1.3 Osteoporoseforschung
1.3.1 Allgemeine Schwerpunkte der tierexperimentellen Osteoporoseforschung
Durch das hohe Frakturrisiko geht die Osteoporose mit einer erhöhten Mortalität sowie Morbidität und aufgrund der weiten Verbreitung auch mit einer finanziellen Belastung der Gesundheitssysteme einher (Bonjour et al. 1999). Dies begründet die starke Relevanz einer weiteren Erforschung dieser Erkrankung und ihrer Therapie-möglichkeiten. Bevor Medikamente und Therapiekonzepte am Menschen zum Ein-satz kommen, müssen sie in präklinischen Studien auf ihre Wirksamkeit und Ver-träglichkeit getestet werden. Speziell für die Osteoporoseforschung stehen bereits viele valide Tiermodelle zu verfügen. Der größte Teil der tierexperimentellen Studien der Osteoporoseforschung konnte die Ergebnisse klinischer Studien voraussagen.
So konnte vielfach bewiesen werden, dass sich die zu erforschenden Mechanismen der antiosteoporotischen Therapie von den Versuchstieren auf den Menschen über-tragen lassen (Bonjour et al. 1999).
Die beiden Hauptaufgaben der präklinischen Osteoporosestudien sind die Grundla-generforschung neuer Wirkstoffe (Metabolismus, Pharmakodynamik, Sicherheit und Toxizität) und deren speziellen Wirkmechanismen am skelettalen Metabolismus. Als wichtigste Ziele gelten hierbei der Nachweis von Therapieeffekten an geeigneten Tiermodellen und die Erforschung der Auswirkungen auf Knochenmasse und Kno-chenstärke, um damit das Frakturrisiko sowie die Folgeerkrankungen verringern zu können (Ammann und Rizzoli 2003, Bonjour et al. 1999). Ebenso stehen die Lang-zeitfolgen am Knochen, Verwendbarkeit am Menschen sowie Auswirkungen der Medikamente auf die Knochenheilung im Fokus der Forschung (Bonjour et al.
1999).
Klinischer Hauptmessparameter der Osteoporose ist die mittels DXA ermittelte bone mineral density (BMD). Über die Knochenstärke können mit diesem nicht-invasiven Verfahren jedoch nur indirekt Informationen gewonnen werden (Ammann und Riz-zoli 2003). Die DXA ist lediglich ein Flächenmaß und gibt keinerlei Informationen zu Geometrie, Kortikalisdicke, Porosität oder der intrinsischen Beschaffenheit des Kno-chens (Ammann und Rizzoli 2003). Da diese Informationen für die Analyse antios-teoporotischer Substanzen von großer Bedeutung sind, stellt das Fehlen einer nicht-invasiven Untersuchungsmethode am Menschen eine Lücke in der Diagnostik dar (Bonjour et al. 1999).
In der tierexperimentellen Osteoporoseforschung sind die Möglichkeiten zur Ermitt-lung der Knochenstärke vielfältiger. Neben den aus der klinischen Forschung be-kannten Methoden bietet vor allem die Möglichkeit invasive Methoden verwenden zu können den Vorteil, detaillierte Informationen über die intrinsische Knochenbe-schaffenheit zu erhalten. Ebenso können neue, nicht-invasive Methoden etabliert werden.
Bei biomechanischen Belastungstests werden mithilfe von Biege-, Brech-, Stau-chungs- oder Torsionstests die Bruchfestigkeiten der osteoporosespezifischen, trabekelreichen Knochen bestimmt. In der Regel werden hierfür die Lendenwirbel-körper, Femora, Tibiae und Humeri verwendet. Die Durchführung dieser Messungen sind sowohl ex vivo als auch in vivo möglich. Anhand des aufgezeichneten Kraft-Weg-Diagramms lassen sich unter anderem folgende in der Tabelle 2 und Abbil-dung 1 dargestellten Informationen über die Knochenstärke durch die Untersuchun-gen gewinnen (Ammann und Rizzoli 2003):
Tabelle 2: Zusammenfassung der Messparameter mit ihren Definitionen und SI-Einheiten, welche mithilfe der biomechanischen Tests erhoben werden können (Ammann und Rizzoli 2003).
Messparameter Definition Einheit
Stiffness/ slope/ Steigung Steigung der Kurve, gibt die durch die einwirkende Kraft verursachte Verformung des Knochens in mm an
N/mm
Failure load/ Maximalkraft (Fmax)
Maximale Kraft, die auf den Knochen wirkt, bevor er bricht in N
N
Bone toughness/ Energie Fläche unter der Kurve Yield point oder yield load/
Streckgrenze
Übergang von elastischer zu plastischer Verformung
N
Abbildung 1: Darstellung eines Kraft-Weg-Diagramms zur Erklärung der zu messenden Werte:
1: Yield load (Streckgrenze), 2: Maximalkraft, 3: Steigung.
a: elastische Deformation, b: plastische Deformation, c: beginnender Knochenbruch.
(Mit freundlicher Genehmigung von Dr. med. Anna Weidemann)
Die biomechanischen Tests lassen allerdings keine Auftrennung zwischen trabeku-lärem und kortikalem Knochen zu. Die beiden Knochenanteile werden unterschied-lich sowohl von der Art der Osteoporoseinduktion als auch von Medikamenten be-einflusst. Deswegen sollten die biomechanischen Tests an verschiedenen Knochen mit unterschiedlichen kortikal-trabekulären Anteilen durchgeführt werden. Außerdem sollten weitere Untersuchungsmethoden herangezogen werden, wie zum Beispiel die Histomorphologie und Osteodensitometrie (Bonjour 1999).
Durch histomorphologische Untersuchungen können genauere Informationen über die trabekuläre und kortikale Knochenarchitektur gewonnen werden, da hierbei bei-de Knochenanteile getrennt voneinanbei-der analysiert werbei-den können. Ziel ist es vor allem, Informationen über die Knochenmasse und die Auswirkungen der osteoporo-seinduzierenden Maßnahmen und der getesteten Therapien am Knochen zu erhal-ten. Mithilfe der Mikroradiologie und Histomorphologie werden zweidimensionale Informationen zum kortikalen und trabekulären Knochenaufbau aus markierten Schnittpräparaten gewonnen. Besonders gut eignen sich diese Messungen zur Be-urteilung des Knochen-Remodelings und der Langzeitwirkungen der Medikamente am Knochen.
Seit seiner Einführung Ende der 80er Jahre hat sich das µ-CT als Goldstandard in der ex vivo Untersuchung von morphologischen und mikroarchitektonischen Para-metern bei Kleintieren entwickelt. Im Vergleich zu den herkömmlichen 2D
histomor-phologischen Untersuchungen zeigen die 2D und 3D Messungen des µ-CTs eine hohe Korrelation. Die Vorteile der CT-Untersuchungen sind, dass direkt dreidimen-sional gemessen wird (eine Umrechnung von 2D wie zuvor ist nicht mehr nötig).
Außerdem kann ein größeres Volumen analysiert werden und die Untersuchungen sind schneller durchführbar, da keine Entkalkung oder Entwässerung und Einbet-tung der Schnittpräparate wie in der lichtmikroskopischen Analyse mehr notwendig ist. Weiterhin sind die Untersuchungen nicht-destruktiv, sodass die Knochen im An-schluss, zum Beispiel für Bruch- und Biegetests weiter verwendet werden können.
Ein weiterer Vorteil der CT-Untersuchungen ist, dass mit ihr eine ungefähre Berech-nung des Knochenmineralgehaltes möglich ist (Bouxsein et al. 2010). Für eine bes-sere Vergleichbarkeit verschiedener Studien sollten mindestens die folgenden Messparameter bei jeder µ-CT-Untersuchung enthalten sein (Tabelle 3):
Tabelle 3: Übersicht über die wichtigsten Messparameter der ex vivo µCT-Untersuchung im Rahmen der Osteoporoseforschung am Kleintiermodell. Die Messparameter mit ihrer Definition und Einheit sind nach Knochenanteil unterteilt dargestellt. (Bouxsein et al. 2010)
Knochenanteil Messparameter Definition Einheit Trabekel bone volume fraction
(BV/TV)
Anteil des Knochen-volumens vom Ge-samtvolumen
%
Anzahl der Trabekel (Tb.N)
Anzahl der druch-schnittlichen Anzahl der Trabekel
n/mm
Trabekeldicke (TbTh) mittlere Dicke der Trabekel
Kortikalis total cross-sectional area (Tt.Ar)
totale Querschnitts-fläche innerhalb des Periosts cortical bone area
frac-tion (Ct.Ar/Tt.Ar)
kortikaler Flächenan-teil
% Kortikalisdicke (Ct.Th) durchschnittliche
Kortikalisdicke
mm
Die knochenspezifische alkalische Phosphatase (AK) und Osteocalcin (OC) sind biochemische Marker für Umbauprozesse am Knochen. Vor allem in
Kurzzeitstu-dien werden sie zur Dosiskontrolle der zu untersuchenden Medikamente verwendet (Bonjour et al. 1999).
Durch Injektion von Fluorochromen zu Lebzeiten der Tiere ist es ex vivo möglich, Informationen über die dynamische Knochenmineralisation und die Frakturheilung osteoporotischer Knochen zu erhalten (Bonjour et al.1999).