische celfunctie verbetert, en osteoclastdifferentiatiefactor (ODF) in feite één en hetzelfde molecuul zijn [78]. RANKL is een TNF-superfamilie celoppervlak cytokine dat normaal tot expressie wordt gebracht door osteoblasten en osteocyten en pathologisch door lymfocyten (Figuur 2) [60, 79, 80]. RANKL bindt aan RANK aanwezig op osteoclastprecursoren en dendritische cellen [78]. RANK-activering bevordert de overleving van osteoclasten en induceert rijping en activering via de intracellulaire TNF-receptor-geassocieerde factoren (TRAF) 2, 5 en 6, die signalen omzetten om het NF-㮫 en c-Jun N-terminale kinase (JNK) te activeren paden [59, 60, 81]. Het belangrijkste is dat RANKL-signalering de expressie induceert van nucleaire factor van geactiveerde T-cellen, cytoplasma 1 (NFATc1), de hoofdregulator van osteoclastdifferentiatie en -activering [60, 82]. Osteoprotegerine (OPG), een oplosbare lokreceptor geproduceerd door B-cellen, dendritische cellen, MSC's en osteoblasten, kan deze effecten blokkeren door competitieve binding met RANKL [77, 81]. De RANKL/OPG-ratio is dus een belangrijke determinant in osteoclastactiviteit [64]. Interessant is dat, hoewel osteoblasten worden beschouwd als de fysiologische bron van OPG in het skelet, is aangetoond dat RANKL-geïnduceerde osteoclastvoorlopers van NFATc1-deficiënte muizen OPG tot expressie brengen, wat de rol van NFATc1 in osteoclastogenese benadrukt [83].

Cellen van de monocyt-macrofaag-osteoclast- en MSC-osteoblast-lijnen moduleren elkaar. Blauwe lijnen/pijlen geven remming/bevordering van differentiatie aan. Rode lijnen/pijlen duiden op remming/bevordering van proliferatie. Groene pijlen duiden op bevordering van migratie. Afkortingen: MSC = mesenchymale stamcel, HSC = hematopoietische stamcel, Runx2 = runt-gerelateerde transcriptiefactor 2, Osx = osterix, OPG = osteoprotegerine, RANKL = receptoractivator van nucleaire factor κ-B ligand, M-CSF = macrofaag koloniestimulerende factor, IFN-γ = interferon-gamma, TNF-α = tumornecrosefactor α, IL = interleukine, TGF = transformerende groeifactor, VEGF = vasculaire endotheliale groeifactor, MCP-1 = monocyt chemoattractant eiwit -1, RANTES = gereguleerd bij activering, normale T uitgedrukt en uitgescheiden, en BMP = botmorfogenetisch eiwit.

Macrofagen kunnen door RANKL geïnduceerde osteoclastogenese reguleren. RANKL-expressie wordt gestimuleerd door osteoclastogene factoren, waaronder 1,25-dihydroxyvitamine D3, parathyroïdhormoon (PTH), prostaglandine E2 (PGE2) en pro-inflammatoire cytokinen TNF-α, IL-1 en IL-6 (Figuur 2) [61, 84]. IFN-γ, uitgescheiden door geactiveerde T-cellen en macrofagen, kan echter osteoclastogenese remmen door de daaropvolgende snelle afbraak van TRAF6 [79]. Dus, door de secretie van TNF-α, IL-1, IL-6 en IFN-γ, bevorderen of onderdrukken macrofagen osteoclastactiviteit [85].

3.4. Ontstekingscellen moduleren botcellen

Inwonende macrofagen, osteomacs genoemd, zijn aanwezig in murien en menselijk osteaal weefsel [86]. Bij botbeschadiging geven macrofagen verschillende cytokinen, chemokinen en groeifactoren vrij om extra ontstekingscellen te rekruteren, neovascularisatie te bevorderen, MSC-migratie en -differentiatie te sturen en hermodellering te bemiddelen [6, 87, 88]. Macrofagen stimuleren MSC-migratie door secretie van TNF-α, IL-1, IL-6, CCL2 en gereguleerd bij activering, normale T-cel tot expressie gebracht en uitgescheiden (RANTES) (Figuur 2) [42, 89]. In vitro remmen M1-macrofagen en hun mediatoren de menselijke levensvatbaarheid van MSC, terwijl M2-macrofagen en hun mediatoren het tegenovergestelde effect hebben [90].

Een groeiend aantal rapporten toont de anabole effecten van macrofagen op osteogenese aan. Monocyten en macrofagen ondersteunen osteoblastdifferentiatie en proliferatie door de afgifte van cytokinen, waaronder BMP-2, BMP-4 en TGF-㬡 (Figuur 2) [91�]. Studies naar uitputting van macrofagen hebben aangetoond dat macrofagen een centrale rol spelen bij normale botvorming en fractuurgenezing. Met betrekking tot botvorming bleek uit één studie dat osteomacs een bladerstructuur vormen over osteoblasten op diafysaire endosteale oppervlakken van jonge groeiende muizen, en uitputting van deze osteomacs in macrofaag-fas-geïnduceerde apoptose (maffia) transgene muizen onderdrukt dit osteoblastoppervlak volledig en dus botmodellering [ 86]. In een andere studie werden macrofagen in maffia-muizen constitutief uitgeput, wat resulteerde in vroege vertraging van de skeletgroei en verminderde MSC's en hun vermogen om te differentiëren tot osteoblasten [94]. In dezelfde studie resulteerde de uitputting van macrofagen in een tibiaal fractuurmodel in kleinere callusvorming, minder botafzetting en meer fibrotisch weefsel [94]. In a tibial injury model, depletion of osteomacs in Mafia mice at the time of injury significantly suppressed woven bone deposition and mineralization and depletion after the primary inflammatory healing phase significantly suppressed new bone formation [39]. M1 macrophages promote mineralization by MSCs and bone healing through the production of oncostatin M [95, 96]. M2-like macrophages, stimulated by β-tricalcium phosphate, also enhance mineralization by murine MSCs [97].

3.4.1. Inflammatory Signals Modulate Bone Cells

The controlled release of pro-inflammatory signals and factors, both spatially and temporally, are essential to optimal bone remodeling [57]. Typically, pro-inflammatory cytokines including TNF-α, IL-1, IL-6, IL-11, and IL-17 promote bone resorption by enhancing osteoclast differentiation and activity, and/or inhibiting osteoblast differentiation, function, collagen synthesis and bone formation [98�]. On the other hand, anti-inflammatory cytokines IL-10 and IL-13 demonstrate the opposite effect [60, 98].

The paradoxical effects of TNF-α on osteogenesis and bone formation highlight the importance of tightly regulated release of cytokines. Depending on its concentration, cell type, and exposure time, TNF-α can either suppress or promote osteogenesis [15]. Transient TNF-α signaling triggers the release of secondary signaling molecules and the recruitment of MSCs necessary for bone regeneration [57]. Furthermore, TNF-α, synergistically with IL-1β, promotes matrix mineralization by MSCs in vitro and is essential for murine bone regeneration in vivo [32, 33, 101]. Specifically, investigations by Gerstenfeld et al. using TNF-α receptor (p55 −/− /p75 −/− )-deficient mice demonstrated the central role of TNF-α in both intramembranous and endochondral bone formation, including MSC recruitment, stimulation of chondrocyte apoptosis, and recruitment of osteoclasts [32, 33]. However, high, persistent TNF-α levels systemically are damaging to tissues and can prompt rheumatoid arthritis-like symptoms such as chronic inflammation, reduced bone volume, and diminished bone mechanical strength [102].

The effects of IL-1 on bone healing are similar to those of TNF-α. IL-1 stimulates the production of IL-6 in osteoblasts and participates in fracture healing by promoting the production of the primary cartilaginous callus and angiogenesis at the injured site [42, 81]. However, the absence of IL-1 does not adversely affect fracture healing [103].

Controlled expression of IL-6, which promotes angiogenesis, production of growth factors such as VEGF, and differentiation of osteoblasts and osteoclasts, is critical for normal bone regeneration [6, 15, 34]. IL-6 is essential for the early stages of fracture healing the absence of IL-6 delays mineralization and remodeling of the fracture callus [34, 57]. On the other hand, aberrantly elevated serum IL-6 levels following bone fracture correlates with decreased lower extremity function in patients [104]. Additionally, osteoblasts obtained from patients with polyarticular juvenile idiopathic arthritis demonstrated reduced osteogenesis in vitro and the only abnormally upregulated serum cytokine was IL-6 [105].

Macrophage-derived cytokines and chemokines can also modulate osteoclast activity. TNF-α and IL-1 synergistically promote osteoclastogenesis directly and indirectly through the stimulation of RANKL expression and downregulation of OPG in osteoblasts and fibroblasts ( Figure 2 ) [106�]. TNF-α attracts osteoclasts by inducing osteocyte apoptosis [109]. IL-6, though not essential, mediates osteoclastogenesis and is involved in clinical scenarios such as Paget’s disease of bone and rheumatoid arthritis [81, 110].

While inflammatory cells are the primary source of inflammatory signals during the initial phase of bone healing [29], native bone cells such as osteoblasts and chondrocytes are responsible for the release of inflammatory cytokines within 3𠄷 days of injury [42]. IL-6, for example, is produced by MSCs and osteoblasts, in response to IL-1 and TNF-α [57, 111]. The production of pro-inflammatory cytokines by bone cells may explain why bone healing is not always impaired in the absence of inflammatory cells. While macrophages play a central role in bone repair, in vivo studies report that not all inflammatory cells are necessary for all forms of tissue repair and their absence may even accelerate it. This may depend on the type of inflammatory cell or type of tissue. For example, systemically neutropenic rats via antineutrophil sheep serum injection showed enhanced fracture repair compared with rats injected with normal sheep serum [112]. Recombination activating gene 1 knockout (RAG1 −/− ) mice, which lack T and B cells, demonstrated accelerated mineralization and remodeling while showing reduced inflammatory TNF-α expression and upregulated anti-inflammatory IL-10 expression in a femoral fracture model [113]. Additionally, PU.1 null mice, which lack macrophages and neutrophils, are able to repair skin wounds similar to wild-type mice [114].

3.5. Bone Cells Modulate Inflammatory Cells

Due in part to their close proximity, bone cells are components of the HSC niche and participate in the regulation of immune cells. MSCs provide stromal support tissue [115]. Osteoblasts regulate HSC maintenance through angiopoietin-1 signaling [116]. Studies have reported that when activated by PTH, an osteoblast subpopulation can increase the number of HSCs in bone marrow through the production of hematopoietic growth factors such as Notch ligand jagged 1 ( Figure 2 ) [117]. Previously, it had been suggested that under stress stimuli, RANKL-activated osteoclasts promote migration of HSCs [118]. However, more recently another study demonstrated that osteoclasts are dispensable for HSC migration using osteoclast-depleted mice via recombinant OPG-fc injections [119]. Further discussion on whether osteoclasts promote HSC mobilization has been provided by Charles and Aliprantis [120].

MSCs have been demonstrated to be highly immunosuppressive. They suppress lymphocyte proliferation and regulate dendritic cell differentiation [121]. MSCs prevent the rejection of transplanted bone marrow, HSCs, and skin allografts [122]. Recent in vitro and in vivo studies reported that MSCs shift macrophage populations from M1 to M2-like phenotype and decrease pro-inflammatory cytokine secretion [115, 121, 123, 124], mediated by PGE2 and TNF-α stimulated gene/protein 6 (TSG-6) [66, 125].

3.6. Samenvatting

The immune and skeletal systems are intimately related due to shared lineages and microenvironments. As more studies demonstrate the anabolic role of macrophages in bone formation and healing, understanding the cross talk between cells of the monocyte-macrophage-osteoclast and MSC-osteoblast lineages is increasingly relevant. While it is known that tightly regulated release of inflammatory cytokines is necessary for optimal bone remodeling, the role of macrophage subtypes and their associated factors in bone healing has not been elucidated. Further understanding of the interactions among inflammatory and bone cells will provide new strategies of harnessing immunomodulation to stimulate bone regeneration.


Fractures: Bone Repair

EEN fracture is a broken bone. It will heal whether or not a physician resets it in its anatomical position. If the bone is not reset correctly, the healing process will keep the bone in its deformed position.

When a broken bone is manipulated and set into its natural position without surgery, the procedure is called a closed reduction. Open reduction requires surgery to expose the fracture and reset the bone. While some fractures can be minor, others are quite severe and result in grave complications. For example, a fractured diaphysis of the femur has the potential to release fat globules into the bloodstream. These can become lodged in the capillary beds of the lungs, leading to respiratory distress and if not treated quickly, death.

Types of Fractures

Fractures are classified by their complexity, location, and other features ([link]). [link] outlines common types of fractures. Some fractures may be described using more than one term because it may have the features of more than one type (e.g., an open transverse fracture).

Types of Fractures
Type of fracture Beschrijving
Transverse Occurs straight across the long axis of the bone
Oblique Occurs at an angle that is not 90 degrees
Spiraal Bone segments are pulled apart as a result of a twisting motion
Comminuted Several breaks result in many small pieces between two large segments
Impacted One fragment is driven into the other, usually as a result of compression
Greenstick A partial fracture in which only one side of the bone is broken
Open (or compound) A fracture in which at least one end of the broken bone tears through the skin carries a high risk of infection
Closed (or simple) A fracture in which the skin remains intact

Bone Repair

When a bone breaks, blood flows from any vessel torn by the fracture. These vessels could be in the periosteum, osteons, and/or medullary cavity. The blood begins to clot, and about six to eight hours after the fracture, the clotting blood has formed a fracture hematoma ([link]een). The disruption of blood flow to the bone results in the death of bone cells around the fracture.

Within about 48 hours after the fracture, chondrocytes from the endosteum have created an internal callus (plural = calli) by secreting a fibrocartilaginous matrix between the two ends of the broken bone, while the periosteal chondrocytes and osteoblasts create an external callus of hyaline cartilage and bone, respectively, around the outside of the break ([link]B). This stabilizes the fracture.

Over the next several weeks, osteoclasts resorb the dead bone osteogenic cells become active, divide, and differentiate into osteoblasts. The cartilage in the calli is replaced by trabecular bone via endochondral ossification ([link]C).

Eventually, the internal and external calli unite, compact bone replaces spongy bone at the outer margins of the fracture, and healing is complete. A slight swelling may remain on the outer surface of the bone, but quite often, that region undergoes remodeling ([link]NS), and no external evidence of the fracture remains.

Visit this website to review different types of fractures and then take a short self-assessment quiz.

Hoofdstukoverzicht

Fractured bones may be repaired by closed reduction or open reduction. Fractures are classified by their complexity, location, and other features. Common types of fractures are transverse, oblique, spiral, comminuted, impacted, greenstick, open (or compound), and closed (or simple). Healing of fractures begins with the formation of a hematoma, followed by internal and external calli. Osteoclasts resorb dead bone, while osteoblasts create new bone that replaces the cartilage in the calli. The calli eventually unite, remodeling occurs, and healing is complete.

Beoordelingsvragen

A fracture can be both ________.

  1. open and closed
  2. open and transverse
  3. transverse and greenstick
  4. greenstick and comminuted

How can a fractured diaphysis release fat globules into the bloodstream?

  1. The bone pierces fat stores in the skin.
  2. The yellow marrow in the diaphysis is exposed and damaged.
  3. The injury triggers the body to release fat from healthy bones.
  4. The red marrow in the fractured bone releases fat to heal the fracture.

In a compound fracture, ________.

  1. the break occurs at an angle to the bone
  2. the broken bone does not tear the skin
  3. one fragment of broken bone is compressed into the other
  4. broken bone pierces the skin

The internal and external calli are replaced by ________.

The first type of bone to form during fracture repair is ________ bone.

Vragen over kritisch denken

What is the difference between closed reduction and open reduction? In what type of fracture would closed reduction most likely occur? In what type of fracture would open reduction most likely occur?

In closed reduction, the broken ends of a fractured bone can be reset without surgery. Open reduction requires surgery to return the broken ends of the bone to their correct anatomical position. A partial fracture would likely require closed reduction. A compound fracture would require open reduction.

In terms of origin and composition, what are the differences between an internal callus and an external callus?

The internal callus is produced by cells in the endosteum and is composed of a fibrocartilaginous matrix. The external callus is produced by cells in the periosteum and consists of hyaline cartilage and bone.

Woordenlijst


Bone Regeneration and Repair

With their rapid evolution, both the development of recombinant proteins and the application of gene therapy techniques promise to revolutionize the treatment of bone and cartilage repair. In Bone Regeneration and Repair: Biology and Clinical Applications, a panel of leading orthopedic and craniofacial surgeons and researchers comprehensively reviews the biology of bone formation and repair, the basic science of autologous bone graft, allograft, bone substitutes, and growth factors, and explores their clinical application in patients with bone repair problems.
Authoritative and state-of-the-art, Bone Regeneration and Repair: Biology and Clinical Applications will not only stimulate investigators to pursue a deeper understanding of how best to harness the body's inherent regenerative capability, but also greatly enhance the day-to-day care of patients.

". Drs. Lieberman and Friedlaender have done an excellent job constructing and organizing the chapters so that all of the key topics such as the biology of bone grafts, bone graft substitutes, gene therapy, and the application of bone grafts in a variety of clinical settings are presented." -Journal of Bone & Joint Surgery

". anyone who is actively engaged in basic or clinical research on topics related to bone regerenation and repair would be well served to have a copy." -Journal of Bone & Joint Surgery

"This book written by US experts provides current knowledge on the biology of bone formation and repair. … It is of interest to scientists in the field of bone physio-pathology, orthopedic surgeons and those working with musculo-skeletal system such as physiotherapists, sport physicians, as well as pediatricians seeing patients with bone anomalies." (Pediatric Endocrinology Reviews, Vol. 3 (1), 2005)


Aging and the Integumentary System

All systems in the body accumulate subtle and some not-so-subtle changes as a person ages. Among these changes are reductions in cell division, metabolic activity, blood circulation, hormonal levels, and muscle strength (Figure 5.3.3). In the skin, these changes are reflected in decreased mitosis in the stratum basale, leading to a thinner epidermis. The dermis, which is responsible for the elasticity and resilience of the skin, exhibits a reduced ability to regenerate, which leads to slower wound healing. The hypodermis, with its fat stores, loses structure due to the reduction and redistribution of fat, which in turn contributes to the thinning and sagging of skin.

Figure 5.3.3Aging: Generally, skin, especially on the face and hands, starts to display the first noticeable signs of aging, as it loses its elasticity over time. (credit: Janet Ramsden)

The accessory structures also have lowered activity, generating thinner hair and nails, and reduced amounts of sebum and sweat. A reduced sweating ability can cause some elderly to be intolerant to extreme heat. Other cells in the skin, such as melanocytes and dendritic cells, also become less active, leading to a paler skin tone and lowered immunity. Wrinkling of the skin occurs due to breakdown of its structure, which results from decreased collagen and elastin production in the dermis, weakening of muscles lying under the skin, and the inability of the skin to retain adequate moisture.

Many anti-aging products can be found in stores today. In general, these products try to rehydrate the skin and thereby fill out the wrinkles, and some stimulate skin growth using hormones and growth factors. Additionally, invasive techniques include collagen injections to plump the tissue and injections of BOTOX ® (the name brand of the botulinum neurotoxin) that paralyze the muscles that crease the skin and cause wrinkling.


5.3: Fractures- Bone Repair - Biology

GHK-Cu was tested for healing of bone tissue

Growth of bone chondrocytes

The effect of GHK-Cu on the stimulation of new bone production in guinea pigs was studied.The authors prepared 7.5% and 12.5% collagen gels, supplemented with the tripeptide GHK-Cu, perfloxacine and hypersulphated glycosaminoglycan (HSGAG).

Acta Chir Orthop Traumatol Cech. 199562(2):76-85. [The role of collagen implants containing the tripeptide gly-his-lys in bone healing process.]. [Article in Czech] Adam M1, Cech O, Pohunková H, Stehlík J, Klézl Z.

The authors prepared 12,5% collagen gel, that they supplemented by tripeptide gly-his-lys. peflacin and hypersulfated glycosaminoglycan (HSGAG). By means of I125 marking they followed up its absorption from small polyurethan sponges placed under the skin of rats. They found out, that absorption of gel without HSGAG is faster. No collagen antibodies (type I., II., III.) against the gel were formed neither in the experiment with rabbits, nor later on with minipigs when gel was placed into bone defects. Further on presence of microorganisms in the gel was looked for with negative results on various bacteriological nutrient media. The gel was used in a model experiment for filling artifically created bone defects in femurs of minipigs. Healing was followed up both histologically and with help of RTG and NMR and compared with healing of defects either unfilled, or filled with gel containing peflacin and HSGAG, but not tripeptide. The authors found out that slowest healing was in case of unfilled defects, on the other hand defects filled with collagen gel and GHK were healing substantially faster than defects filled with gel without GHK, i.e. healing needs approximately half the time less.

Acta Chir Orthop Traumatol Cech. 199562(6):336-42. [The effect of collagenous gel on endoprosthesis anchoring.]. [Article in Czech] Adam M1, Pohunková H, Cech O, Váchal J.

Collagen supplemented with tripeptide (gly-his-lys) was tested for implantation of cervicocapital endoprostheses of the hip in adult minipigs. In anaesthesia bone marrow cavity was filled up with the collagenous gel and then one of the two endoprosthesis types, produced by BMT Poldi Kladno was implanted. The experimental animals were killed eight, nine and ten weeks after operation. The femors were removed and roentgenologically and histologically examined. When bone marrow cavity was filled up with collagenous gel, anchoring of endoprosthesis with newly formed tissue was accelerated in comparison with those without gel. In the presence of fatty bone marrow residues healing process was disturbed. It cannot be excluded that this fact might have an effect on long term effective endoprosthesis anchoring.

Acta Chir Orthop Traumatol Cech. 199764(4):207-11. [Use of Bioimplants to Replace Cartilage Part II: Application of Implants in Animal Experiments.]. [Article in Czech] Adam M1, Pohunková H, Klézl Z, Pesáková V, Cech O.

The published paper pertains to a group of fullgrown minipigs where under anaesthesia with Narcamone after premedication with Rometar cartilage samples from the medial condyle of the femur in the area of the femoropatellar joint were taken. The collected cartilage samples served subsequently for the preparation of an autologous implant. After its preparation another operation was performed where by means of a bioptic trocar (diameter 3.5 mm) a cylindershaped defect was produced into which the implant was introduced. The animals were killed 8-12 weeks after the operation and part of the joint with the implant was subjected to further examination. The authors investigated three types of implants: 1. an implant based on three-dimensional cultivation of chondrocytes in a cultivation medium enriched with cartilaginous collagen and aggregan, 2. as sub 1 but the cultivation medium was enriched with the GHK tripeptide, 3. chondrocytes in the implant are added to gel prepared from cartilaginous collagens and aggregan. All three types of implants had a stimulating effect on the new formation of hyaline cartilage. When the tripeptide GHK is used, the newly formed tissue contains more cells. Simplest is the preparation of the third implant. Also the peroperative procedure is simplest. Key words: chondrocytes, cartilaginous collagens, cartilaginous implant, tripeptide gly-his-lys, aggregan, minipigs.

GHK-Cu stimulates bone healing in animals and the functions of bone repair cells in culture. The development of GHK-Cu for clinical use is being conducted under the direction of Prof. Milan Adam (University of Prague, Photograph - on the left).

This paper uses a mixture of 3 peptides, at relatively low dosages, to heal bone fractures.

The people at the University of Kursk have found an improved method in the use of GHK. They used Gly-His-Lys (0.5 μg/kg), dalargin (1.2 μg/kg) (an opioid-like synthetic drug) and and biological peptide thymogen (0.5 μg/kg) (dipeptide,L-glutamyl-L-tryptophan) to heal bones. The total peptide dosage is about 2 micrograms per KG or about 140 micrograms in a human.

Synergetic antioxidant and reparative action of thymogen, dalargin and peptide Gly-His-Lys in tubular bone fractures. Cherdakov V.Yu., Smakhtin M.Yu., Dubrovin G.M., Dudka V.T., Bobyntsev I.I. , Experimental Biology and Medicine, No.4. 2010 (In Russian)

Biochemical Department, Traumatology, Orthopedics & Military Surgery Department, Pathanatomy Department, Pathophysiology Department of the Kursk State Medical University, Kursk

It has been established, that in case of experimental rat bone fractures the intraperitoneally injections of peptides in equimolar doses – Gly-His-Lys (0.5 μg/kg), dalargin (1.2 μg/kg) and thymogen (0.5 μg/kg) during 10 days result in their antioxidant actions testified by the decrease of malonic dialdehyde concentration and increase of catalase activity in blood. The effect of thymogen on the level of malonic dialdehyde was more expressed in comparison with Gly-His-Lys action. The peptides had synergetic and reparative action because in case of twin combined injections of these substances the essential amplification of antioxidant (catalase activity) and reparative effects was observed in comparison with individual injections of peptides. The more expressed reparative changes were found in the group of rats with peptide combined injection Gly-His-Lys + dalargin testifyed by histological and X-ray investigations. In animals of this group the line of bone fracture was not observed after 10 days practically. The synergetic action of peptides Gly-His-Lys, thymogen and dalargin may be used for stimulation of reparative osteogenesis.


Vitamin C for Bone Healing

An April 2018 study published in Current Drug Targets reviewed research on vitamin C in humans and animals. The researchers found that both animals and humans had greater bone mineral density when they supplemented with this nutrient. They found that correcting a vitamin C deficiency produced the best results.

Increasing bone mineral density not only helps the bone grow stronger, it means you can heal faster. At the end of the paper, however, the researchers conclude that there should be more studies on the effect of vitamin C on bone health, so the jury is still out.

The RDA of vitamin C for adult men is 90 milligrams per day. For women, it's 75 milligrams per day. If you smoke, you should have 35 milligrams more per day than the RDA.

You can get vitamin C from citrus fruits and vegetables like peppers, broccoli and Brussels sprouts. If you don't get enough fruits and vegetables in your diet, you can take vitamin C supplements for bone healing.


Bekijk de video: K-M Int Alg (December 2021).