Experimentelle Analyse des Knochenstatus bei Fetternährung im Maus-Modell

Abstract

Adipositas als Risikofaktor für Stoffwechsel- oder kardiovaskuläre Erkrankungen ist allgemein akzeptiert, wohingegen der Einfluss von Fetternährung auf den Knochenstoffwechsel weiterhin kontrovers diskutiert wird. Ziel der vorliegenden Studie war es, den Einfluss der Fetternährung auf die Knochenstruktur und den Knochenstoffwechsel im Mausmodell grundlegend zu untersuchen. Über 23 Wochen wurden 13 vier Wochen alte C57BL/6J Mäuse mit einer high-fat diet (60% der umsetzbaren Energie aus Fett) oder einer Standarddiät (10% der umsetzbaren Energie aus Fett) gefüttert. Der Knochenstatus der Tiere wurde mittels Knochendichtemessungen (DXA-Messung), enzym- und immunhistologischer Untersuchungen, histomorphometrischer Untersuchungen sowie durch Transmissionselektronenmikroskopie und real-time RT-PCR ermittelt. Zur statistischen Auswertung der experimentellen Ergebnisse wurde der Mann-Whitney-Test angewendet, wobei p = 0,05 als Signifikanzniveau festgelegt wurde. Die DXA-Messungen zur Bestimmung der Knochenmineraldichte ergaben keine signifikanten Unterschiede zwischen den Versuchsgruppen. In den histologischen Untersuchungen zeigte sich ein Unterschied in Struktur und Größe der Trabekel sowie im Verlauf der Lamellen innerhalb der Trabekel in der fetternährten Gruppe. Eine signifikante Reduktion (p = 0,026) der Trabekelfläche konnte histomorphometrisch im distalen Femur nach Fetternährung gemessen werden. Die Osteoblasten und Osteoklasten, die mittels enzymhistochemischer Methoden markiert waren, wiesen keine lichtmikroskopischen Unterschiede auf. Im Transmissionenelektronenmikroskop waren bei der Versuchsgruppe die Zellkontakte der Osteoblasten an der Trabekeloberfläche deutlich verändert. Weiterhin wurde bei der Versuchsgruppe ein verminderter Osteoidsaum festgestellt. Auf molekularer Ebene wurde eine signifikante Reduktion in der Kollagen-1 Expression sowohl im Humerus (p = 0,002) als auch im Wirbelkörper L3 (p = 0,004) der Versuchsgruppe gezeigt.Die Ergebnisse dieser Studie weisen mittels zell- und molekularbiologischer Methoden nach, dass eine fettreiche Ernährung einen negativen Einfluss auf den Knochenstatus hat. Die Befunde stehen damit im Einklang mit biomechanischen (Ionova-Martin et al. 2010), molekularbiologischen (Xiao et al. 2010) und µCT-Analysen (Cao et al. 2009; Cao et al. 2010; Patsch et al. 2011), die ebenfalls einen negativen Einfluss einer fettreicher Diät im Mausmodell zeigen konnten. Diese experimentellen Daten bestätigen den im klinischen Alltag bekannten Einfluss von Adipositas auf das Frakturrisiko. Sie weisen darauf hin, dass das Frakturrisiko als Folge der Adipositas nicht nur durch die mangelnde Koordinationsfähigkeit übergewichtiger Patienten bedingt ist, sondern wahrscheinlich auch durch molekularbiologische Prozesse im Knochenstoffwechsel beeinflusst wird. Obesity is well known to be a risk-factor for metabolic and cardiovascular diseases. But the influence of a high-fat diet on bone metabolism has been discussed controversially. The purpose of this study was to gain a broader view of changes in bone structure and bone metabolisme in high-fat diet mice.The study was conducted with thirteen 4 week old C57BL/6J male mice, which were fed either a high-fat diet (HFD) (60 kcal% as fat) or regular laboratory chow (10 kcal% as fat) for 23 weeks. To explore the effects of high-fat diet on bone structure we used DXA-Scan, enzyme- and immune-histology, bone histomorphometry, real-time RT-PCR and transmission electron microscopy (TEM). The results were statistically evaluated with the Mann-Whitney-Test. Differences were considered to be significant at p = 0.05. Results of bone densitometry using DXA-scanning did not show significant differences between the groupes. Histology of cancellous bone revealed group differences in size and lamellar structure. Histomorphometric results showed a significant reduction (p = 0.026) of trabecular surface in distal femora of HFD mice. Differences in number or differentiation grade of osteoblasts and osteoclasts could not be detected by means of enzyme histochemistry. Transmission electron microscopy images of the vertebra of HFD mice showed loose cell-cell contacts between osteoblasts on the trabecular surface and a smaller osteoid rim. The Collagen 1 expression was significantly reduced in humeri (p = 0.002) and vertebrae L3 (p = 0.004) of HFD mice. The results of this study underline the negative effects of a high-fat diet on the bone status of mice. The results are in coincidence with biomechanical (Ionova-Martin et al. 2010), molecular biology (Xiao et al. 2010) and µCT-analysis (Cao et al. 2009; Cao et al. 2010; Patsch et al. 2011) findings also demonstrating negative effects of a high-fat diet on bone metabolism. They confirm the in clinical trials well established relation between obesity and a higher fracture risk because of poorer posture control. In addition changes in microstructure or bone metabolism through a high-fat diet might also contribute to an increased fracture incidence of obese patients.