In der vorliegenden Arbeit wurde in einem in-vivo-Tiermodell das Ausmaß der Tumorzelladhäsion an chirurgischen Nahtmaterialien untersucht. In zwei Nacktmäusen wurde durch orthotope Implantation ein humanes Magenkarzinom induziert. Nach Laparotomie wurde das Magenkarzinom freigelegt und folgende acht kommerziell verfügbare Fadensorten in der Stärke 4/0 (USP) in vivo durch vitales Tumorgewebe gezogen: Prolene®, Monoplus®, Monosyn®, PDS II® und Maxon® (jeweils monofil), Polysorb®, Safil® und Vicryl® (jeweils polyfil). Anschließend wurde die Fadenoberfläche direkt hinter der Nadel sowie zehn Zentimeter hinter der Nadel raster-elektronenmikroskopisch dargestellt und immunzytochemisch sowie molekular-biologisch auf die Adhäsion humaner Tumorzellen hin untersucht. Als qualitatives Nachweisverfahren dienten die EPIMET®-Färbung, bei der das humane epitheliale Stukturprotein Zytokeratin CK-20 im Zytoplasma farblich markiert wird, sowie eine nested-reverse-Transkriptase-Polymerasekettenreaktion (PCR) mit human-CK-20-spezifischen Primerpaaren. Die Rasterelektronenmikroskopie zeigte bei jeder Fadensorte auf mindestens einer Probe Zellbeläge. Der immunzytologische Nachweis erwies sich als wenig sensitiv und gelang nur für Proben von Monoplus®, Maxon® und Safil®. Die PCR identifizierte CK-20-positive Zellen auf allen polyfilen Fäden (Polysorb®, Safil® und Vicryl®) sowie den monofilen Sorten Monosyn®, Monoplus® und Maxon®. Alle PCR-Proben von Prolene® oder PDS II® waren negativ. Damit fiel die Tumorzelladhäsion auf monofilen Proben in der PCR signifikant geringer aus als auf polyfilen Proben (p < 0.017). Dies kann im wesentlichen mit der ausgeprägten Traumatisierung des Gewebes durch den Sägeeffekt polyfiler Fäden begründet werden. Unterschiede in der Zelladhäsion zwischen den einzelnen monofilen Fadensorten lassen sich möglicherweise auf ihre unterschiedliche chemische Struktur (polare Gruppen, Wasserstoffbrückenbindungen) und deren Interaktion mit der Tumorzelloberfläche zurückführen. Für die gastrointestinale Tumorchirurgie wird empfohlen, weiterhin eine konsequente No-Touch-Technik einzuhalten, um eine Exfoliation viabler Tumorzellen, deren Adhäsion an Nahtmaterial und damit das Risiko eines Anastomosenrezidivs durch Implantation der am Faden adhärenten Tumorzellen zu reduzieren. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die monofilen Fäden aus PDS II® und Prolene® in der Gesamtschau der Ergebnisse die geringste Tendenz zur Tumorzelladhäsion aufweisen und somit im Vergleich zu den anderen untersuchten Fäden bei onkologischen Eingriffen bevorzugt werden sollten; die mehrfache Verwendung eines Fadens sollte wegen der verlängerten Kontaktzeit zwischen Faden und Anastomose vermieden und für jeden Durchstich ein neuer Faden verwendet werden. Geflochtene Nahtmaterialien sollten dagegen wegen des erhöhten Risikos für Tumorzelladhäsion und -implantation in der onkologischen Anastomosentechnik keine Anwendung finden. Es bedarf weiterer Studien zum Verständnis der unterschiedlich stark ausgeprägten Tumorzelladhäsion unter den verschiedenen monofilen Fäden. Als Ursachen denkbar wären Oberflächeneigenschaften wie z. B. elektrische Ladung, Hydrophilie/-phobie oder chemische Eigenschaften. Ein weiterer Ansatz wäre die Beschichtung von monofilen Nahtmaterialien mit Zytostatika zur Inhibition der Tumorzellvermehrung auf der Oberfläche der Anastomosennaht. / The aim of the present study was to evaluate the adhesion of tumor cells on surgical sutures in an in-vivo animal model. A human gastric carcinoma was induced by orthotopic implantation into two nude mice. After laparotomy, the following eight commercial surgical sutures (4/0 USP) were pulled through vital tumor tissue: Prolene®, Monoplus®, Monosyn®, PDS II® and Maxon® (monofilament structure), and Polysorb®, Safil® and Vicryl® (multifilament structure). Three methods were used to evaluate the results: scanning electron microscopy (SEM) of the suture surface, detection of tumor cells by immunocytochemical EPIMET® staining (which stains the human epithelial structure protein cytokeratin CK-20 in cytoplasm) and by detection of tumor specific mRNA (encoding CK-20) by nested reverse transcriptase polymerase chain reaction (PCR). In SEM each type of suture showed cellular coating on the surface of at least one sample, although the cells could not be identified as of tumor origin. The sensitivity of immunocytochemical staining was poor; positive staining was successful in Monoplus®, Maxon® and Safil® samples only. PCR identified CK-20 positive cells on each multifilament suture and on monofilament Monosyn®, Monoplus® and Maxon®. No Prolene® and PDS II® samples were positive in PCR. Thus, there was significantly less tumor cell adhesion in PCR on monofilament than on multifilament sutures (p < 0.017). This is mainly due to gross tissue damage by the “sawing effect” of multifilament sutures. Differences in the tumor cell adhesion among monofilament sutures may be due to different chemical structure (polar groups, hydrogen bonds) and their interaction with the tumor cell surface. A consequent no-touch-technique in gastrointestinal tumor surgery is recommended in order to prevent exfoliation of viable tumor cells, cell adhesion on suture threads and to reduce the risk of local anastomostic recurrence by implantation of adherent tumor cells. Regarding the results, monofilament PDS II® and Prolene® show the least tendency for tumor cell adhesion. Multiple use of one thread should be avoided and a new thread should be taken for each stitch in order to minimize contact time between thread and anastomosis. Evidence of a higher risk of both tumor cell adhesion and implantation makes the use of braided suture obsolete in oncological surgery. Further studies are needed to better understand the differences in tumor cell adhesion among different monofilament sutures due to surface qualities like electrical charge, hydrophilia/-phobia or chemical qualities. Other approaches should include cytostatic coating of monofilament threads in order to inhibit tumor cell growth on the surface of threads used for anastomotic sutures.

Die Entwicklung innovativer Therapiekonzepte für die Knochenregeneration erfordert validierte segmentale Knochendefekt-Tiermodelle. Dabei ist das Mausmodell für die präklinische Testung von zentraler Bedeutung, jedoch fehlen in der wissenschaftlichen Literatur bislang Angaben zu validierten, extern stabilisierenden kritischen segmentalen Knochendefektmodellen an der immundefizienten Maus. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung und in vivo Evaluierung eines zuverlässigen und einfach zu handhabenden Modells für extern stabilisierte kritische Knochendefekte an der immundefizienten Maus. Dreißig männliche nu/nu-Mäuse (40,7±2,8 g, 95±2,6 d) wurden mittels Isofluraninhalation narkotisiert und anschließend ein externer Fixateur (MouseExFix, RISystem, AO Research Institute Davos, Schweiz) am rechten Femur angebracht. Femorale Knochendefekte der Länge 1 mm (n=10), 2 mm (n=10) und 3 mm (n=10) wurden erzeugt. Der Wundverschluss erfolgte mit Einzelknopfnähten. Röntgenaufnahmen wurden unmittelbar postoperativ und im Folgenden alle zwei Wochen innerhalb des Beobachtungszeitraums von zwölf Wochen angefertigt und im Hinblick auf Knochenregeneration und –fusion ausgewertet. Weiterhin wurden histomorphologische, histomorphometrische, immunhistochemische und µCT-Analysen zur dreidimensionalen und zellulären Beurteilung der Knochenheilung angefertigt. Alle Tiere überlebten die Operation. Sechs Tiere starben innerhalb des Beobachtungszeitraums als Folge von starkem Blutverlust (n=1), Infektion (n=1), Pinlockerung, welche die Euthanasie erforderlich machte (n=2) und durch Komplikationen bei der Anästhesie (n=2). Die µCT-Analyse nach zwölf Wochen zeigte, dass 3/8 der 1 mm-Defekte, 5/8 der 2 mm-Defekte und 8/8 der 3 mm-Defekte eine Pseudarthrose aufwiesen. Das mittlere Defektvolumen stieg signifikant (p<0,001) mit der Größe des Defektes und betrug 0,36±0,42 mm³ (1 mm-Gruppe), 1,4±0,88 mm³ (2 mm-Gruppe), bzw. 2,88±0,28 mm³ (3 mm-Gruppe). Die mittlere Defektgröße verringerte sich entsprechend um 77,6% (1 mm-Gruppe), 56,8% (2 mm-Gruppe), bzw. 28,6% (3 mm-Gruppe). Die histomorphologischen, histomorphometrischen und immunhistochemischen Analysen zeigten keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den drei experimentellen Gruppen. Das verwendete MouseExFix-System ist ein zuverlässiges und einfach zu handhabendes Verfahren zur Stabilisierung eines kritischen segmentalen Knochendefekts an der immundefizienten Maus, wenn ein 3 mm-Defekt erzeugt wird. Das im Rahmen der Studie entwickelte und validierte murine extern stabilisierte, segmentale kritische Knochendefektmodell ermöglicht die präklinische Evaluierung von Konzepten zur lokalen Knochenregeneration inklusive der Verwendung allo- und xenogener Zellen. / The development of innovative therapies for bone regeneration requires the use of advanced site-specific bone defect small animal models. In this context, murine models are of major importance as they allow for sufficient sample sizes prior to preclinical testing using larger animals. Owing to the small dimensions of the murine femur only a few custom fabricated fixation devices have been described in the literature so far. The aim of this investigation was to develop and validate a new, externally fixated critical size bone defect model for immunodeficient mice. Thirty male nu/nu mice (40.7 ± 2.8 g, 95 ± 2.6 days old) were anesthetized by isoflurane inhalation and an external fixation device (MouseExFix, RISystem, AO Research Institute Davos, Switzerland) was attached to the right femur. Femoral bone defects of 1 mm (n=10), 2 mm (n=10) and 3 mm (n=10) were created. Wounds were closed without any additional treatment. X-ray films obtained immediately after surgery and every 2 weeks postoperatively during the 12 week postoperative observation period were evaluated for bony regeneration and fusion. Furthermore, histomorphology, histomorphometry, immunohistochemistry and µCT analysis were performed. All of the animals survived the operation. Twenty four out of 30 animals reached the twelfth postoperative week. µCT analyses after twelve weeks showed that 3/8 of the 1 mm defects, 5/8 of the 2 mm defects and 8/8 of the 3 mm defects remained as nonunions. The defect volume was 0.36 ± 0.42 mm³ (1 mm group), 1.40 ± 0.88 mm³ (2 mm group), and 2.88 ± 0.28 mm³ (3 mm group) (p<0.001, between all groups). The defect size decreased by 77.6% (1-mm group), 56.8% (2-mm group) and 28.6% (3-mm group) (p=0.152, between all groups). Our method using the MouseExFix device has proven to be a reliable and easy-to-handle external fixation system for the stabilization of critical-size segmental bone defects in immundeficient mice when 3 mm defects are generated. This mouse model allows for high-throughput translational evaluation of concepts for site-specific bone regeneration including strategies using allogenic and xenogenic cell types.

Die Entwicklung innovativer Therapiekonzepte für die Knochenregeneration erfordert validierte segmentale Knochendefekt-Tiermodelle. Dabei ist das Mausmodell für die präklinische Testung von zentraler Bedeutung, jedoch fehlen in der wissenschaftlichen Literatur bislang Angaben zu validierten, extern stabilisierenden kritischen segmentalen Knochendefektmodellen an der immundefizienten Maus. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung und in vivo Evaluierung eines zuverlässigen und einfach zu handhabenden Modells für extern stabilisierte kritische Knochendefekte an der immundefizienten Maus. Dreißig männliche nu/nu-Mäuse (40,7±2,8 g, 95±2,6 d) wurden mittels Isofluraninhalation narkotisiert und anschließend ein externer Fixateur (MouseExFix, RISystem, AO Research Institute Davos, Schweiz) am rechten Femur angebracht. Femorale Knochendefekte der Länge 1 mm (n=10), 2 mm (n=10) und 3 mm (n=10) wurden erzeugt. Der Wundverschluss erfolgte mit Einzelknopfnähten. Röntgenaufnahmen wurden unmittelbar postoperativ und im Folgenden alle zwei Wochen innerhalb des Beobachtungszeitraums von zwölf Wochen angefertigt und im Hinblick auf Knochenregeneration und –fusion ausgewertet. Weiterhin wurden histomorphologische, histomorphometrische, immunhistochemische und µCT-Analysen zur dreidimensionalen und zellulären Beurteilung der Knochenheilung angefertigt. Alle Tiere überlebten die Operation. Sechs Tiere starben innerhalb des Beobachtungszeitraums als Folge von starkem Blutverlust (n=1), Infektion (n=1), Pinlockerung, welche die Euthanasie erforderlich machte (n=2) und durch Komplikationen bei der Anästhesie (n=2). Die µCT-Analyse nach zwölf Wochen zeigte, dass 3/8 der 1 mm-Defekte, 5/8 der 2 mm-Defekte und 8/8 der 3 mm-Defekte eine Pseudarthrose aufwiesen. Das mittlere Defektvolumen stieg signifikant (p<0,001) mit der Größe des Defektes und betrug 0,36±0,42 mm³ (1 mm-Gruppe), 1,4±0,88 mm³ (2 mm-Gruppe), bzw. 2,88±0,28 mm³ (3 mm-Gruppe). Die mittlere Defektgröße verringerte sich entsprechend um 77,6% (1 mm-Gruppe), 56,8% (2 mm-Gruppe), bzw. 28,6% (3 mm-Gruppe). Die histomorphologischen, histomorphometrischen und immunhistochemischen Analysen zeigten keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den drei experimentellen Gruppen. Das verwendete MouseExFix-System ist ein zuverlässiges und einfach zu handhabendes Verfahren zur Stabilisierung eines kritischen segmentalen Knochendefekts an der immundefizienten Maus, wenn ein 3 mm-Defekt erzeugt wird. Das im Rahmen der Studie entwickelte und validierte murine extern stabilisierte, segmentale kritische Knochendefektmodell ermöglicht die präklinische Evaluierung von Konzepten zur lokalen Knochenregeneration inklusive der Verwendung allo- und xenogener Zellen.:1 Einleitung 1 1.1 Hintergrund 1 1.2 Das Mausmodell 2 1.3 Übersicht Tierversuche mit Knochendefekten 5 1.4 Frakturheilung 6 1.4.1 Allgemeines 6 1.4.2 Räumliche Gliederung 7 1.4.3 Expression von Proteinen der extrazellulären Matrix 8 1.4.4 Das Vier-Phasen-Modell der Frakturheilung 9 1.4.5 Das anabolisch/ katabolische Modell der Frakturheilung 12 1.4.6 Beeinflussung der Frakturheilung 12 1.4.7 Das Diamantkonzept 14 1.5 Osteosynthesesysteme 14 1.6 Pseudarthrosen 15 1.6.1 Definition 15 1.6.2 Ätiologie 16 1.6.3 Klassifikation 16 1.6.4 Therapie 17 2 Material und Methoden 19 2.1 Versuchstiere 19 2.2 Operationsvorbereitung 19 2.3 Operationsablauf 20 2.4 Postoperatives Vorgehen 27 2.5 Verlaufskontrolle 28 2.6 Entnahme der Präparate 29 2.7 Anfertigung der µCT-Aufnahmen 30 2.8 Anfertigung der histologischen Schnitte 30 2.8.1 Bearbeitung der Femora 30 2.8.2 verwendete Färbungen 31 2.9 Beurteilung der Schnitte 32 2.9.1 Histologische Beurteilung 32 2.9.2 Histomorphometrische Beurteilung 33 2.10 Statistik 33 3 Ergebnisse 34 3.1 Überlebensraten und Gewichtsverlauf 34 3.2 Röntgenauswertung 35 3.3 CT-Auswertung 38 3.4 Histologische Auswertung 41 3.5 Histomorphometrische Auswertung 44 3.5.1 TRAP 44 3.5.2 Osteocalcin 46 3.5.3 Osteopontin 47 3.5.4 Osteonectin 48 4 Diskussion 50 4.1 Diskussion etablierter Modelle für kritische Knochendefekte 50 4.1.1 Diskussion der Konzeption der Modelle 50 4.1.2 Diskussion der durchgeführten Anästhesieverfahren 54 4.1.3 Diskussion der Ergebnisse 55 4.1.4 Diskussion der Defektlängen 56 4.1.5 Diskussion der verschiedenen Osteosynthesesysteme 57 4.1.6 Diskussion der Ausfaller 59 4.2 Anwendung und Nutzen immundefizienter Tiermodelle 60 4.3 Vergleich des tibialen und des femoralen murinen Frakturmodells 63 4.4 Diskussion der Beurteilung der Knochenheilung mittels bildgebender und histologischer Verfahren 63 4.5 Anwendungsmöglichkeiten 65 4.6 Schlussfolgerungen 66 5 Zusammenfassung 67 5.1 In deutscher Sprache 67 5.2 In englischer Sprache 68 6 Literaturverzeichnis 70 7 Anhang 92 7.1 Danksagung 92 7.2 Lebenslauf 93 7.3 Veröffentlichungen 95 7.4 Wertetabellen 96 7.5 Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 109 / The development of innovative therapies for bone regeneration requires the use of advanced site-specific bone defect small animal models. In this context, murine models are of major importance as they allow for sufficient sample sizes prior to preclinical testing using larger animals. Owing to the small dimensions of the murine femur only a few custom fabricated fixation devices have been described in the literature so far. The aim of this investigation was to develop and validate a new, externally fixated critical size bone defect model for immunodeficient mice. Thirty male nu/nu mice (40.7 ± 2.8 g, 95 ± 2.6 days old) were anesthetized by isoflurane inhalation and an external fixation device (MouseExFix, RISystem, AO Research Institute Davos, Switzerland) was attached to the right femur. Femoral bone defects of 1 mm (n=10), 2 mm (n=10) and 3 mm (n=10) were created. Wounds were closed without any additional treatment. X-ray films obtained immediately after surgery and every 2 weeks postoperatively during the 12 week postoperative observation period were evaluated for bony regeneration and fusion. Furthermore, histomorphology, histomorphometry, immunohistochemistry and µCT analysis were performed. All of the animals survived the operation. Twenty four out of 30 animals reached the twelfth postoperative week. µCT analyses after twelve weeks showed that 3/8 of the 1 mm defects, 5/8 of the 2 mm defects and 8/8 of the 3 mm defects remained as nonunions. The defect volume was 0.36 ± 0.42 mm³ (1 mm group), 1.40 ± 0.88 mm³ (2 mm group), and 2.88 ± 0.28 mm³ (3 mm group) (p<0.001, between all groups). The defect size decreased by 77.6% (1-mm group), 56.8% (2-mm group) and 28.6% (3-mm group) (p=0.152, between all groups). Our method using the MouseExFix device has proven to be a reliable and easy-to-handle external fixation system for the stabilization of critical-size segmental bone defects in immundeficient mice when 3 mm defects are generated. This mouse model allows for high-throughput translational evaluation of concepts for site-specific bone regeneration including strategies using allogenic and xenogenic cell types.:1 Einleitung 1 1.1 Hintergrund 1 1.2 Das Mausmodell 2 1.3 Übersicht Tierversuche mit Knochendefekten 5 1.4 Frakturheilung 6 1.4.1 Allgemeines 6 1.4.2 Räumliche Gliederung 7 1.4.3 Expression von Proteinen der extrazellulären Matrix 8 1.4.4 Das Vier-Phasen-Modell der Frakturheilung 9 1.4.5 Das anabolisch/ katabolische Modell der Frakturheilung 12 1.4.6 Beeinflussung der Frakturheilung 12 1.4.7 Das Diamantkonzept 14 1.5 Osteosynthesesysteme 14 1.6 Pseudarthrosen 15 1.6.1 Definition 15 1.6.2 Ätiologie 16 1.6.3 Klassifikation 16 1.6.4 Therapie 17 2 Material und Methoden 19 2.1 Versuchstiere 19 2.2 Operationsvorbereitung 19 2.3 Operationsablauf 20 2.4 Postoperatives Vorgehen 27 2.5 Verlaufskontrolle 28 2.6 Entnahme der Präparate 29 2.7 Anfertigung der µCT-Aufnahmen 30 2.8 Anfertigung der histologischen Schnitte 30 2.8.1 Bearbeitung der Femora 30 2.8.2 verwendete Färbungen 31 2.9 Beurteilung der Schnitte 32 2.9.1 Histologische Beurteilung 32 2.9.2 Histomorphometrische Beurteilung 33 2.10 Statistik 33 3 Ergebnisse 34 3.1 Überlebensraten und Gewichtsverlauf 34 3.2 Röntgenauswertung 35 3.3 CT-Auswertung 38 3.4 Histologische Auswertung 41 3.5 Histomorphometrische Auswertung 44 3.5.1 TRAP 44 3.5.2 Osteocalcin 46 3.5.3 Osteopontin 47 3.5.4 Osteonectin 48 4 Diskussion 50 4.1 Diskussion etablierter Modelle für kritische Knochendefekte 50 4.1.1 Diskussion der Konzeption der Modelle 50 4.1.2 Diskussion der durchgeführten Anästhesieverfahren 54 4.1.3 Diskussion der Ergebnisse 55 4.1.4 Diskussion der Defektlängen 56 4.1.5 Diskussion der verschiedenen Osteosynthesesysteme 57 4.1.6 Diskussion der Ausfaller 59 4.2 Anwendung und Nutzen immundefizienter Tiermodelle 60 4.3 Vergleich des tibialen und des femoralen murinen Frakturmodells 63 4.4 Diskussion der Beurteilung der Knochenheilung mittels bildgebender und histologischer Verfahren 63 4.5 Anwendungsmöglichkeiten 65 4.6 Schlussfolgerungen 66 5 Zusammenfassung 67 5.1 In deutscher Sprache 67 5.2 In englischer Sprache 68 6 Literaturverzeichnis 70 7 Anhang 92 7.1 Danksagung 92 7.2 Lebenslauf 93 7.3 Veröffentlichungen 95 7.4 Wertetabellen 96 7.5 Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 109

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