Histologische Evaluation der Osteozytenmorphologie und -lokalisation bei einem Schafsmodell der Osteoporose

Abstract

Die systemische Skeletterkrankung Osteoporose führt zu einem gesteigerten Knochenabbau und einer daraus resultierenden erhöhten Frakturgefahr. Auf Grund der zunehmenden Prävalenz der Erkrankung in den Industrieländern besitzt die Grundlagenforschung zur Pathogenese für die Prävention, Diagnostik und Behandlung eine besondere Bedeutung.Ziel der Dissertationsarbeit war es, die Veränderungen des Knochens und der Osteozyten, die als Dirigenten des Knochenstoffwechsels angesehen werden können, im Zuge der Osteoporose zu analysieren.Für die experimentelle Studie wurden 32 weibliche Merinolandschafe in vier Gruppen aufgeteilt: 1) unbehandelte Kontrolle, 2) bilaterale Ovariektomie (OVX), 3) OVX und Calcium- sowie Vitamin-D-arme Diät (OVXD) und 4) OVX, Diät und Steroidinjektionen (OVXDS). Nach acht Monaten wurden die Tiere euthanasiert und das Femur sowie der LWK4 entnommen.Mit Hilfe von histologischen und neuen histomorphometrischen Untersuchungs-methoden wurde gezeigt, dass es zur Abnahme der spongiösen Knochenfläche kommt und dass das Turnover-Modell des Knochens modifiziert werden sollte. Gesunder Knochen weist eher schalenartiges als plattenartiges, Trabekelwerk auf, das sich zu stabförmigen Bälkchen umwandelt. Auf Grund unterschiedlicher Belastung des Knochens in verschiedenen Regionen wirkt sich diese sowohl auf den Spongiosaaufbau, die Osteozyten als auch auf den Ausprägungsgrad der Osteoporose aus. Die reduzierte Osteozytenzahl, die steigende Zahl sphärischer Formen und Lakunen im Zuge der Osteoporose deutet die Umwandlung und Apoptose des Osteozyten an. Eine signifikante Reduktion der spindelförmigen Zellen und des dendritischen Netzwerks konnte histomorphometrisch nicht gefunden werden. Allerdings legen histologische Schnitte dies nahe und es bedarf der weitergehenden Analyse mit modifizierten Untersuchungsmethoden.Histologisch konnten Veränderungen des osteozytären lakunokanalikulären System (OLCS) beschrieben werden, dessen Ausprägung stark von der Osteoporose beeinflusst zu werden scheint. Die Veränderungen des dendritischen Netzwerks könnten somit den Funktionsverlust des Osteozyten in der Osteoporose widerspiegeln. Eine wechselseitige Beziehung zwischen Mikrofrakturen im Netzwerk, dem Tod des Osteozyten und der gesteigerten Knochenresorption ist anzunehmen. Die geringe Datenlage zu Veränderungen des dendritischen Netzwerks im osteoporotischen Knochen kann durch die Forschungsergebnisse erweitert werden.Die eigenen Untersuchungsresultate untermauern die neuen Erkenntnisse zur Rolle des Osteozyten und decken sich weitgehend mit der Fachliteratur. Für die Praxis muss der Einsatz von Glukokortikosteroiden kritisch diskutiert und entsprechende knochenschützende Maßnahmen ergriffen werden. Da sich Belastung anti-apoptotisch auf den Osteozyten auswirkt, kommt besonders der Mobilisation älterer Patienten sowie der ausgewogenen Beanspruchung des Knochens in der Jugend und der davon beeinflussten peak-bone-mass eine große Bedeutung zu.Daneben wurde gezeigt, dass das Schaf als Großtiermodell der Osteoporose dienen kann. Durch die vielen Homologien mit dem Menschen kann es gut zur histologischen Evaluation und zur Untersuchung der Zellularität herangezogen werden. Auch Biomaterialien und Implantate können am Schafsmodell auf Grund der Größe besser getestet werden. The systemic bone disease osteoporosis leads to an increased bone turnover and results in an extended fracture risk. Due to the growing prevalence of the disease in the industrial countries, research of its pathogenesis is fundamental for the prevention, diagnostic and treatment. Since the dogma of osteocytes as dormant, inactive bystanders embedded in bone matrix has fundamentally changed, the dissertation focusses on the analysis of changes in bone status as well as the morphological osteocyte transformation during osteoporotic turnover.For this experimental study 32 female merino sheep were divided into four groups: 1) untreated control group, 2) bilaterally ovariectomized group (OVX), 3) OVX + calcium and vitamin-D deficient diet group (OVXD), 4) OVX+ diet+ steroid injection group (OVXDS). After eight months, the animals were euthanized and samples of the femur and fourth lumbar vertebral body were taken.Histological and histomorphometrical methods have shown, that osteoporosis leads to a reduction of bone mass. Furthermore, results indicated that the initial bone transformation model should be adjusted. The varying load on bone in different locations influences the cancellous bone structure, osteocytes and thusly the manifestation of osteoporosis. Morphological osteocyte transformation is characterized by reduced numbers of osteocytes, increased numbers of spherical morphologies and empty lacunae. A reduction of spindle-shaped cells and a loss of the dendritic network could not be determined. However, histological findings implicate such changes. Hence, further advanced analysis with different modified methods are needed. Furthermore, histological analysis has shown that the osteocytic lacunar-canalicular system (OLCS) is strongly affected by osteoporosis. Thus, changes of the dendritic network could reflect the loss of function of osteocytes in the pathophysiology of osteoporosis. In addition, a reciprocal relationship between microfractures of the network, the death of osteocytes and the osteoporotic turnover could be assumed. On the basis of the presented findings of this study, the limited data on changes in the dendritic network in osteoporotic bone can be extended.The collected data strongly support recent insights reported in literature on the role of the osteocyte. Based on the results, medical use of glucocorticoids has to be considered carefully. In case of steroid therapy, appropriate bone protective treatments should be undertaken. Due to the osteoprotective effect of loaded to bone, the impact of physiological mobilization of aging people as well as strain on bone in the adolescence has to be considered important.