Osteoporoseinduktion in adulten Klein- und Grosstiermodellen mikro- und nano-computertomographie-basierte Evaluation der Knochenarchitektur
| Autor: | Belikan, Jan Daniel, Justus Liebig University Giessen |
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| Jazyk: | němčina |
| Rok vydání: | 2021 |
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| DOI: | 10.22029/jlupub-14947 |
| Popis: | Die Volkskrankheit Osteoporose ist ein globales Gesundheitsproblem. Vermehrte Krankenhausaufenthalte aufgrund osteoporotischer Frakturen und dadurch zunehmende Kosten begründen den relevanten Forschungsbedarf an der Osteoporose. Das Ziel der vorliegenden Studien war die Evaluierung seneszenter Grundlagenmodelle (murines Klein-; ovines Großtiermodell) nach multiparametrischer Osteoporoseinduktion für die künftige Erforschung der systemischen Skeletterkrankung.Das Tierkollektiv der 46 adulten femininen Sprague Dawley®-Ratten (Durchschnittsalter von 12 Monaten) unterteilte sich nach mehrmaliger Randomisierung in fünf Subgruppen: (1) Sham-Gruppe, direkt euthanasiert mit 0M (Monaten), (2) Sham-Gruppe 3M (Referenzgruppe), (3) Sham-Diät(D)-Gruppe 3M, (4) Ovariektomierte (OVX) Gruppe 3M und (5) OVXD-Gruppe 3M. Zur Quantifizierung der Knochenmikroarchitektur der kryo-konservierten Femora, Tibiae und Th 9-Wirbelkörper wurden Mikro-CTs (SkyScan 1173, Bruker®, Kontich, Belgium) durchgeführt. Die räumliche Ortsauflösung lag bei 9,96 mikrometer pro Pixelkantenlänge. Die 31 weiblichen Merino-Landschafe (mittleres Lebensalter von 5,5 Jahren) untergliederten sich nach mehrstufiger Randomisierung in vier Gruppen: Kontroll-, OVX-, OVX-Diät- und OVX-Diät-Steroid-Gruppe. Die proximalen Femurproben wurden bei einer Ortsauflösung von 33,07 mikrometer im Mikro-CT kryogescannt. Zudem wurden unter mikroskopischer Sicht einzelne Trabekel aus den in Formaldehyd fixierten LWK 2-Proben präpariert und im NCT (SkyScan 2011, Bruker®, Kontich, Belgium) bei einer isotropen Voxelkantenlänge von 700 hm untersucht. Die digitale Bildverarbeitung der rekonstruierten Rohdatensätze (Rekonstruktionssoftware NRecon®) erfolgte mit Hilfe von den Bildanalyseprogrammen DataViewer® sowie CTAnalyser®. Klassische Parameter wie BV/TV, Tb.N, Tb.Th bzw. Ct.Th, Tb.Sp, SMI sowie für die Knochenmineralisierung BMD bzw. TMD wurden zur Beurteilung der Spongiosa und Kortikalis erhoben. Die zelluläre Analyse der Trabekel basierte auf der Quantifizierung der Graustufenverteilung der Osteozytenlakunen bzw. umliegenden mineralisierten Matrix sowie Durchschnittsvolumen und -anzahl der Osteozyten.Im quantitativen Vergleich der Spongiosaproben des adulten Kleintiermodells zeigte sich sowohl femoral, tibial als auch vertebral eine signifikante Abnahme der BV/TV zwischen der Referenzgruppe und den ovariektomierten Ratten. Korrespondierend verminderte sich die BMD signifikant. Bei den OVX-Gruppen war die Tb.N signifikant reduziert. Zudem zeigten die ovariektomierten Ratten tibial eine signifikante Zunahme und vertebral eine signifikante Abnahme der Tb.Th. In allen Bereichen nahm die Tb.Sp des OVX- bzw. OVX-Diät-Kollektives signifikant zu. Die wechselnde Spongiosamorphologie von konkav planen zu konvex stabförmigen Strukturen spiegelte der signifikante SMI-Wertanstieg wider. Insgesamt fielen diese Ergebnisse in den Th 9- Wirbelkörpern am deutlichsten aus. Vergleichend zur Referenzgruppe war diaphysennah die mittlere Ct.Th von der OVX-Gruppe signifikant und von der OVX-Diät-Gruppe hoch signifikant verschmälert. Trotz multipler Stressoren fanden sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den seneszenten Sham-Gruppen ohne weitere Intervention. Beim adulten Großtiermodell verringerte sich die durchschnittliche BV/TV bei allen Interventionsgruppen von Femurkopf- zu -hals und Trochanter major nicht signifikant. Im Bereich des Femurhalses und Trochanter majors lag ein hoch signifikanter Unterschied der BMD zwischen der K- und OVXDS-Gruppe vor. Vergleichend zur Kontrollgruppe nahm die mittlere Tb.Th der OVXDS-Gruppe im Caput femoris signifikant ab. Ein signifikanter Anstieg des SMIs wurde im Collum femoris zwischen der K- und OVXDS-Gruppe beschrieben. In der Trochanterregion war die Tb.N am geringsten. Femoral lag keine signifikante Abnahme der mittleren Ct.Th zwischen den Interventionsgruppen vor. Hingegen reduzierte sich die TMD signifikant (K- vs. OVXDS-Gruppe). Die NCT-Analyse der Osteozytenlakunen ergab im Submikrometerbereich die geringste durchschnittliche Zellanzahl bei der OVXDS-Gruppe. Hinzu waren die selbigen Osteozyten in der peripheren Zone mit einem Durchschnittsvolumen von 140 mikrometer3 signifikant größer als die Zentralen.Zusammenfassend ermöglichte die Erhebung dreidimensionaler Volumendatensätze mittels des nicht-destruktiven Verfahrens der Mikro-/ Nano-CT die Quantifizierung und Visualisierung der Knochenmorphometrie/ -densitometrie sowie Zelllakunen. Man stellte einen suszeptiblen Knochenumbau durch die Kombination des Goldstandards der OVX mit einer Multidefizienzdiät und/ oder Glukokortikoidapplikation fest. Somit könnte eine metabolisch reproduzierbare Osteoporoseinduktion angenommen werden. Die beschriebenen Tiermodelle könnten für innovative Forschungsvorhaben zur Frakturheilung, auch kombiniert mit Biomaterialien oder Osteosyntheseimplantaten, genutzt werden. Osteoporosis, a typical widespread disease, is a global health issue. Increased hospitalisations, due to osteoporotic fractures, and related increased in costs justify the relevant need for research in osteoporosis. The aim of the present studies was to evaluate these senescent basic models (murine small-; ovine large animal model), received a multiparametric induction of osteoporosis, for the future research of systemic skeletal disease.After repeated randomization the animal collective of 46 adult female Sprague Dawley ® rats (average age of 12 months) was divided into the following five groups: (1) Sham operated group (directly euthanized at 0M (M=month) (2) Sham operated group 3M (reference group) (3) sham operated combined with multi-deficient diet (D) group 3M (4) ovariectomized (OVX) group 3M and (5) ovariectomized combined with multideficient diet group (OVXD) 3M. Micro-CT scans (SkyScan 1173, Bruker®, Kontich, Belgium) were performed to quantify the bone microarchitecture of the cryoconservated femora, tibiae and vertebral bodies Th 9. The spatial resolution measured 9.96 micrometer isotropic voxel side length. After repeated randomization the 31 female merino landsheep (average age of 5.5 years) were divided into the following four groups: Control- (K), OVX-, OVXD- and OVXD-steroid (OVXDS) group. Spicemens of proximal femur were cryoscanned by a spatial resolution of 33.07 micrometer isotropic voxel side length. In addition, individual trabeculae of lumbal vertebrae, fixed in formaldehyde, were dissected under microscope, then examined in the Nano-CT-scanner (SkyScan 2011, Bruker®, Kontich, Belgium) with an isotropic voxel side length of 700 nm. Digital image processing of the reconstructed raw data sets (reconstruction software NRecon®) was carried out using image analysis programs (DataViewer® and CTAnalyser®). Typical bone parameters such as BV/TV, Tb.N, Tb.Th, Tb.Sp, SMI, Ct.Th and BMD or TMD were collected to evaluate cancellous bone, cortex and bone mineralization. The cellular analysis of lumbal trabecular bone was based on quantification of the grayscale distribution of the osteocyte lacunae, respectively the mineralized matrix as well as the mean osteocyte volume and number.Quantitatively, the trabecular bone samples of the adult rat model showed a significant decrease in BV/TV between the reference group and the OVX in femur, tibia and vertebral body. Correspondingly, the BMD decreased significantly. The Tb.N was significantly reduced in the OVX groups. Furthermore, Tb.Th of ovariectomized rats increased significantly in tibia when compared to reference group. In contrast, a significant decrease of Tb.Th was vertebral. The Tb.Sp of the OVX or OVX diet collective increased significantly in all regions. The changing of trabecular bone morphology from concave plan to convex rod-shaped structures was reflected by the significant increase of SMI. Altogether, these results were most pronounced in Th 9. In comparison to the reference group, Ct.Th of diaphysis was significantly reduced in the OVX- and high significantly decreased in the OVXD-group. Despite multiple stressors, there were no significant differences between the senescent sham groups without further intervention. In the adult large animal model, the BV/TV didn´t significantly decrease in all intervention groups from femoral head to neck and trochanter major. The BMD between K- and OVXDS-group showed a high significant difference in the area of the femoral neck and trochanter. Compared to the control group, the Tb.Th of the OVXDS-group in the caput femoris decreased significantly. A significant increase in SMI was described in the collum femoris between the K- and OVXDS-groups. Tb.N was lowest in the trochanter region. Between the intervention groups, there was no significant decrease of the Ct.Th in the femur. In contrast, the TMD was significantly reduced (K vs. OVXDS group). In the submicrometer range the nano-CT analysis of osteocyte lacunae showed the lowest average number of cells in the OVXDS-group. In addition, the same osteocytes of the peripheral zone were significantly larger (mean volume of 140 micrometer3) than the central ones.In summary, the collection of three-dimensional volume data sets using the nondestructive method of micro-/ nano-CT enabled the quantification and visualization of bone morphometry/ densitometry as well as osteocyte lacunae. Susceptible bone remodeling was detected by combining the goldstandard of OVX with multi-deficient diet and/ or steroid treatment. Thus, a metabolically reproducible induction of osteoporosis could be expected. Both animal models could be used for innovative research projects on fracture healing, also combined with biomaterials or osteosynthesis implants. |
| Databáze: | OpenAIRE |
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