Vergleichende histologische Untersuchungen zum osteoporotischen Knochen bei Ratte und Mensch

Die vorliegenden Untersuchungen fanden im Rahmen des Sonderforschungsbereiches Transregio 79 - “Werkstoffe für die Geweberegeneration im systemisch erkrankten Knochen" statt und wurden am Institut für Veterinär-Anatomie, -Histologie und -Embryologie der Justus-Liebig-Universität in Gießen durchgeführt. Sie erfolgten in Ko-operation mit dem Teilprojekt T1 "Etablierung und Qualitätssicherung osteoporotischer Tiermodelle", dem Teilprojekt B5 „Zell-Zell- und Zell-Matrix-Kommunikation: Beeinflussung von gap junctions und fokalen Adhäsionen durch Biomaterialien“ und dem Teilprojekt B2 „Charakterisierung des Kallus im systemisch erkrankten Knochen“.
Ziel der Untersuchungen war die Beantwortung der Frage, inwieweit das Tiermodell der Ratte – mit Blick auf histologische Veränderungen des Knochens – der primären Osteoporose des Menschen entspricht und damit zur Biokompatibilitätsüberprüfung von Werkstoffen für das osteoporotisch erkrankte Hartgewebe heranzuziehen ist. Hierzu wurden weibliche Ratten (n=60) vom Typ Sprague Dawley (Charles River, Sulz-feld) in vier Gruppen unterteilt: Kontrolle (n=10), scheinoperierte Tiere, im folgenden Sham genannt (n=17), ovariektomierte Tiere, gefüttert mit defizitärer Diät (Mangel an Vitamin D2/D3, Vitamin K, Calcium, sojafrei, phytoöstrogenfrei, knappe Phosphorver-sorgung) (n=20) und ovariektomierte Tiere mit Steroidgabe (Injektion von 0,3 mg/kg Körpergewicht Dexamethason alle 14 Tage) (n=13). Nach Standzeiten von 0, 1, 3, 12 und 15 Monaten wurden die Tiere euthanasiert. Anschließend wurden die Lendenwir-bel (L4/L5) entnommen und histologisch untersucht.
Die Histologien der Lendenwirbel der Ratte wurden mit Präparaten des Menschen ver-glichen (n=8). Diese stammten von Patienten, die sich nach Fragilitätsfraktur des Schenkelhalses einer Resektion des Femurkopfes unterziehen mussten. Für die histo-logischen Untersuchungen wurden Spongiosaabschnitte aus den jeweils zentralen Be-reichen der Femurköpfe verwendet. Von den Gewebeproben der Ratte und des Men-schen wurden Knochendünnschliffe angefertigt, die nach Masson-Goldner gefärbt wurden, um den Mineralisationsgrad zu bestimmen. Hierzu wurden die Flächen des mineralisierten und nicht mineralisierten Knochens ermittelt, ins Verhältnis zueinander und zur trabekulären Knochenfläche gesetzt. Weiterhin wurden mittels Hämatoxylin-Eosin-Schnitten die Trabekelstruktur, die Zusammensetzung des Knochenmarkes und das Zellbild der Knochenoberflächen beurteilt. Bei den Kontrolltieren und den Tieren der Sham Gruppe war nach einer 12- bzw. 15- monatigen Standzeit ein geringfügiger Rückgang des Verknüpfungsgrades der Trabekel in der Spongiosa sichtbar. Auch die Anteile des mineralisierten und nicht-mineralisierten Knochens änderten sich kaum. Bei den mittels Ovariektomie und Diät behandelten Tieren zeigten sich keine Verände-rungen der trabekulären Knochenfläche im Laufe der Standzeiten, jedoch war die Mi-neralisation des Knochens hochgradig reduziert und die Anteile des Osteoids nahmen mit fortschreitender Standzeit deutlich zu. Diese Veränderungen kennzeichneten eine Osteomalazie. Bei den mittels Ovariektomie und Steroid behandelten Tieren war schon nach dreimonatiger Behandlungsdauer ein drastischer Rückgang der trabekulären Knochenfläche zu beobachten, der sich im Laufe der Standzeiten noch stärker manifes-tierte. Dagegen waren der Osteoidanteil und der Anteil des mineralisierten Knochens kaum verändert. Zudem fiel ein hoher Anteil an Adipozyten im Knochenmark auf.
Die histologische Untersuchung der humanen Femurköpfe ließ bei allen Präparaten eine rarefizierte Spongiosa und Trabekel mit geringem Verknüpfungsgrad erkennen. Charakteristisch war zudem der hohe Anteil an Fettzellen im Knochenmark. Bone lining cells bedeckten nur stellenweise die ansonsten zellarmen Knochenoberflächen, wäh-rend Osteoblasten und Osteoklasten nur selten identifiziert werden konnten. Alle un-tersuchten Proben wiesen einen guten Mineralisationsgrad auf. Nur vereinzelte Trab-ekel waren von Osteoidsäumen bedeckt oder komplett von Osteoid durchsetzt. Die beobachteten Veränderungen entsprachen dem Bild einer low-turnover bzw. einer senilen Osteoporose.
Die vergleichende Betrachtung der Histologien von Mensch und Ratte legt nahe, dass die Kombination von Ovariektomie und Steroidapplikation einen Knochenstatus bei der Ratte induziert, der wie bei der senilen Osteoporose des Menschen durch eine starke Rarefizierung der Spongiosa gekennzeichnet ist. Auch stimmen der fast unveränderte Mineralisationsgrad des Knochens und die beobachtete Zunahme des Kno-chenmarkfettgewebes mit den Verhältnissen beim Menschen im Rahmen einer senilen Osteoporose überein. Schlussfolgernd eignet sich diese Induktionsmethode am ehesten zur Biokompatibilitätsüberprüfung von Werkstoffen für das osteoporotisch erkrankte Hartgewebe des Menschen.