Mechanobiology of healing and regeneration of bone [Elektronische Ressource] / von Andreas Christian Vetter

Vetter, Andreas Christian

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• Physik

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 69
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

Mechanobiology of Healing and
Regeneration of Bone

Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) im Fach Physik
eingereicht an der

Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
der Humboldt-Universität zu Berlin
von

Diplom Ingenieur Andreas Christian Vetter
geboren am 29.08.1980 in Lauf a.d. Pegnitz

Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Dr. h.c. Christoph Markschies

Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Lutz-Helmut Schön
Gutachter: 1. Herr Prof. Dr. Peter Fratzl
2. Herr Prof. Dr. Georg Duda
3. Herr Prof. Dr. Igor Sokolov

eingereicht am: 9. April 2010
Tag der mündlichen Prüfung: 14. Juni 2010
































Um ein tadelloses Mitglied einer Schafherde sein zu können, muss
man vor allem ein Schaf sein.
(A. Einstein)
ii
Zusammenfassung
Knochen ist ein multifunktionales Organ und zugleich ein biologisches Material. In
dieser Arbeit wird der Heilungsverlauf eines Knochenbruchs (als biologisches
Material) näher untersucht mit Hilfe von Computermodellen. Im menschlichen Körper
kommt es nach einem Bruch zu einer vollständigen Regeneration des Knochens,
ohne dass eine Narbe nach der Heilung zurückbleibt. In grob 10% der Frakturen
kommt es jedoch zu Komplikationen bis zu einem Nicht-Heilen des Bruches. Das Ziel
von intensiver interdisziplinärer Forschung ist es daher, nicht nur die medikamentöse
Behandlung solcher Komplikationen zu verbessern, sondern auch durch externe,
biophysikalische Stimulation die Heilung anzuregen. Gewöhnlich heilt ein
Knochenbruch nicht direkt (Primäre Knochenheilung), das heißt durch Bildung von
neuem Knochen im Knochenspalt, sondern über Sekundäre Knochenheilung.
Während der sekundären Heilung bildet sich vorübergehend zusätzliches Gewebe
außerhalb des Frakturspaltes, der so genannte Kallus, der die Aufgabe hat, den
Bruch zu stabilisieren. Im Kallus werden im Laufe der Heilung verschiedene
Gewebearten gebildet (z.B. Bindegewebe, Knorpel und Knochen). Die Gewebe
werden von spezialisierten biologischen Zellen gebildet. Die spezialisierten Zellen
entwickeln sich aus mesenchymalen Stammzellen (d.h. sie differenzieren), die in den
Kallus wandern.

Die Zelldifferenzierung kann durch biophysikalische Stimulation beeinflusst werden.
Hauptziel dieser Arbeit war die Untersuchung, wie sich lokale Stimulation und das
daraus resultierende Zellverhalten auf den Verlauf der Heilung auswirkt. Dabei wurde
ein einfaches Computermodell implementiert, das das Verhalten der Zellverbände in
Folge mechanischer Stimulation und die anschließende Bildung des entsprechenden
Gewebes im Kallus beschreibt. Die simulierte Abfolge der Gewebemuster wurde mit
experimentell gewonnenen Histologiebildern verglichen. Im Vergleich zu bisherigen
Computersimulationen hat sich die Modellentwicklung an physikalischen Vorbildern
orientiert, um das Modell mit einer geringen Anzahl von Parametern einfach zu
gestalten. Speziell wurde Wert darauf gelegt, neueste Materialdaten in das
Computermodell zu übernehmen, und die Simulationsergebnisse direkt mit
Ergebnissen von Tierexperimenten zu vergleichen.

Im ersten Teil der Arbeit werden die histologischen Schnitte eines vorhergegangenen
Tierexperimentes quantifiziert. In diesem Tierexperiment wurde 64 Schafen durch
einen chirurgischen Eingriff die Tibia waagerecht durchsägt und ein 3 mm breiter
Spalt (Osteotomie) im Knochen erzeugt. Histologischen Schnitte wurden zu
unterschiedlichen Zeiten während des Heilungsverlaufs gewonnen. Anhand dieser
histologischen Schnitte und einer neuartigen Mittelungsmethode war es nun erstmals
iii
möglich, einen „Norm“-Heilungsverlauf zu berechnen, der die Knochenheilung in
Schafen mit einer Abfolge von 6 Bildern beschreibt, die die Anordnung der
unterschiedlichen Gewebe zeigen.

Im zweiten Teil der Arbeit wurden diese Bilder und neue experimentelle Daten der
mechanischen Eigenschaften des neu gebildeten Knochens benutzt, um Finite
Element (FE) Modelle der 6 Heilungsphasen zu erstellen. Die Rechnungen zeigten,
dass die Berücksichtigung der mechanischen Heterogenität des Knochens die lokalen
Deformationen beeinflusst und daher für den Heilungsverlauf von Bedeutung ist.

Im dritten Teil der Arbeit wurden die Simulation der Knochenheilung und der
Vergleich mit den experimentell gewonnenen Bildern durchgeführt. Im Bestreben das
Modell einfach zu halten, wurden beispielsweise biologische Einflussfaktoren zu
einem “biologischen Potential” zusammengefasst, welches das lokale Potential zur
Heilung beschreibt. In Parameterstudien wurden die wichtigsten
Regulationsparameter des Modells, die Aktivierungswerte für Knorpel- und
Knochenbildung, studiert. Die Neubildung des Knochens konnte mit diesem einfachen
Modell für eine breite Wahl von Parametern simuliert werden. Die Überbrückung des
Frakturspaltes durch Knorpel zu simulieren erwies sich als wesentlich
herausfordernder. Hier zeigte sich, dass eine starke biologische Stimulierung über
das Periost (äußere Knochenhaut) entscheidend ist.

Der vierte Teil abstrahiert die Problemstellung und untersucht, motiviert von der
Knochenheilung, das Verhalten eines selbst-heilenden Materials. Biologischen Zellen
werden in dem Modell durch dynamische Sensoren ersetzt, die auf Stimulation mit
einer Änderung der Materialeigenschaften reagieren. Untersucht wurde die
Fragestellung, wie solche Sensoren auf physikalische Stimulation reagieren müssen,
damit ein indirekter Weg der Heilung über eine äußere Überbrückung einer Fraktur
erfolgt. Das Modell zeigte, dass eine Koppelung zwischen der Sensoraktivität und den
lokalen Materialeigenschaften elementar für eine solche indirekte Heilung ist.

Die Arbeit zeigte das Potential mechanobiologischer Modelle für das Verständnis der
Knochenheilung, wenn die gewonnenen Ergebnisse direkt mit quantitativen,
experimentellen Daten verglichen werden. Besser fundierte mechanobiologische
Theorien der Knochenheilung sind aber ihrerseits wiederum Grundlage für ein
gezielteres Eingreifen bei problematischen Heilungsverläufen.


Schlagwörter: Knochenheilung, Simulation, Gewebemuster, Mechanobiologie
iv
Abstract
Bone is a multifunctional organ, a biological material and is able to fully restore bone
fractures without leaving a scar. However, in about 10% of the bone fractures,
healing does not lead to a successful reunion of the broken bone ends. Intensive
interdisciplinary research therefore looks for new ways to promote healing not only
by medication, but also by external biophysical stimulation. Usually, bone fractures
do not heal by a direct bridging of the fracture gap with newly formed bone (primary
bone healing). Instead, secondary bone healing proceeds indirectly via the formation
of an external callus (additional tissue). Within the callus, intricate tissue type
patterns are formed, which evolve during the healing progression. Stem cells
differentiate into specialized cells, which lay down different tissues such as fibrous
tissue, cartilage and bone. This cell differentiation can be biophysically stimulated,
e.g. by mechanical deformation of the cytoskeleton. The main aim of this thesis was
to connect the microscopic cell response to mechanical stimulation with the
macroscopic healing progression. Simple rules for cell behaviour were implemented
in a computer model, the progression of healing was simulated and the outcome of
the simulations was compared to results from animal experiments. In comparison to
existing simulations of bone healing, this study approached the problem from a more
physical viewpoint and linked experimental in vivo data and computer modelling.

The first part of this work was to calculate an averaged healing progression (in terms
of a succession of images) as such data has not been available so far. A novel
averaging procedure was implemented and applied to the data of a previous animal
study comprising 64 sheep with a 3 mm osteotomy (surgical cut through the bone)
at the tibia. Six distinct healing stages could be defined according to topological
criteria of the observed tissue patterns. Based on this classification, an averaged
image showing the spatial arrangement of the different tissues was obtained for each
healing stage.

These images and experimental data of the time-evolving stiffness of the hard callus
(newly formed bone) were used to calculate the local deformations within the callus
at the six healing stages. The hard callus was modelled as a heterogeneous, porous
material. It was found that the heterogeneity of the hard callus influenced strongly
the local deformations. In particular, the results suggest that the hard ca