Der ZETOS : ein Kultur-Belastungssystem für trabekuläre Knochen : Untersuchung an humanen Knochenzylindern

Abstract

Mit dem ZETOS als Kultur-Belastungssystem ist es gelungen, trabekuläre Knochenzylinder über mehrere Wochen zu kultivieren und sie gleichzeitig mechanisch zu stimulieren. Das System kann hierbei die Komplexität imitieren, welche bei einer mechanischen Belastung in vivo auftritt. Dies war anderen Systemen bisher nicht gelungen. Im Zuge durchgeführter Quasi-Statischer-Belastungen können Veränderungen der physikalischen Eigenschaft der Knochenzylinder bestimmt werden. Quasi-Statische-Belastungen dienen der Ermittlung der scheinbaren Steifigkeit, welche in der Maßeinheit eines Elastizitäts-Moduls (E-Modul) wiedergegeben wird. Änderungen im E-Modul erlauben Rückschlüsse auf die Effekte mechanischer Belastungen oder von Pharmaka. Die Zunahme der scheinbaren Steifigkeit ist die von uns histologisch belegte Folge eines appositionellen Knochenwachstums. Damit es jedoch zu einem appositionellen Knochenwachstum kommt, muss der mechanische Stimulus oberhalb einer Grenzschwelle und innerhalb eines physiologischen Bereiches liegen, da es anderweitig zu einem Verlust an Knochendichte kommt bzw. mit einer Degeneration der Knochenstruktur zu rechnen ist. Zwischen einer unbelasteten Kontrollgruppe und zwei mit 1000 µstrain respektive 3000 µstrain belasteten Versuchsgruppen (verwendet wurde eine Jumping-Sequenz) zeigten sich, nach einer zweifaktoriellen Varianzanalyse mit Messwiederholungen im Faktor Zeit, signifikant globale Gruppen- (p = 0.008) und Zeiteffekte (p < 0.0001), sowie eine hoch signifikante Wechselwirkungen zwischen Zeit und Gruppe (p = 0.0002). Eine durchgeführte einfaktorielle Varianzanalyse mit einmalig gemessenen Werten Osteoid und Osteoprotegerin ergab statistisch signifikante Streuungsunterschiede (p = 0.02), wohingegen ein abschließender Welch-Test mit p = 0.055 knapp nicht signifikant war. Bei der Untersuchung der Zusammenhänge dieser beiden Merkmale mit Hilfe von Korrelations- bzw. Regressionsanalysen, konnte mit einem Korrelationskoefizienten (r) von 0.973 eine deutliche Abhängigkeit der Osteoidauflagerung von Osteoprotegerin nachgewiesen werden.

The ZETOS is used for mechanical loading of bone cores. It facilitates the cultivation and defined mechanical stimulation of the trabecular bone cores over several weeks simultaneously. The complex behavior of mechanical forces in vivo can be first time mimicked by this system. Changes of physical properties of the bone cores can be investigated during quasi-static-loadings. Apparent stiffness is declared in dimension units of the Youngs-Modulus and can be measured using quasi-static-loads. Conclusions can be drawn due to rearrangement of trabecular bone and thus changes of the Youngs-Modulus in respect to the influence of mechanical and pharmaceutical reagents. Increase of apparent stiffness is proved to be caused by appositional bone growth. To induce appositional bone growth the level of mechanical loading has to exceed a certain threshold. Furthermore amplitude of mechanical stimulation has to remain within a physiological range, otherwise a decrease in bone mass and thus a degeneration of trabecular bone structure can occur. Two-way ANOVA of an unloaded control group and two groups which has been loaded by 1000 µstrain and 3000 µstrain (a 'Jumping-Signal' was used) respectively was performed examining the time-factor by experiment repetition. In conclusion significant global groups (p = 0.008), time effects (p = <0.0001) and highly significant interaction between time and group (p = 0.0002) were observed. One-way ANOVA of singular measured characteristics of osteoid and osteoprotegerine results in differences of variance which exhibit statistical significance, whereas a Welch-Test was not significant subsequently. Investigation on coherences between these two characteristics by correlation- and regression analysis show an explicit correlation between osteprotegerine and the thickness of the osteoid surface.