Evaluation der Knochenarchitektur im steroid-induzierten Osteoporosemodell der Ratte mittels Mikro-CT

Abstract

Strukturelle Veränderungen der ossären Mikroarchitektur stellen beim Krankheitsbild der Osteoporose einen grundlegenden Abschnitt der Pathogenese dar. Die hohe Auflösung der Mikro-Computertomographie sowie das nicht-destruktive Ermitteln dreidimensionaler Volumendatensätze machen eine Visualisierung und Quantifizierung der Veränderungen möglich. Im Falle eines simultanen Vorliegens der (Risiko-) Faktoren postmenopausaler Hormonlage und Steroidtherapie zeigt sich jedoch ein noch recht unerforschtes Gebiet, das dringend weitere Aufklärung mithilfe von Tiermodellen sucht. Mittels µCT kann die Bestimmung spezifischer Parameter beim quantitativen Vergleich der Struktur des osteoporotischen Knochens zu gleichaltrigen gesunden Ratten erfolgen.Über eine Studienlaufzeit von insgesamt vierzehn Monaten wurden Spongiosaproben aus dem Wirbelkörper Th10 sowie der proximalen Tibia von ovarektomierten Ratten unter Steroidtherapie mit Sham-Tieren sowie einer Kontroll-Gruppe verglichen. Messungen der Strukturparameter und die mikro-computertomographische Darstellungen des dreidimensionalen Trabekelwerkes erfolgten einen, drei, zwölf und vierzehn Monat/e postoperativ. Um eine Analyse der Strukturparameter BV/TV, Tb.N, Tb.Th, Tb.Sp, SMI, Tb.Pf und i.S durchführen zu können, wurden die Daten bei einer isotropen Voxelgröße von ca. 7 µm (Th10) bzw. 8 µm (Tibia) detailgetreu rekonstruiert. Die Bestimmung der Spongiosalänge erfolgte anhand axialer Tomogramme. Der zeitliche Verlauf der Osteoporose-Gruppe (OVX + Steroide) zeigte (hoch) signifikante Reduktionen des relativen Knochenvolumens BV/TV, der trabekulären Schnittfläche i.S sowie der Trabekelanzahl Tb.N in beiden Regionen. Dementsprechend vergrößerte sich die intertrabekuläre Distanz Tb.Sp hoch signifikant und ein drastischer Rückgang der trabekulären Ausdehnung in der Tibia war zu sehen. Deutliche Wechsel in der Oberflächenmorphologie von Konkavität zu Konvexität mit konsekutiver Abnahme der Vernetzung sowie Änderungen von platten- zu stab-ähnlichen Strukturen konnten durch (hoch) signifikante Wertanstiege in Tb.Pf bzw. SMI nachgewiesen werden. Bereits Einzelergebnisse, jedoch v.a. die Kombination der deutlichen Resultate bewiesen die Induktion osteoporotischer Verhältnisse im Tiermodell der ovarektomierten Ratte unter Steroidtherapie. Allerdings lässt die Entwicklung der Trabekeldicke Tb.Th mit einem gleichbleibenden Wert der Wirbelkörper bzw. einer Zunahme in den Tibiae noch einige Fragen offen und demonstriert die Wichtigkeit weiterer vergleichender Studien in diesem Gebiet. Structural changes in the micro-architecture of bone display a basic segment of the pathogenesis of osteoporosis. Visualization and quantification of these changes are achieved by a high resolution of micro-computertomography and a non-destructive gathering of a three-dimensional volumetric dataset. In case of a simultaneous combination of postmenopausal hormone-deficiency and steroid therapy only a few studies can be found that show the effects of these (risk) factors. Therefore, further investigation by using animal models has to be done. In order to compare the structure of an osteoporotic bone with healthy rats quantitatively a micro-CT calculation of specific parameters is helpful.Vertebral and tibial samples of ovariectomized rats with steroid therapy were compared to sham groups as well as to one control group. Measurements took place after one, three, twelve and fourteen month/s of the duration of this study. The length of spongiosa was defined by the last trabeculae in the axial slices and showed a marked decline over fourteen months. The analysis of the morphometric parameters BV/TV, Tb.N, Tb.Th, Tb.Sp, SMI, Tb.Pf and i.S was done after the reconstruction of 3D-pictures by using an isotropic voxel size of approximately 7 (Th10) or 8 (tibia) micrometer. In both regions the time course of the osteoporosis group (OVX +Steroide) showed (highly) significant reductions in the percent bone volume BV/TV, the intersection surface i.S and the trabecular number Tb.N. Inversely, the trabecular separation Tb.Sp extended highly significant. Drastic shifts in surface morphology like a changing from concavity to convexity and thus a following decrease in trabecular connectivity could be detected with a highly significant growth in the trabecular pattern factor Tb.Pf. Also, the SMI increased significantly and demonstrated a conversion from plate- to strut-like objects. All of these results, but especially their combination, established the induction of osteoporosis in animal models of ovariectomized rats with steroid therapy. However, the development of the trabecular thickness Tb.Th shows stable values in vertebral bodies and even an obvious rise in tibial trabecular bones. These findings highlight that many questions have not been solved yet and demonstrate the importance of further studies dealing with this kind of risk factor combination.