Regulation der extrazellulären Matrix während der Knochendefektheilung im Schafmodell der steroidal und diätetisch induzierten Osteoporose

Abstract

Osteoporose als systemische Erkrankung des Skeletts imponiert histologisch durch eine gestörte Knochenarchitektur und unausgewogene Knochenumbauvorgänge. Die Knochendichte sinkt. In der klinischen Diagnostik spielt daher die DXA-Messung eine zentrale Rolle. Pathophysiologisch steht bei diesem Krankheitsbild das Missverhältnis aus gesteigerter Resorption mit geringer Formation von Knochensubstanz im Fokus. In dieses Gleichgewicht nehmen viele verschiedene Faktoren Einfluss. Die mit 95% häufigste Form der Osteoporose wird durch den postmenopausalen Östrogenmangel der Frau bedingt. In Deutschland lag die Prävalenz der Osteoporose im Jahre 2009 bei 14% der über 50 jährigen beider Geschlechter. Das Lebenszeitrisiko eine Osteoporose-assoziierte Fragilitätsfraktur zu erleiden liegt derzeit für Frauen bei bis zu 50%, bei Männern bis zu 22%. In Zukunft werden durch den demografischen Wandel diese Zahlen weiter anwachsen, sodass ein detailliertes Verständnis der Abläufe der osteoporotischen Defektheilung immer bedeutender wird.Anders als im menschlichen Körper konnte in dieser Studie im Schafmodell eine manifeste Osteoporose mit Abnahme der Knochendichte erst durch eine dreifache Osteoporoseinduktion mittels Ovarektomie, Kalzium- und Vitamin D-arme Diät sowie Glukokortikoidinjektionen (OVXDS) erreicht werden. Histologische Kennzeichen der Defektheilung in OVXDS waren der bis nach achtmonatiger Heilung verbleibende Weichteilkallus und bestehende Knorpelreste mit geringem Col X-Gehalt. Strukturelle Veränderungen konnten sowohl in Spongiosa als auch in Kortikalis beobachtet und auf diese Weise die weitreichenden Auswirkungen der Osteoporose dokumentiert werden. Weiterhin war der Anteil des knochentypischen Col I in OVXDS am geringsten und das osteozytäre Netzwerk gestört. Zusammen mit der osteozytären Überexpression von RANK-L mit gesteigertem RANK-L/ OPG-Quotienten konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass sich in OVXDS definitionsgemäß nach achtmonatiger Heilung eine Pseudarthrose entwickelte. Zusätzlich zur insuffizienten Heilung konnte histomorphometrisch eine Mineralisierungsstörung aufgedeckt werden, in der unkoordiniert kollagenes Gewebe verknöchert wird. In vivo wurden diese Vorgänge durch die geringste Mineralisationsrate bewiesen. Diese Erkenntnisse können in Zukunft dazu beitragen, die chirurgische Behandlung osteoporotischer Frakturen an die Herausforderungen anzupassen und die suffiziente Versorgung durch Entwicklung neuer Implantate und Materialien zu gewährleisten. Osteoporosis is systemic disease hallmarked by disturbed bone structure and bone remodeling through cellular imbalance. The reduction of bone density is clinically diagnosed using DEXA measurement in potentially osteoporotic patients. The imbalance, caused by increased resorption and decreased formation of bone, mark the pathophysiological symptoms of the diseases. The bone remodeling imbalance is multifactorial and most observed is the postmenopausal estrogen deficiency in women. Nevertheless, in Germany 14% of patients over 50 years of age are diagnosed with osteoporosis in both genders. Osteoporotic fragility fractures are associated to high mortality rate, 50% in females and 22% in males. Prospectively, mortality rates will grow even bigger in the aging community in industrial countries. Therefore, the profound understanding of the healing process of osteoporotic fractures is detrimental. The current study aims at understanding the fracture healing pattered in a sheep model of osteoporosis. The triple therapy of bilateral ovariectomy, multideficient diet and glucocorticoid administration (OVXDS) resulted in a lower bone density characterized by DEXA. A major study milestone was the reduction of number of experimental animals utilized. Therefore, defects were created in the iliac crest to serve characterization of osteoporosis progression and later time points of defect healing. After 8 months (M) of healing cartilaginous remnant with small areas of hypertrophic cartilage. The structural alterations in the bony bridging of cortices and formation of trabeculae reflected the effect of osteoporosis manifestation. Furthermore, inferior bone quality was correlated to small type I collagen positive areas. Osteocyte networking was disturbed with less spindle shaped osteocytes compared to spherical ones. Interestingly, overexpression of RANK-L in osteocytes despite a high RANK-L/ OPG global ratio correlated exponentially with treatment progression. Besides the delayed healing, inhomogeneous mineralized patches within the collagenous tissue were present. The double fluorochrome labelling of dynamic mineralization reflect the inferior mineralization rate in OVXDS after 8M of healing. Altogether, the lack of boney bridging, presence of deficient mineralization and cartilaginous remnants are hallmarks of pseudoarthrosis formation in osteoporotic fractures. The results gained in this work will serve as building block for the development of bone substitute materials designed to aid healing of osteoporotic fractures and avoid the formation of pseudoathrotic tissue.