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Zielsetzung und Fragestellung: Die Frakturheilung verläuft in drei überlappenden Phasen: Inflammation, Regeneration und Remodelling. Die inflammatorische Phase gilt als essenziell für die Heilung. Jedoch sind die molekularen Kopplungsfaktoren zwischen der inflammatorischen und regenerativen Phase weitgehend unbekannt. Dabei ist es entscheidend, solche möglichen Targets zu identifizieren, um Frakturheilungsstörungen frühzeitig behandeln zu können. Das Ziel der vorliegenden Studie war, neue molekulare Kopplungsfaktoren zu identifizieren und deren Effekt auf Knochenzellen in vitro zu charakterisieren.

Material und Methoden: Diese prospektive, klinisch-experimentelle Beobachtungsstudie wurde durch die zuständige Ethik-Kommission genehmigt (No. 219/18). 15 Hämatome aus dem Frakturspalt von Frakturen des oberen Sprunggelenks wurden mittels 45plex-Zytokin-Array untersucht. Die Zytokinkonzentrationen wurden mit dem Schmerz der Patient/innen (ermittelt mittels SF36-Fragebogen 3, 6, 9, 12 Monate postoperativ) korreliert. Nach Zentrifugation wurde der Überstand der Hämatome zur siebentägigen in-vitro Stimulation humaner mesenchymaler Stammzellen (hMSCs) verwendet und die Genexpression mit den Zytokinkonzentrationen im Hämatom korreliert. Anschließend wurde rekombinantes IL-18 (100 ng/ml) in-vitro zur Stimulation von MC3T3-Zellen (Osteoblastenvorläufer), RAW264.7-Zellen (Osteoklastenvorläufer) und hMSCs während der Differenzierung eingesetzt. Es wurde zudem eine Kurzzeitstimulation (24 h) von hMSCs per RNA-Sequenzierung ausgewertet. Statistische Analysen erfolgten mittels Spearman-Korrelation und ANOVA. Als signifikant wurden Ergebnisse mit p<0.05 gewertet.

Ergebnisse: Neben anderen Zytokinen (u.a. PDGF-BB und IL-1beta), korrelierte IL-18 signifikant negativ mit dem Schmerz der Patienten nach drei Monaten (Abbildung 1 [Abb. 1]). Bei der Stimulation von hMSCs mit dem Hämatom-Überstand korrelierte die Genexpression von Runx2, Bmp2, Tgfb1 und Vegfa positiv mit der IL-18-Konzentration im Hämatom. IL-18 beeinflusste jedoch weder die osteogene Differenzierung von Osteoblasten/hMSCs noch die Differenzierung von Osteoklasten. Ein 24-stündiges „Priming“ von hMSCs mit IL-18 zeigte in der RNA-Sequenzierung jedoch eine signifikante Hochregulation pro-regenerativer Gene (exemplarische Gene in Tabelle 1 [Tab. 1]).

Diskussion und Schlussfolgerung: Neben weiteren Zytokinen (u.a. PDGF-BB) wies IL-18 eine signifikante Korrelation mit 1) dem Schmerz als Outcome-Parameter der Frakturheilung in Patienten und 2) der Hochregulation von pro-regenerativen Genen in hMSCs auf. Weitere Untersuchungen zeigten, dass eine Langzeit-Stimulation mit IL-18 die Differenzierung heilungsrelevanter Zelltypen nicht beeinflusst, sondern eher durch das kurzzeitige Priming von MSCs in Richtung eines pro-regenerativen Phänotyps wirkt. Somit könnte IL-18 als molekularer Kopplungsfaktor zwischen der inflammatorischen und regenerativen Phase der Frakturheilung fungieren, was in weiteren Experimenten untersucht werden muss.