Histomorphometrische Untersuchung von Osteozyten in strontium- und nichtstrontiumhaltigen Knochenersatzmaterialien

Abstract

Im Zuge des demografischen Wandels wächst die Anzahl der an Osteoporose erkrankten Patienten an. In der Folge steigt ebenfalls das Risiko für Osteoporose-assoziierte Frakturen an. Dies hat massive Auswirkungen auf die Morbidität, Mortalität und Lebensqualität der Patienten, aber auch auf die Volkswirtschaft. Bisher konnten klinisch positive Effekte einer systemischen Strontiumgabe auf den Gesamtknochenstatus belegt werden. Der nächste Schritt ist nun diese vielversprechenden Resultate durch lokale Applikation in Knochendefekte nutzbar zu machen, wobei eine postive Wirkung auf Osteoblasten und Osteoklasten bereits bestätigt wurde. Ziel dieser tierexperimentellen Arbeit war es, nun am Rattenmodell mit osteoporotischem Knochenstatus anhand eines critical-size Defektes, den Einfluss von Strontium in verschiedenen Knochenersatzmaterialien auf Osteozyten in der direkten Umgebung des Materials zu untersuchen. In 14-Wochen alten weiblichen Sprague-Dawley Ratten wurde einer Osteoporose durch multidefizitäre Diät in Kombination mit einer bilateralen Ovarektomie induziert. Die Implantation der verschiedenen Knochenersatzmaterialien erfolgte in einen standardisierten critical-size Defekt im Bereich der femoralen Metaphyse, welcher zusätzlich mit einer Plattenosteosynthese stabilisiert wurde. 6 Wochen nach der Operation wurden die Ratten euthanasiert und die Femora zur weiteren Analyse entnommen. Es erfolgte die histologische, immunhistochemische und histomorphometrische Auswertung der Proben am Implantat-/Gewebeübergang. Es zeigte sich ein nahezu vollständiger Abbau des Materials in den Gruppen B30, ScB30 und ScB30Sr30, wohingegen in CPC und Sr-CPC noch deutliche Materialrückstände zu finden wa- ren. Beim Vergleich des Bindegewebes im Defektbereich (Region of Interest) zwischen CPC und Sr-CPC konnte signifikant mehr Osteoid und Kollagengewebe im Vergleich zu Knorpelgewebe nachgewiesen werden (p<0,001). Daraus kann geschlossen werden, dass die Knochenbruchheilung zum Zeitpunkt der Euthanasie relativ weit fortgeschritten war. Bei der Analyse der Anzahl der Osteozyten im Bereich des ROI ergaben sich signifikante Unterschiede bei den Zustandsarten (p<0,001), jedoch keine relevanten Unterschiede zwischen den einzelnen Gruppen. Bei der Auswertung der osteozytären Marker konnte ein deutlicher Anstieg von BMP2 durch Strontium in der Bioglas-Gruppe nachgewiesen werden. Dkk1 inhibiert über den Wnt/β-catenin Signalweg die Osteogenese. Unter dem Einfluss von Strontium ließ sich eine Reduktion der Dkk1-positiven Zellen nachweisen. Ebenfalls inhibierend auf den Wnt/β-catenin Signalweg wirkt Sklerostin. Bei signifikanten Unterschieden zwischen CPC und Bioglas (p=0,022) sanken die SOST-positiven Osteozyten unter dem Einfluss von Strontium. Bei der Anzahl der MEPE-positiven Osteozyten zeigen sich ebenfalls signifikante Unterschiede zwischen beiden Gruppen (p=0,006). Durch Strontium sinkt die Anzahl der Zellen in der CPC-Gruppe massiv ab, wohingegen die Anzahl in der Bioglas-Gruppe nahezu unverändert ist. Es ist anzunehmen, dass die Knochenbruchheilung in den Bioglasgruppen wei- ter vorangeschritten ist, es jedoch durch Strontium zu einer Beschleunigung der Knochenbruch- heilung in der CPC-Gruppe kommt. Bei der Analyse von RANKL und OPG zeigen sich erneut deutliche Unterschiede zwischen CPC und Bioglas. Durch den Zusatz von Strontium wird die Aktivität von RANKL und OPG in Bioglas erhöht, wobei sie bei CPC sinkt. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Strontium einen signifikanten Einfluss auf die Osteozyten hat und die Knochenbruchheilung anregt sowie inhibierende Marker herunterreguliert. Weiterhin konnte bei Bioglas im Vergleich zu CPC eine schneller voranschreitende Knochenbruchheilung festgestellt werden.