Seit über 100 Jahren ist der signifikante Einfluss mechanischer Belastungen auf den Knochen bekannt. In neuerer Zeit wurden verstärkt die zellulären und molekularen Hintergründe der Mechanobiologie des Knochenmetabolismus untersucht. Vor allem experimentelle Arbeiten konnten die Beteiligungen komplexer zellulärer Signaltransduktionswege wie dem Wnt/beta-Catenin-, dem Bone-morphogenetic-protein(BMP)- oder dem Östrogenrezeptor-Signalweg ebenso wie den Einfluss der Alterung nachweisen. Der Prozess der Frakturheilung unterliegt ebenfalls biomechanischen und biologischen Einflüssen. Dieser Review skizziert Erkenntnisse zum Einfluss mechanischer Reize auf den Knochenmetabolismus und die Frakturheilung und zeigt die mögliche Bedeutung der Modulierung der Signalwege der Mechanotransduktion für die Frakturbehandlung auf.

Mechanobiologie und Knochenstoffwechsel

Bereits 1892 postulierte der Anatom und Chirurg Julius Wolff [75], dass sich die Knochenarchitektur körperlichen Belastungen anpasst. Er erkannte den Zusammenhang zwischen mechanischen Einflüssen auf den Knochen und der Knochengeometrie und formulierte das „Gesetz zur Transformation der Knochen“, das noch heute die theoretische Grundlage zur mechanischen Beeinflussung des Skelettsystems bildet. Im Jahr 1987 erweiterte Frost [19, 20] diese Theorie und zeigte die Abhängigkeit der Knochenbildung von der Qualität des mechanischen Reizes. Er postulierte unterschiedliche biomechanische Belastungsbereiche („Mechanostat“), die zu Knochenformation bzw. -resorption führen.

Parameter der Knochenformation

Inzwischen haben etliche Studien gezeigt, dass nicht nur die Größe, sondern auch weitere Parameter eines mechanisches Reizes, wie Frequenz und Belastungsdauer, die Knochenformation beeinflussen [27, 42]. Beispielsweise konnte im Tiermodell gezeigt werden, dass höhere Frequenzen mechanischer Belastung zu einer höheren Knochenbildung führen als niedrige Frequenzen und den Schwellenwert der Größe des Reizes für die Knochenbildung herabsetzen [27]. Die zugrunde liegenden zellulären und molekularen Mechanismen sind bis heute nicht vollständig verstanden.

Die Mechanismen der Knochenformation sind bis heute nicht vollständig verstanden

Eine gängige Theorie besagt, dass Osteozyten die Hauptmechanosensoren des Knochengewebes sind [7, 73]. Wird Knochen mechanisch belastet, entstehen Ströme der extrazellulären Flüssigkeit, die die Osteozyten und ihre Zellausläufer in den Canaliculi umgibt. Der Reiz wird von mechanosensitiven Strukturen auf der Zelloberfläche, den Zilien erkannt und mithilfe von z. B. Ionenkanälen in ein biochemisches Signal innerhalb der Zelle umgewandelt („Mechanotransduktion“ [15, 34, 64]). Abhängig von der Qualität des mechanischen Reizes werden Osteozyten stimuliert, Mediatoren zu sezernieren, die Osteoblasten oder Osteoklasten aktivieren.

Signalwege

Experimentelle Studien konnten die Beteiligung zahlreicher molekularer Signalwege bei der Mechanotransduktion nachweisen, die überdies miteinander interagieren [34]. Die zelluläre Verarbeitung mechanischer Reize ist damit außerordentlich komplex und immer noch nicht vollständig verstanden. Im Folgenden sollen Signalwege der Mechanotransduktion skizziert werden, für die bereits pharmakologische Modulatoren klinisch eingesetzt werden können.

Wnt/beta-Catenin

Einer der bekanntesten und am besten untersuchten Signalwege ist der Wnt/beta-Catenin-Signalweg (Abb. 1). Die Entdeckung, dass das Osteoporose-Pseudoglioma-Syndrom (OPPG), eine schwere Form der Osteoporose beim Menschen, durch eine Loss-of-function-Mutation im Korezeptor der Wnt-Proteine, dem „low density lipoprotein receptor-related protein-5“ (LRP5), verursacht wird, lieferte den ersten Hinweis auf die zentrale Bedeutung des Wnt/beta-Catenin-Signalwegs für Knochenentwicklung und -metabolismus [23]. Die Aktivierung des Signalwegs ist für die Knochenbildung essenziell. Antikörper gegen Inhibitoren des Wnt/beta-Catenin-Signalwegs, Sclerostin und Dickkopf-1, wirken daher osteoanabol und werden zur Zeit mit Erfolg in klinischen Studien zur Osteoporosetherapie eingesetzt [43, 46]. Experimentelle Studien zeigten, dass dieser Signalweg auch durch mechanische Belastung aktiviert wird und umgekehrt die Inhibition der Wnt/beta-Catenin-Signaltransduktion zu einer gestörten Mechanotransduktion im Knochen führt [35, 49, 58, 65].

Abb. 1
figure 1

Schematische Darstellung der Aktivierung des Wnt/beta-Catenin-, des Östrogenrezeptor- und des BMP-Signalwegs nach mechanischer Reizung einer Knochenzelle. Wnt-Liganden binden an Frizzled-Rezeptoren und LRP5/6-Korezeptoren, dadurch wird der beta-Catenin-Degradationskomplex bestehend aus Axin, APC und GSK3β inhibiert, was zu einer Translokation von beta-Catenin in den Zellkern führt. Dort bindet beta-Catenin an Transkriptionsfaktoren wie „T-cell factor“/„lymphoid enhancing factor“ (TCF/LEF) und reguliert dadurch die Gentranskription. Östrogen (E 2 ) kann über verschiedene Signalkaskaden die Genexpression beeinflussen. Dargestellt ist die Bindung von E2 an membranständige oder nukleäre Östrogenrezeptoren, die anschließend direkt oder indirekt (über verschiedene Kinasen) die Gentranskription der Knochenzelle beeinflussen können. Außerdem können Wachstumsfaktoren über die Bindung an Rezeptorkinasen die Östrogenrezeptoren ligandenunabhängig phosphorylieren. BMP-Moleküle binden an BMP-Rezeptoren (BMPR), wodurch verschiedene Smad-Moleküle aktiviert werden, die wiederum die Gentranskription beeinflussen. LRP „low density lipoprotein receptor-related protein“, BMP „bone morphogenetic protein”

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Tatsächlich belegen präklinische Studien einen positiven Einfluss von Sclerostin- und Dickkopf-1-Antikörpern auf die Mechanotransduktion im Knochen [2, 60]. Daher könnte möglicherweise die Kombination von Wnt/beta-Catenin-Aktivatoren und biomechanischen Verfahren, wie z. B. der Ganzkörpervibration, eine effektive Methode zur Steigerung der Knochenbildung darstellen. Ob mechanische Belastung und die Aktivierung des Wnt/beta-Catenin-Signalwegs additiv oder gar synergistisch wirken, ist bislang jedoch noch unzureichend untersucht.

Bone-morphogenetic-protein-Signaltransduktionsweg

Ein weiterer Signalweg, der bei der Mechanotransduktion eine wichtige Rolle spielt, ist der Bone-morphogenetic-protein(BMP)-Signaltransduktionsweg (Abb. 1). BMPs spielen eine entscheidende Rolle in der Knorpel- und Knochenbildung [4]. Neuere In-vitro-Arbeiten deuten auf eine direkte Interaktion zwischen BMP-Signalling und mechanischer Reizung von Osteoblasten hin [31]. Rekombinant hergestellte BMP-2 und BMP-7 werden aufgrund ihrer osteoinduktiven Wirkung bereits seit etlichen Jahren klinisch zur Knochendefekt- und Pseudarthrosebehandlung eingesetzt [1, 48]. Auch hier wäre eine Kombinationstherapie mit biomechanischen Verfahren zur Steigerung der Knochenbildung denkbar.

Bei der Knorpel- und Knochenbildung spielen BMPs eine entscheidende Rolle

Östrogenrezeptor-Signalweg

Der Östrogenrezeptor-Signalweg (Abb. 1) ist ebenfalls für die Übertragung mechanischer Signale wichtig. Frost [19] postulierte bereits 1987, dass Östrogen den mechanischen Schwellenwert für die Knochenformation erniedrigt und den Knochen für mechanische Reize sensibilisieren kann. Dies konnte in tierexperimentellen Studien bestätigt werden [33, 66]. Allerdings scheint der Einfluss von Östrogen auf die mechanisch regulierte Knochenformation stark vom Zeitpunkt der Östrogenapplikation abhängig zu sein [28]. So reduzierte eine frühe Therapie mit Östrogen die Knochenformation, erhöhte sie aber zu einem späteren Zeitpunkt. Zudem scheint das Expressionsverhältnis der beiden Östrogenrezeptoren, Östrogenrezeptor-alpha (ERα) und -beta (ERβ), essenziell zu sein, wobei vermutlich ERα die Mechanosensitivität erhöht, während ERβ sie erniedrigt [59]. Die Expression beider Rezeptoren wird maßgeblich von Östrogen reguliert [79]. Die unterschiedlichen Effekte von Östrogen auf die Knochenformation scheinen daher auch einer differenziellen Expression der Östrogenrezeptoren geschuldet zu sein. Außerdem konnte gezeigt werden, dass sowohl ERα als auch ERβ ligandenunabhängige Effekte auf die Mechanotransduktion ausüben können [8, 74].

Selektive Östrogenrezeptormodulatoren (SERMs) nützen die unterschiedlichen Wirkmechanismen der beiden Rezeptoren. Der selektive ERα-Agonist Raloxifen wirkt osteoanabol und erhöht die Knochenmineraldichte bei postmenopausaler Osteoporose [21]. Präklinische Studien zeigten außerdem einen positiven Einfluss einer Kombinationstherapie aus Raloxifen und biomechanischer Stimulation auf die Knochenformation in Ratten [63]. Unsere eigenen Arbeiten zeigten eine Interaktion des Östrogenrezeptor- und des Wnt/beta-Catenin-Signalwegs während der Mechanotransduktion auf zellulärer Ebene in präosteoblastären Zellen [37], wobei die genauen molekularen Mechanismen noch nicht vollständig geklärt sind.

Einfluss des Alters

Auch das Alter hat einen signifikanten Einfluss auf die Mechanosensitivität des Knochens. So zeigten sowohl klinische als auch tierexperimentelle Studien eine verringerte Knochenformation nach mechanischer Belastung im alten Organismus [24, 26]. Eigenen Arbeiten und Studien anderer Arbeitsgruppen bestätigten, dass Osteoblasten bei osteoporotischen Patientinnen eine gestörte Mechanotransduktion aufweisen [47, 61]. Die zugrunde liegenden zellulären und molekularen Mechanismen sind allerdings bislang weitgehend ungeklärt. Vermutet wird ein Zusammenhang mit der verringerten Expression von Wnt/beta-Catenin-Signalmolekülen im senilen Knochen [55], dem chronisch-inflammatorischen Phänotyp [44] und dem allgemein niedrigeren Hormonspiegel alter Patienten [56].

Insgesamt sind die molekularen Mechanismen der Mechanotransduktion bei Weitem noch nicht vollständig verstanden. Experimentelle Arbeiten lassen jedoch vermuten, dass die Modulation der beteiligten Signalwege die Mechanosensitivität des Knochengewebes steigern könnte. Somit könnte eine Kombination mit mechanischen Interventionstherapien die Knochenbildung additiv oder sogar synergistisch fördern.

Mechanobiologie und Frakturheilung

Nicht nur der Knochenmetabolismus, auch die Knochenheilung unterliegt einer starken biomechanischen Kontrolle. Die mechanischen Bedingungen im Frakturgebiet werden von der Größe des Frakturspalts, der Steifigkeit der Frakturstabilisierung, dem Gewicht des Patienten und dessen Aktivität beeinflusst und steuern die Heilung über die Begünstigung direkter, intramembranöser Ossifikation oder indirekter, endochondraler Ossifikation mit Ausbildung eines externen Kallus [5, 14, 54]. Die bereits 1960 von Pauwels [53] beschriebene Theorie der „kausalen Histogenese“ besagt, dass sich mesenchymale Gewebe in Abhängigkeit von den mechanischen Bedingungen in verschiedene Stützgewebe differenzieren. In der von Claes et al. [14] 1998 formulierten und auf In-vitro-, In-vivo- und In-silico-Analysen beruhenden Dehnungshypothese wird postuliert, dass bei der Knochenheilung hohe Gewebedehnungen (> 15 %) mit der Bildung fibrösem Gewebe assoziiert sind, wohingegen sehr kleine Dehnungen (< 5 %) und hydrostatische Drücke (< 0,15 MPa) mit direkter Knochenbildung einhergehen. Dehnungen zwischen 5 und 15 % und hydrostatische Drücke von über 0,15 MPa sollen die Chondrogenese und damit die endochondrale Knochenbildung stimulieren.

Bei der Frakturheilung fördern also zu hohe interfragmentäre Bewegungen die Bildung von fibrösem Gewebe und sind somit für die Heilung hinderlich. Zu geringe Bewegung im Frakturspalt kann sich ebenfalls negativ auf das Heilungsergebnis auswirken. Somit ist eine gewisse Flexibilität der Osteosynthese notwendig, um endochondrale Ossifikation und Kallusbildung zu gewährleisten [11, 13, 14]. Die Erkenntnis, dass mechanische Reize die Knochenbildung erheblich beeinflussen, führte zur Entwicklung biomechanisch optimierter Osteosynthesemethoden, die heute sehr erfolgreich in der klinischen Praxis eingesetzt werden.

Zu hohe interfragmentäre Bewegungen sind für die Frakturheilung hinderlich

Biologische Ebene

Auf biologischer Ebene wird die Gewebedifferenzierung während der Frakturheilung durch zahlreiche Signalwege und Mediatoren gesteuert. In der frühen Phase der Heilung überwiegen inflammatorische Signale (u. a. Interleukin-1, Interleukin-6, Tumornekrosefaktor[TNF]-α, Transforming-growth-factor[TGF]-β [16, 22]). Die durch Immunzellen sezernierten Chemokine (u. a. Stromal-cell-derived-factor[SDF]-1) rekrutieren mesenchymale Stammzellen zum Ort der Fraktur [77], wo zahlreiche Faktoren wie z. B. BMPs und Wnt-Liganden über ihre Rezeptoren die Proliferation und Differenzierung der Vorläuferzellen zu Chondrozyten und Osteoblasten steuern [16, 22]. Die Aktivierung angiogener Mediatoren wie „vascular endothelial growth factor“ (VEGF) und Hypoxia-inducible-factor(HIF)-1α fördert die Bildung neuer Blutgefäße [17]. In der Phase des Remodellings stimulieren osteoklastogene Faktoren wie „receptor activator of NF-κB ligand“ (RANKL) den Abbau des knöchernen Kallus.

Die Expression vieler der genannten biologischen Faktoren kann durch mechanische Reize moduliert werden. So konnten tierexperimentelle Studien einen Einfluss der Frakturstabilisierung auf die Expression von BMP und Wnt/beta-Catenin-Zielmolekülen wie Kollagen Typ II im Frakturkallus nachweisen [3, 32, 78]. Weitere Studien zeigten die differenzielle Expression verschiedener inflammatorischer Zytokine und angiogener Wachstumsfaktoren wie „macrophage colony-stimulating factor“ (M-CSF), „platelet derived growth factor“ (PDGF) und VEGF, abhängig von den mechanischen Reizen im Frakturgebiet [38, 50]. TGF-β und osteogene Marker wie Osteoprotegerin und Kollagen Typ I waren während der durch Rotationsinstabilität verzögerten Knochenregeneration im Schafsmodell vermindert exprimiert [39].

Einhorn [57] führte Genexpressionsanalysen an Frakturen durch, die entweder rigide fixiert oder biomechanisch stimuliert wurden. Sie fanden eine veränderte Expression von über 100 Genen im Frakturkallus, die mit der Knorpel- und Knochenentwicklung, der Zelladhäsion, der extrazellulären Matrixsynthese und der skelettalen Entwicklung assoziiert sind. Unsere eigenen Arbeiten zeigten signifikant höhere Serumkonzentrationen mitogener Faktoren wie TGF-β und Insulin-like-growth-factor(IGF)-1 bei Frakturpatienten, die mit einer flexiblen Osteosynthese versorgt wurden im Vergleich zu Patienten mit einer rigiden Fixation [29]. Somit beeinflussen biomechanische Reize im Frakturgebiet die Gewebedifferenzierung über die Modulation von Signalwegen, die für zahlreiche Prozesse wie Inflammation, Proliferation und Differenzierung zuständig sind.

Wie bereits erwähnt, ist die Mechanotransduktion durch genetische Prädisposition, oder im durch Alter und Osteoporose kompromittierten Knochen verändert. Die für die Knochenheilung „optimalen“ biomechanischen Bedingungen sind damit sicher nicht für alle Patienten gleich. Für den Kliniker stellt sich die Frage, ob Komorbiditäten bei der Wahl der Frakturstabilisierung berücksichtigt werden müssen. Unsere Arbeiten zeigten, dass die Flexibilisierung der Osteosynthese in Mäusen, die aufgrund einer Inhibierung des Wnt/beta-Catenin-Signalwegs Osteoporose entwickelten, die Heilung signifikant stärker beeinträchtigte als in gesunden Kontrollmäusen [36]. Duda et al. zeigten, dass der Einfluss der Osteosynthesesteifigkeit auf die Frakturheilung bei alten Tieren verändert ist und schlussfolgerten, dass die für junge Individuen optimalen Fixierungsbedingungen nicht ohne weiteres auf alte Individuen übertragen werden können [45, 62]. Es ist jedoch weitere Forschung nötig, um die Interaktion biomechanischer Reize und biologischer Faktoren während der Frakturheilung genauer aufzuklären und dadurch in Zukunft eine optimale Behandlung des individuellen Patienten zu gewährleisten.

Nichtinvasive biomechanische Stimulation der Frakturheilung

Eine Möglichkeit, die Knochenheilung mechanisch zu beeinflussen, stellen externe biomechanische Interventionstherapien dar.

Ultraschall

Ein biologisch bereits gut charakterisierter biomechanischer Ansatz zur Verbesserung der Frakturheilung ist die Applikation von niedrigenergetischem Ultraschall („low intensity pulsed ultrasound“, LIPUS). Die Anwendung von Ultraschall während der Knochenregeneration wurde bereits im Jahr 1950 das erste Mal beschrieben [6, 41]. Die ersten Studien zeigten, dass die Ergebnisse stark von der Intensität und Frequenz des aufgebrachten Stimulus abhängig sind. Heute wird der Einsatz von gepulstem niedrigenergetischem Ultraschall (LIPUS) favorisiert [12, 52]. Zur Anwendung von LIPUS während der Frakturheilung gibt es etliche randomisierte, prospektive klinische Studien, die übereinstimmend einen positiven Einfluss der Therapie auf die Heilung zeigen [18, 40, 80].

Der Effekt des LIPUS scheint u. a. auf einer mechanischen Stimulation mesenchymaler Stamm- oder präosteoblastärer Zellen zu beruhen, die zu einer verstärkten Proliferation bzw. osteogenen Differenzierung angeregt werden [30, 52]. Auf molekularer Ebene konnte eine Beteiligung von Integrinrezeptoren und des Zytoskeletts nachgewiesen werden [25, 70]. Weitere experimentelle Arbeiten zeigen eine Beteiligung des Wnt/beta-Catenin-Signalwegs [51]. Eine aktuelle klinische Studie berichtet von einem erhöhten Heilungserfolg nach LIPUS-Therapie bei alten Frakturpatienten [80], und tierexperimentelle Arbeiten zeigten eine Verbesserung der Frakturheilung bei östrogendefizienten osteoporotischen Ratten [9]. Somit könnte dieses Verfahren auch bei alten Patienten oder Patienten mit Komorbiditäten wie z. B. Osteoporose vielversprechend sein. Hier wäre außerdem eine Kombination mit Substanzen, die möglicherweise den Knochen mechanosensibilisieren, (z. B. Wnt/beta-Catenin-Aktivatoren) zur Verbesserung der Heilung denkbar. Studien fehlen jedoch bislang.

Ganzkörpervibration

Eine weitere Methode zur externen biomechanischen Stimulation der Frakturheilung ist die Ganzkörpervibration („low magnitude high frequency vibration“, LMHFV). Die molekularen Mechanismen, wie die Zellen die Vibration erkennen und in biochemische Signale umwandeln, und welche Signalwege hier eine wichtige Rolle spielen, sind noch weitgehend unverstanden. Eine Hypothese ist, dass der Zellkern durch LMHFV zur Oszillation angeregt wird [67] und dass die Verbindung des nukleären Zytoskelettes mit dem Aktin-Zytoskelett der Zelle für das Erkennen des mechanischen Reizes eine Rolle spielt [68]. Zahlreiche klinische und tierexperimentelle Studien zeigten bei gesunden und osteoporotischen Individuen einen positiven Effekt der Vibration auf den nichtfrakturierten Knochen [69, 76]. Die Effekte sind dabei abhängig vom jeweiligen Vibrationsprotokoll (Beschleunigung, Frequenz, Applikationsdauer).

Bei der Frakturheilung hingegen zeigte die Vibration unterschiedliche Ergebnisse, die vom verwendeten Tiermodell abhängig zu sein scheinen. Studien an östrogendefizienten, osteoporotischen Tieren beobachteten im Allgemeinen eine verbesserte Knochenregeneration [10, 71], wohingegen bei östrogenkompetenten Tieren keine Effekte zu sehen waren [72] oder die Heilung sogar verschlechtert war [71, 72].

Bei alten Frakturpatienten bringt die LIPUS-Therapie einen erhöhten Heilungserfolg

Unsere eigene Arbeitsgruppe konnte zeigen, dass in der Tat der Östrogenstatus die Effekte der Vibration auf die Knochenheilung signifikant beeinflusst. Während die Ganzkörpervibration bei alten, nicht ovariektomierten Mäusen die Heilung beeinträchtigte, war sie bei alten und ovariektomierten Mäusen signifikant verbessert. Die positiven Effekte bei ovariektomierten Mäusen konnten durch Gabe von Östrogen teilweise wieder aufgehoben werden, was die wichtige Rolle von Östrogen bei der Verarbeitung der Vibrationsreize unterstreicht. Durch molekulare Analysen des Frakturkallus konnten wir zeigen, dass die Vibration zu einer differenziellen Genexpression der für die Mechanotransduktion wichtigen Östrogenrezeptoren ERα und ERβ führte [71]. Die Ergebnisse lassen annehmen, dass die osteoanabolen Effekte durch ERα, die katabolen durch ERβ vermittelt wurden. Zudem konnten wir eine Beteiligung des Wnt/beta-Catenin-Signalwegs nachweisen. Die genauen molekularen Zusammenhänge sind jedoch noch unverstanden. Interessanterweise zeigten andere tierexperimentelle Frakturheilungsstudien eine Erhöhung des Vibrationseffekts durch die gleichzeitige Applikation von Raloxifen, eines ERα-Agonisten [63]. Somit scheint eine Kombination von Vibration mit Modulatoren des ER-Signalwegs attraktiv. Allerdings bedarf es weiterer Studien, um zu klären, ob die Vibrationstherapie für die Behandlung schlecht heilender Frakturen geeignet ist.

Fazit für die Praxis

  • Mechanische Reize beeinflussen sowohl den Knochenmetabolismus als auch die Knochenheilung. Die Mechanotransduktion in den beteiligten Zellen erfolgt durch komplexe, miteinander interagierende Signalwege.

  • Die Mechanotransduktion kann durch pharmakologische Aktivierung oder Inhibierung dieser Signalwege beeinflusst werden.

  • Die pharmakologische Aktivierung von Signalwegen der Mechanotransduktion könnte möglicherweise den Knochen für mechanische Reize sensibilisieren und damit mechanische Interventionstherapien unterstützen.

  • Alter und Gesundheitszustand des Patienten können die Mechanotransduktion beeinflussen. Es ist daher wahrscheinlich, dass die für die Heilung optimalen mechanischen Bedingungen individuell variieren.