24.01.2012 •

EINFLUSS EINES THORAXTRAUMAS AUF EINE KOMBINATIONS-EXTREMITÄTENVERLETZUNG

Influence of Thoracic Trauma on a Complex Injury of Extremities

Aus dem Sanitätszentrum Calw (Leiter: Oberfeldarzt Dr. U. Unkelbach), der Klinik für Unfallchirurgie der Universität Ulm (Direktor: Prof. Dr. F. Gebhard) und dem Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik der Universität Ulm (Direktorin: Prof. Dr. A. Ignatius)

Raimund Lechner

* Aus redaktionellen Gründen wird hier eine gekürzte Fassung der Arbeit zum Thema „Einfluss eines Thoraxtraumas auf eine Kombinations-Extremitätenverletzung – Eine Schlüsselverletzung im wehrmedizinischen Zusammenhang“ vorgestellt, die anlässlich des 42. Kongresses der Deutschen Gesellschaft für Wehrmedizin und Wehrpharmazie e. V. vom 14.-16. Oktober 2011 in Erfurt mit dem Paul-Schürmann-Preis 2011 ausgezeichnet wurde.


Die Thoraxverletzung ist bei schwerstverletzten Patienten sowohl im militärischen als auch im zivilen Bereich häufig und beeinflusst die Mortalität und Morbidität. Im Folgenden wird ein experimenteller Ansatz zur Untersuchung des Einflusses eines Thorax - traumas auf die Heilung einer Extremitätenfraktur mit und ohne Weichteilschaden dargestellt.

Methoden:

Im Tiermodell wurden Wistar Ratten randomisiert drei Verletzungsgruppen (A, B, C) zu je acht Tieren pro Beobachtungszeitpunkt zugeteilt. Gruppe A wurde eine Unterschenkelfraktur zugefügt, Gruppe B eine Unterschenkelfraktur und ein Thoraxtrauma und Gruppe C eine Unterschenkelfraktur, ein definierter Weichteilschaden und ein Thoraxtrauma. Am 1., 3., 7., 14. und 28. Tag nach der Verletzung wurden die Cyclooxygenase-2-positiven Zellen in der Frakturregion quantifiziert und nach Zellarten differenziert. Am Tag 28 wurden abschließend die mechanische Stabilität des Knochens und das Kallusvolumen bestimmt.

Ergebnisse:

Die mechanische Stabilität und das Kallusvolumen waren in der Gruppe B (Thoraxtrauma und Fraktur) im Vergleich zur Gruppe A (Fraktur) reduziert. Durch den zusätzlichen Weichteilschaden der Gruppe C kam es zu einer weiteren Reduktion, die gegenüber der Gruppe A signifikant war. Mit zunehmender Verletzungsschwere wurden eine gesteigerte Cyclooxygenase-2-Expression und eine Verschiebung der positiven Zellarten hin zu bindegewebeartigen Zellen beobachtet.

Schlussfolgerungen:

Die Frakturheilung wurde in diesem Tiermodell durch ein Thoraxtrauma mit gleichzeitigem Weichteilschaden negativ beeinflusst. Dies könnte mit der veränderten Cyclooxygenase-2–Expression erklärt werden:

Summary

Background:

Thoracic trauma is a key injury with influence on morbidity and mortality in civilian and military trauma as well. An experimental approach to investigate the influence of thoracic trauma on fracture healing with and without soft tissue damage is presented.

Methods:

Wistar rats were randomly assigned to three trauma groups with 8 animals per group and observation point. Group A received a fracture of the tibia and fibula, group B an additional thoracic trauma with the fracture, and group C a fracture, a thoracic trauma and an additional soft-tissue trauma. Cyclooxygenaxe- 2 positive cells were determined at day 1, 3, 7, 14 and 28. Additionally, mechanical properties and callus volume were quantified after 28 days.

Results:

Failure load and callus volume were decreased in group B (thoracic trauma and fracture) compared to group A (fracture). The soft-tissue trauma in group C caused an additional and significant decrease compared to group A. Cyclooxygenase-2 expression patterns changed to more positive fibroblast like cells and generally increased with severity of trauma.

Conclusions:

Fracture healing is impaired when additional thoracic trauma and soft tissue trauma occur. One possible mechanism is the change in the cellular Cyclooxygenase-2 expression. 

1. Einleitung

Mit steigender Dauer und Anzahl der Auslandseinsätze der Bundeswehr sind vermehrt verletzte und tote Bundeswehrangehörige zu beklagen (24). Eine zunehmende Rolle spielen dabei Explosionsverletzungen durch IEDs (Improvised Explosive Device) (15, 22, 24, 31), wohingegen die Häufigkeit klassischer Schussverletzungen sinkt (22). 2009 war der Anteil aller bei Feindkontakt getöteten Soldaten im Afghanistan- Konflikt zu über 60 % durch IEDs bedingt (24). Hierbei kommt es zu einem breiten Spektrum von Verletzungen (35). Der Überdruck der Explosion kann eine primäre blast injury verursachen, die vor allem Verletzungen von luftgefüllten Organen beinhaltet (Trommelfell, Darm, Trachea und Lunge). Die Lungenschädigung wurde durch das Walter Reed Army Hospital of Research als die bedeutendste primäre blast injury eingestuft (33, 35).

Die mit Abstand häufigste Kriegsverletzung seit dem ersten Weltkrieg ist jedoch die Extremitätenverletzung (im Durchschnitt 64,6 %), gefolgt von Kopf- Hals- (15 %), Thorax- (9,5 %) und Abdomenverletzungen (7,4 %) (4, 6). Bei IED-Anschlägen sind ebenfalls die Extremitäten (86,7 %) am häufigsten betroffen, gefolgt vom Kopf-Hals-Bereich (bis zu 90 %). Der Thorax ist mit 14,6 % bei den Überlebenden und 75 % bei tödlich Verwundeten betroffen (32), sodass Torsoverletzungen mit zunehmender Gesamt-Verletzungsschwere häufiger vorkommen und zu einer erhöhten Mortalität führen (28, 32).

Zusätzlich gibt es Hinweise auf eine „Interaktion“ von Einzelverletzungen bei polytraumatisierten Patienten. Hierbei scheint die Anhäufung von Entzündungsmediatoren, die durch die Einzelverletzungen freigesetzt werden, ein wesentlicher Faktor zu sein (8). So konnte die Frakturheilung betreffend gezeigt werden, dass die Revisionsrate bei Mehrfachverletzten höher ist als die bei Patienten mit isolierten Frakturen, die Frakturheilung also gestört ist (1). Ein denkbarer Mechanismus ist die Beeinflussung der Frakturheilung auf zellulärer Ebene durch Veränderungen im lokalen COX-2 Stoffwechsel, der eine wichtige Steuerungsfunktion in der Frakturheilung einnimmt (10).

Im Folgenden wird ein experimenteller Ansatz zur Untersuchung der häufigsten kriegsbedingten Verletzung, des komplexen Extremitätentraumas in Kombination mit dem unmittelbar lebensbedrohlichen Thoraxtrauma, dargestellt. Hierbei werden insbesondere die gegenseitige Beeinflussung dieser Kombinationsverletzung und potenzielle ursächliche Mechanismen beleuchtet.

2. Methoden

Wistar-Ratten wurden randomisiert drei Gruppen (A, B, C) zu je 48 Tieren zugeordnet. Gruppe A: Unterschenkelschaftfraktur, Gruppe B: Unterschenkelschaftfraktur + Thoaxtrauma, Gruppe C: Unterschenkelschaftfraktur + Thoax trauma + Weichteilschaden. Die Narkose erfolgte mit 75 mg/kg Körpergewicht (KG) Ketamin (Ketanest®) und 12 mg/kg KG Xylazin (Rompun®) intraperitoneal sowie 0,05 mg/kg KG Atropin subkutan. Die postoperative Analgesie wurde in den ersten drei Tagen alle 12 Stunden und in den folgenden drei Tagen alle 24 Stunden durch subkutane Buprenorphin-Applikation (0,05 mg/kg KG, Temgesic®) sichergestellt. In der Kontrollgruppe (8 Tiere) erfolgten sowohl eine Narkose als auch Schmerzmedikation. Die Experimente wurden von der Kommission zur Genehmigung von Tierversuchen des Regierungspräsidiums Tübingen genehmigt (Tierversuchsantrag Nr. 814).

2.1 Traumata

Die Fraktur wurde ohne relevanten Weichteilschaden durch ein Guillotine-Modell mit spitzem Stempel nach Bonnarens und Einhorn (3) am rechten Unterschenkel erzeugt. Mit einem Krischner-Draht (Ø 0,7 mm) wurde die Fraktur anschließend intramedullär stabilisiert. Der Weichteilschaden Grad 2 nach Tscherne und Oestern (29) in der Gruppe C wurde vor der Fraktur ebenfalls mit einem Guillotine-Modell mit stumpfem Stempel, auf dem der M. gastrocnemius in Schaftmitte auflag, herbeigeführt. Die standardisierte Thoraxverletzung wurde durch eine auf den Brustkorb zentrierte Druckwelle mittels Druckwellengenerator erzeugt (19, 20). Die exakten Einstellungen wurden von Liener et al. (27) für das Rattenmodell etabliert und übernommen.

2.2 postoperatives Vorgehen

Nach 1, 3, 7, 14 und 28 Tagen erfolgte die Euthanasie der Tiere in der oben beschriebenen Narkose. In jeder Gruppe wurden zu jedem Beobachtungszeitraum jeweils 8 Tiere immunhistochemisch auf ihre Cyclooxygenase- 2(COX-2)-Aktivität untersucht. Zusätzlich wurden 8 Tiere nach 28 Tagen einer biomechanischen Testung und Mikro-Computer-Tomographie (µCT )-Analyse zugeführt.

2.3 Auswertung

Mikro-Computer-Tomographie
8 Tieren jeder Trauma Gruppe wurden nach 28 Tagen vor der biomechanischen Testung einer µCT-Analyse der Tibia unterzogen (Fan- Beam µ-Scope, Sratec Medizintechnik, Pforzheim, Deutschland). Mit der Auswertesoftware vgstudioMax 1.0® (Volume Graphics GmbH, Heidelberg, Deutschland) wurde anschließend das Volumen des kalzifizierten periostalen Kallus mit einem Grauwertfilter bestimmt (7).

Biomechanische Testung
Nach der µCT-Analyse wurde mit einer Drei- Punkt-Biegetestung die Festigkeit (maximale Bruchkraft) des Knochens bestimmt (Materialprüfmaschine 1454; Zwick, Ulm, Deutschland). Die aufgebracht Kraft und Verformung des Knochens wurden kontinuierlich registriert und so die Versagenslast bestimmt.

Immunhistochemische Anfärbung
An den Tagen 1, 3, 7, 14 und 28 erfolgte eine immunhistochemische Anfärbung der Frakturregion gegen COX-2. Nach Anfertigung von 4 µm dicken Paraffinschnitten wurden diese mit einem primären polyklonalen Antikörper (RP 111, Zytomed Systems, Berlin, Deutschland) gegen das Enzym COX-2 nach den Herstellerangaben angefärbt. Die gefärbten Präparate wurden semiquantitativ mit einem Durchlichtmikroskop (Photomikroskop Axiophot, Zeiss, Oberkochen, Deutschland) bei 200-facher Vergrößerung ausgewertet. Hierzu wurde ein quadratisches Messfeld von 1 mm Kantenlänge durch ein Netzokular projiziert und entlang der Kortikalis angelegt und ausgewertet. In diesen Messfeldern wurde die Art der angefärbten Zellen (Bindegewebe-, Knochen-, Knorpelzellen) notiert und semiquantitativ bestimmt, wie viele Zellen angefärbt waren (0, 0 – 1, 1 – 10, 10 – 50, > 50 Prozent). Diese Prozentsätze wurden zur Auswertung in ganze Zahlen umgewandelt (0 %: 0; 0 – 1 %: 1; 1 – 10 %: 2; 10 – 50 %: 3; 50 %: 4).

Statistik
Die Ergebnisse der biomechanischen Testung und der µCT wurden nach einer einfaktoriellen Varianzanalyse (ANOVA) mit nachgeschaltetem adjustiertem post-hoc-Test (Fisher- PLSD) für die Gruppenvergleiche (StatView, Version 5.0, SAS Institute Inc., Cary, USA) ausgewertet. Die Ergebnisse der Immunhistochemie wurden deskriptiv verglichen.

3. Ergebnisse

Insgesamt standen 187 Tiere und 8 Kontrolltiere zur Verfügung. Auf Grund von Narkosezwischenfällen (7 Tiere; 4 %), atypischen Frakturen (38 Tiere; 22 %; Trümmerfraktur oder intakte Fibula) und Tod im Rahmen des Thorax - traumas (13 Tiere; 7 %) gingen von den ursprünglich 152 geplanten Tieren 130 Versuchs- und 7 Kontrolltiere in die Auswertung ein. Die Mindestgruppengröße war mit 6 Tieren ausreichend für die statistischen Berechnungen.
 

Kallusvolumen
Das Kallusvolumen nahm mit zunehmender Traumastärke ab und war für den periostalen Kallus zwischen den Gruppen A (Fraktur) und C (Fraktur, Thoraxtrauma und Weichteilschaden) signifikant erniedrigt (Abb 1).

Biomechanische Testung
Die maximale Bruchkraft nahm mit zunehmender Stärke des Traumas im Vergleich zur Gruppe A (Fraktur) signifikant ab (Abb 2).

Immunhistochemische Anfärbung
Die Negativkontrolle zeigte nur in fünf Präparaten vereinzelt leicht positive Zellen, sodass in den Präparaten klar die intrazelluläre COX-2-Aktivität nachgewiesen werden konnte. Die Zellen in der Positivkontrolle waren deutlich angefärbt.

Im periostalen Kallus war in der Gruppe B (Fraktur, Thoraxtrauma) die COX- 2-Aktivität kontinuierlich und gleichmäßig gegenüber der Gruppe A (Fraktur) erhöht, wobei die Expression im zeitlichen Verlauf ein ähnliches Grundmuster aufwies. In der Gruppe C (Fraktur, Thoraxtrauma, Weichteilschaden) wurde hingegen ein pyramidenähnliches Expressionsmuster nachgewiesen. Generell stieg die Expression mit zunehmender Traumastärke an (Abb 3).

Betrachtet man die Art der COX-2-positiven Zellen, so war in den Gruppen B (Fraktur + Thoraxtrauma) und C (Fraktur + Thoraxtrauma + Weichteilschaden) im Vergleich zur Gruppe A (Fraktur) die Anzahl der COX-2-exprimierenden bindegewebeartigen Zellen erhöht (Abb 4). Gegen Ende der Heilungsphase glich sich die Zellverteilung wieder an.

Korrespondierend zur Erhöhung der bindegewebeartigen Zellen war die Anzahl der COX-2-positiven Knochenzellen in den ersten drei Tagen nach Trauma in der Gruppe B (Fraktur + Thoraxtrauma) und C (Fraktur + Thoraxtrauma + Weichteilschaden) erniedrigt. Ab Tag 7 fanden sich keine wesentlichen Unterschiede in den Gruppen mehr. Bezüglich der Anzahl an COX-2-positiven Knorpelzellen war eine Verminderung am Tag 7 in der Gruppe B (Fraktur + Thoraxtrauma) und C (Fraktur + Thoraxtrauma + Weichteilschaden) gegenüber der Gruppe A (Fraktur) erkennbar. Am Tag 14 lag in der Gruppe C (Fraktur + Thoraxtrauma + Weichteilschaden) eine vermehrte Expression COX-2-positiver Zellen vor. Zwischen den Gruppen A (Fraktur) und B (Fraktur + Thoraxtrauma) gab es keinen wesentlichen Unterschied. Am Tag 28 betrug die Anzahl der COX-2-positiven Knorpelzellen in allen drei Gruppen annähernd 0 (Abb 5).

Zusammenfassend erhöhte sich mit wachsender Traumastärke die Anzahl der COX-2-positiven Zellen. Im Vergleich zu den COX-2-exprimierenden Zellarten traten mit zunehmender Traumastärke vermehrt COX-2-positive bindegewebeartige Zellen und vermindert Knochen- und Knorpelzellen auf.

4. Diskussion

4.1 Relevanz der Verletzungskombination

Durch die Einführung der ballistischen Schutzausrüstung sind Torsoverletzungen in aktuellen bewaffneten Konflikten rückläufig, Extremitätenverletzungen jedoch im Ansteigen (15, 18, 28, 30, 32). Zusätzlich bewirkt eine vermehrt irreguläre Kriegsführung mit vermehrten IED-Anschlägen eine Veränderung der Verletzungsmuster (24). Betrachtet man die Art der Verletzung, so sind offene Frakturen und Weichteilverletzungen am häufigsten zu finden. Bei reinen IED-Kohorten finden sich sogar in 100 % der Verletzten Weichteilschäden und in 53 % Frakturen (31, 32). Bezogen auf die Extremitäten, sind 62 % aller Verletzungen Weichteilschäden und 30 % Frakturen (28). Sowjetische Daten zur Minenwirkung bei gepanzerten Fahrzeugen und damit vergleichbar zu IEDs, geben bei Extremitätenfrakturen eine Verteilung von circa 3:1 von unterer zu oberer Extremität an (4).

Die primäre blast injury der Lunge ist ein Verletzungsbild, dass vermehrt als Folge von IED-Anschlägen in den Vordergrund rückt, vor allem wenn sich das Opfer räumlich nah zum explodierenden Objekt befindet (32).

Im Jahr 2003 stellten Champion et al. noch fest, dass die primäre blast injury selten ist. Aber ihre mögliche Zunahme angesichts sich verändernder Kriegsszenarien wurde bereits damals von den Autoren diskutiert (6). Die Häufigkeit einer relevanten pulmonalen blast injury ist auch in aktuellen Studien selten (< 5 %), was teilweise mit dem Schutz durch das gepanzerte Fahrzeug zu erklären ist. Bei einem Abstand von 3 m zum IED ist die Druckwelle außerhalb 28-mal höher als innerhalb des Fahrzeuges (33). Das Auftreten einer primären blast injury weist jedoch auf ein sehr schweres Explosionstrauma mit ernsten Auswirkungen auf den Verletzungsgrad und die Letalität des Patienten hin (32). Ein weiterer an Häufigkeit zunehmender Verletzungsmechanismus sind stumpfe Traumata, resultierend aus dem Aufprall von Projektilen auf die ballistische Schutzausrüstung (BABT – Behind Armour Blunt Trauma) (5).

Ein BABT verursacht stumpfe Traumata, wie sie aus dem zivilen Bereich von Verkehrsunfällen bekannt sind. Betroffen ist hier vor allem der Thorax. Es wurde gezeigt, dass in Kollektiven von Polytraumatisierten mit stumpfem Thoraxtrauma die Letalität signifikant ansteigt (38). Korrespondierend zum zivilen Bereich, war in einem Kollektiv von fast 8 000 Verwundeten aus dem Vietnamkrieg die Thoraxverletzung (24 %) nach den Kopf-Hals-Verletzungen (46 %) die zweithäufigste Lokalisation bei tödlichen Verwundungen (6). Aus den israelischen Streitkräften wurde sogar über Kollektive mit einer Letalität von 73 % aufgrund von Thoraxverletzungen berichtet (6). Sowohl das stumpfe als auch das penetrierende Thoraxtrauma ist somit eine wehrmedizinisch hoch relevante Verletzung. Es kann angenommen werden, dass auch im militärischen Umfeld neben klassischen penetrierenden Kriegsverletzungen in Zukunft nicht penetrierende Verletzungen eine vermehrte Bedeutung erfahren werden, wobei vor allem die pulmonale blast injury und das BABT als Ursache zu nennen sind.

4.2 Verletzungsmodell

Die in diesem Versuch verwendeten Traumamodelle sind etablierte Modelle zur Untersuchung der jeweiligen Einzelverletzung (3, 19, 20). Eine Kombination der einzelnen Traumata erfolgte, um die gegenseitige Beeinflussung dieser wehrmedizinisch relevanten Verletzungskombinationen zu untersuchen (siehe auch 4.1).

Das Thoraxtrauma-Modell wurde von Jaffin et al. entwickelt, um blast injuries zu untersuchen (20). Mittels der applizierten Druckwelle gelang es zuverlässig, pulmonale und gastrointestinale Verletzungen zu reproduzieren, die sowohl makroskopisch als auch mikroskopisch Explosionsverletzungen ähneln: (intraalveoläre) Hämorrhagie, erhöhtes Lungengewicht, prolongierte Apnoe und Bradykardie (20). Bei Auftreffen der Druckwelle auf den Körper kann die Luft nicht schnell genug aus den Alveolen entweichen, da die Lunge aus unzähligen kleinen luftgefüllten Bläschen, ähnlich einem Schaum, besteht. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Druckwellen in Schaum ist jedoch nur 30 – 40 m/s und damit 1/10 der Ausbreitungsgeschwindigkeit in Luft und 1/50 der Geschwindigkeit in Wasser.

Dies führt zu einer Quetschung des Lungengewebes, vor allem direkt hinter der Thoraxwand mit charakteristischen Einblutungen, wie sie sowohl beim stumpfen Thoraxtrauma als auch bei der primären blast injury der Lunge zu finden sind (35). Dieses Traumamodell wurde von Knöferl et al. (23) für Untersuchungen zum stumpfen Thoraxtrauma an Mäusen genutzt. Liener et al. (27) etablierten das Traumamodell an der Ratte mit Parametern, die für dieses Experiment übernommen wurden, ebenfalls um die Effekte eines stumpfen Thoraxtraumas zu analysieren. Beide Arbeitsgruppen konnten ein reproduzierbares klinisch relevantes stumpfes Thoraxtrauma generieren. Das von uns verwendete Modell ist somit sowohl zum Studium des stumpfen Thoraxtraumas als auch der primären pulmonalen blast injury geeignet.

4.3 Untersuchungsergebnisse

Mit zunehmender Traumastärke kam es zu einer Abnahme der maximalen Bruchkraft. Das periostale Kallusvolumen war jedoch erst in Kombination von Thoraxtrauma und Weichteilschaden signifikant erniedrigt, sodass der Weichteilschaden einen substantiellen Effekt auf die Frakturheilung zu haben scheint. In einer Untersuchung mit gleichwertigem Versuchsaufbau zum Einfluss eines Weichteilschadens Grad 2 nach Tscherne und Oestern auf die Frakturheilung konnte nach 28 Tagen kein signifikanter Unterschied bei Frakturen mit und ohne Weichteilschaden festgestellt werden (9).

Histologische Untersuchungen und Durchblutungsmessungen erbrachten jedoch Hinweise auf eine Störung der Frakturheilung im Anfangsstadium des Heilungsprozesses. Es scheint, als entwickelt der Weichteilschaden erst in Kombination mit einem zusätzlichen Trauma, zum Beispiel einer Thoraxverletzung, eine nachhaltige Störung der Frakturheilung. Umgekehrt hat das alleinige Thoraxtrauma zwar einen Effekt auf die Qualität der Frakturheilung nach 28 Tagen, allerdings wird dieser Effekt durch den zusätzlichen Weichteilschaden verstärkt. Es scheint, dass die Wirkungen der Einzelverletzungen sich nicht einfach aufaddieren lassen, sondern dass durch eine gegenseitige Beeinflussung eine verstärkte Wirkung entfaltet wird (Abb 1 und 2). Dieser negative Einfluss von Zusatzverletzungen auf die Frakturheilung wurde auch in klinischen Studien bei Patienten mit multiplen Verletzungen beobachtet die zum Beispiel eine erhöhte Rate von Revisionsoperationen bei Tibiafrakturen aufwiesen (1).

Eine mögliche Erklärung hierfür ist eine veränderte inflammatorische Reaktion nach Traumata, die die Knochenheilung beeinflusst. So ist erwiesen, dass vor allem im Anfangsstadium der Frakturheilung zahlreiche inflammatorische Botenstoffe beteiligt sind (11, 12). Es konnte sowohl in klinischen Studien (13, 14) als auch tierexperimentell (23, 27) nachgewiesen werden, dass es bei Polytraumatisierten im Rahmen einer systemischen inflammatorischen Reaktion (SIRS) zu zahlreichen Immunmodulationen kommt (13). Es wird angenommen, dass inflammatorische Mediatoren, unter anderem getriggert durch ein Thoraxtrauma, über komplexe Reaktionskaskaden in Stoffwechselprozesse des Körpers eingreifen können und so im schlimmsten Fall ein Multiorganversagen mit erhöhter Letalität auslösen (38).

Auch Auswirkungen auf den Knochenstoffwechsel bei Mehrfachverletzten sind bekannt. So kann ein schweres Schädelhirntrauma über inflammatorische Modulationen zu Ossifikationen an unverletzten Gelenken und einer überschießenden Kallusbildung führen (37). Ebenso konnte eine negative Beeinflussung der Frakturheilung durch ein Thoraxtrauma tierexperimentell nachgewiesen werden (34). Dass es am Ort der Fraktur auf zellulärer Ebene zu Veränderungen der systemischen inflammatorischen Reaktion kommt, konnte hier durch Veränderungen im COX-2-Stoffwechsel nachgewiesen werden. So ist von einer erhöhten Prostaglandinkonzentration durch die erhöhte COX-2-Expression auszugehen (Abb 3).

Zudem war eine Verschiebung COX-2-produzierender Zellen von differenzierten Knorpel- und Knochenzellen hin zu bindegewebeartigen Zellen im Anfangsstadium der Frakturheilung ersichtlich (Abb 4). COX-2 ist ein Enzym des Prostaglandinstoffwechsels. Es wird bei Verletzungen und Entzündungen induziert, so auch bei Frakturen und Weichteilschäden (2, 10, 25). Prostaglandine haben vielfältige, sowohl anabole als auch katabole, Effekte auf den Knochenstoffwechsel (10,16, 21). Wichtiger erscheint aber im Rahmen der Frakturheilung die Wirkung auf den Knorpelstoffwechsel. Es sind zahlreiche inhibitorische Wirkungen auf den Knorpelstoffwechsel wie die direkte Chondrozyteninhibition (26) und Degradation der Knorpel-Matrix (17) beschrieben.

Über diese Mechanismen ist eine Störung der enchondralen Ossifikation und damit der Frakturheilung mit Kallusbildung, der dominierenden Ossifikationsform bei einer Versorgung durch Marknagelung, vorstellbar. So wurde festgestellt, dass systemisch appliziertes Prostaglandin E2 das Längenwachstum von Röhrenknochen hemmt (36). Der Mechanismus des Längenwachstums in der knorpeligen Wachstumszone ist aber dem der enchondralen Ossifikation bei der Frakturheilung sehr ähnlich, sodass eine Hemmung der Frakturheilung durch Prostaglandine möglich erscheint (11). Eine unabhängige Beurteilung der COX-2-Wirkung ist in diesem Versuch jedoch nicht möglich, da zahlreiche andere durch die Begleitverletzungen induzierte Veränderungen ebenfalls Einfluss auf die Frakturheilung aufweisen können und keine Messungen des systemischen Prostaglandinspiegels durchgeführt wurden.

5. Schlussfolgerungen

Es wurde dargestellt, dass das Thoraxtrauma und der Weichteilschaden einen negativen Effekt auf die Frakturheilung haben. Einen Erklärungsansatz bieten immunologische Modulationen, die hier im COX-2-Stoffwechsels nachgewiesen werden konnten. Im Hinblick auf die Bedeutung von Extremitätenverletzungen für die spätere Mobilität und Lebensqualität Betroffener sind Störungen der Frakturheilung als kritisch zu erachten. Daher ist es notwendig, die ursächlichen Wirkmechanismen weiter zu erforschen, um therapeutisch in die entsprechenden Kaskaden des Heilungsverlaufes eingreifen zu können.

Die Extremitäten- und Thoraxtraumata sind sehr häufige kriegsbedingte Verletzungen, wobei anzunehmen ist, dass die Bedeutung des stumpfen Thoraxtraumas auf Grund von zunehmenden IED-Anschlägen und besserer persönlicher Schutzausrüstung steigen wird. Kenntnisse über die Pathophysiologie und gegenseitige Beeinflussung dieser Verletzungskombination sind somit von hoher wehrmedizinischer Relevanz.

Literatur:

  1.  Bhandari M, Tornetta 3rd P, Sprague S, Najibi S, Petrisor B, Griffith L, Guyatt GH: Predictors of reoperation following operative management of fractures of the tibial shaft. J Orthop Trauma 2003; 17: 353-361
  2. Bondesen BA, Mills ST, Kegley KM, Pavlath GK: The COX-2 pathway is essential during early stages of skeletal muscle regeneration. Am J Physiol Cell Physiol 2004; 287:C475-483
  3. Bonnarens F, Einhorn TA: Production of a standard closed fracture in laboratory animal bone. J Orthop Res 1984; 2: 97-101
  4. Walter Reed Army Medical Center: Emergency War Surgery, 3rd US Revision ed, Vol. 1, 2004.. Northern House Media, Llc (Februar 2011).
  5. Cannon L: Behind armour blunt trauma--an emerging problem. J R Army Med Corps 2001; 147: 87-96
  6. Champion HR, Bellamy RF, Roberts CP, Leppaniemi A: A profile of combat injury. J Trauma 2003; 54: S13-19
  7. Claes L, Augat P, Schorlemmer S, Konrads C, Ignatius A, Ehrnthaller C: Temporary distraction and compression of a diaphyseal osteotomy accelerates bone healing. J Orthop Res 2008; 26: 772-777
  8. Claes L, Ignatius A, Lechner R et al: The effect of both a thoracic trauma and a soft-tissue trauma on fracture healing in a rat model. Acta Orthop 2011; 82: 223-7
  9. Claes L, Maurer-Klein N, Henke T, Gerngross H, Melnyk M, Augat P: Moderate soft tissue trauma delays new bone formation only in the early phase of fracture healing. J Orthop Res 2006; 24: 1178-1185
  10. Einhorn TA: Cox-2: Where are we in 2003? - The role of cyclooxygenase-2 in bone repair. Arthritis Res Ther 2003; 5: 5-7
  11. Einhorn TA: The science of fracture healing. J Orthop Trauma 2005; 19: S4-6
  12. Einhorn TA, Majeska RJ, Rush EB, Levine PM, Horowitz MC: The expression of cytokine activity by fracture callus. J Bone Miner Res 1995; 10: 1272-1281
  13. Gebhard F, Pfetsch H, Steinbach G, Strecker W, Kinzl L, Bruckner UB: Is interleukin 6 an early marker of injury severity following major trauma in humans? Arch Surg 2000; 135: 291-295
  14. Giannoudis PP, Harwood JV, Loughenbury P, Van Griensven M, Krettek C, Pape HC: Correlation between IL-6 levels and the systemic inflammatory response score: can an IL-6 cutoff predict a SIRS state? J Trauma 2008; 65: 646-652
  15. Gondusky JS, Reiter MP: Protecting military convoys in Iraq: an examination of battle injuries sustained by a mechanized battalion during Operation Iraqi Freedom II. Mil Med 2005; 170: 546-549
  16. Han SY, Lee NK, Kim KH et al.: Transcriptional induction of cyclooxygenase-2 in osteoclast precursors is involved in RANKL-induced osteoclastogenesis. Blood 2005; 106: 1240-1245.
  17. Hardy MM, Seibert K, Manning PT et al.: Cyclooxygenase 2-dependent prostaglandin E2 modulates cartilage proteoglycan degradation in human osteoarthritis explants. Arthritis Rheum 2002; 46: 1789-1803
  18. Holcomb JB, McMullin NR, Pearse L et al.: Causes of death in U.S. Special Operations Forces in the global war on terrorism: 2001-2004. Ann Surg 2007; 245: 986-991
  19. Irwin RJ, Lerner MR, Bealer JF, Lightfoot SA, Brackett DJ, and Tuggle DW: Global primary blast injury: a rat model. J Okla State Med Assoc 1998; 91: 387-392.
  20. Jaffin JH, McKinney L, Kinney RC et al.: A laboratory model for studying blast overpressure injury. J Trauma 1987; 27: 349-356
  21. Keila S, Kelner A, Weinreb M: Systemic prostaglandin E2 increases cancellous bone formation and mass in aging rats and stimulates their bone marrow osteogenic capacity in vivo and in vitro. J Endocrinol 2001; 168: 131-139
  22. Kelly JF, Ritenour AE, McLaughlin DF et al.: Injury severity and causes of death from Operation Iraqi Freedom and Operation Enduring Freedom: 2003-2004 versus 2006. J Trauma 2008; 64: S21-26; discussion S26-27
  23. Knoferl MW, Liener UC, Seitz DH et al.: Cardiopulmonary, histological, and inflammatory alterations after lung contusion in a novel mouse model of blunt chest trauma. Shock 2003; 19: 519-525
  24. Lechner R, Achatz G, Hauer T, Palm HG, Lieber A, Willy DC: Patterns and causes of injuries in a contemporary combat environment. Unfallchirurg 2010; 113: 106-113
  25. Li L, Pettit AR, Gregory LS, Forwood MR: Regulation of bone biology by prostaglandin endoperoxide H synthases (PGHS): a rose by any other name. Cytokine Growth Factor Rev 2006; 17: 203-216
  26. Li TF, Zuscik MJ, Ionescu AM et al.: PGE2 inhibits chondrocyte differentiation through PKA and PKC signaling. Exp Cell Res 2004; 300: 159-169
  27. Liener UC, Perl M, Huber-Lang MS et al.: Is the function of alveolar macrophages altered following blunt chest trauma? Langenbecks Arch Surg 2011; 396: 251-159
  28. Mabry RL, Holcomb JB, Baker AM et al.: United States Army Rangers in Somalia: an analysis of combat casualties on an urban battlefield. J Trauma 2000; 49: 515-528; discussion 528-529
  29. Oestern HJ, Tscherne H: Pathophysiology and classification of soft tissue damage in fractures. Orthopade 1983; 12: 2-8
  30. Peleg K, Rivkind A, Aharonson-Daniel L: Does body armor protect from firearm injuries? J Am Coll Surg 2006; 202: 643-648
  31. Ramasamy A, Harrisson S, Lasrado I, Stewart MP: A review of casualties during the Iraqi insurgency 2006--a British field hospital experience. Injury 2009; 40: 493-497
  32. Ramasamy A, Harrisson SE, Clasper JC, Stewart MP: Injuries from roadside improvised explosive devices. J Trauma 2008; 65: 910-914
  33. Ramasamy A, Hill AM, Hepper AE, Bull AM, Clasper JC: Blast mines: physics, injury mechanisms and vehicle protection. J R Army Med Corps 2009; 155: 258-264
  34. Recknagel S, Bindl R, Kurz J et al.: Experimental blunt chest trauma impairs fracture healing in rats. J Orthop Res 2011; 29: 734-739
  35. Stuhmiller JH: Blast Injury. Translating Research into Operational Medicine. Borden Institute, 2008
  36. Suponitzky I, Weinreb M: Differential effects of systemic prostaglandin E2 on bone mass in rat long bones and calvariae. J Endocrinol 1998; 156: 51-57
  37. Trentz OA, Handschin AE, Bestmann L, Hoerstrup SP, Trentz OL, Platz A: Influence of brain injury on early posttraumatic bone metabolism. Crit Care Med 2005; 33: 399-406
  38. Trupka A, Nast-Kolb D, Schweiberer L: Thoracic trauma. Unfallchirurg 1998; 101: 244-258

Danksagung

Diese Arbeit ist angelehnt an meine Dissertationsschrift und wurde im wehrmedizinischen Zusammenhang neu diskutiert. Die Dissertation wurde unter der Leitung von Herrn PD Dr. Gert Krischak an der Klinik für Unfallchirurgie der Universität Ulm (Direktor: Prof. Dr. F. Gebhard) und am Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik der Universität Ulm (Direktorin: Prof. Dr. A. Ignatius) erstellt. Die Arbeit wurde durch die Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG #GE1105/5-1) gefördert. Bei allen, die mich bei dieser Arbeit unterstützt haben, möchte ich mich hiermit auf das Herzlichste bedanken

Datum: 24.01.2012

Quelle: Wehrmedizinische Monatsschrift 2012/1

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