Analyse der Auswirkungen mechanischer Stimulation auf die enchondrale Knochenentwicklung in einem in vitro Organkulturmodell muriner fetaler Metatarsalknochen
Mensch & Buch (Verlag)
978-3-86387-059-1 (ISBN)
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Der Prozess der Knochenbildung beginnt während der fetalen Entwicklung, setzt sich in Wachstum und Umbau während des gesamten Lebens fort und wird im Falle einer Verletzung als Frakturheilung wieder eingeleitet. Knochen übernimmt im Körper zwei wesentliche Aufgaben, eine Stütz- und eine Stoffwechselfunktion. Während der fetalen Osteogenese (Knochenbildung) entsteht Knochen auf zweierlei Art. Die Bildung kann entweder direkt aus dem mesenchymalen Bindegewebe (desmale Ossifikation) erfolgen, zum Beispiel an einzelnen Deckknochen des Schädels, der Knochenmanschette der Röhrenknochen und bei der Frakturheilung. Oder aber Knochen entsteht indirekt über ein Vorläufergerüst aus Knorpelzellen (enchondrale Ossifikation), das abgebaut und durch Knochen ersetzt wird (Liebich, 1999). Die enchondrale Ossifikation findet während der fetalen Knochenbildung an den meisten Knochen des Skeletts und während der Frakturheilung statt. Im Gegensatz zur Heilung von weichen Geweben, die überwiegend durch Narbenbildung repariert werden, heilt Knochen durch die Produktion von neuem Knochen und kann somit als Regeneration im Sinne einer vollständigen strukturellen und funktionellen Wiederherstellung angesehen werden (Braun and Ruter, 1996; McKibbin, 1978). Die Knochenheilung erfolgt entweder auf direktem Wege bei rigider Fixation und einem Frakturspalt unter einem Millimeter oder auf indirektem Wege bei größerem Frakturspalt und vermehrter Bewegung der Frakturenden (Remedios, 1999). Heilt also der frakturierte Knochen auf indirektem Wege unter Ausbildung eines Knorpelgerüsts (enchondrale Ossifikation), ist die Knochenheilung in vielen Punkten mit der enchondralen Ossifikation während der fetalen Osteogenese vergleichbar (Gerstenfeld et al., 2003). Neuere Daten weisen darauf hin, dass die regenerative Kapazität von adultem Knochen auf einer Wiedereinführung der molekularen Abläufe basiert, die während der fetalen Entwicklung die Osteogenese steuern (Sandberg et al., 1993; Vortkamp et al., 1998). Der Prozess der Knorpelzellproliferation, -hypertrophie und -mineralisierung erfolgt in nahezu gleicher Weise während fetaler Entwicklung und Frakturheilung (Ferguson et al., 1999; Gerstenfeld et al., 2003). Diese Gemeinsamkeiten ermöglichen es, die fetalen Knochenanlagen von Mäusen in Organkultur als vergleichbares Untersuchungsobjekt zur Frakturheilung herzunehmen und von den erhaltenen Ergebnissen Rückschlüsse auf Auswirkungen auf den postpartalen Knochen zu ziehen. Einer der wichtigsten Faktoren für die erfolgreiche Frakturheilung ist neben der Größe des Frakturspalts die Bewegung im Frakturgebiet (Willenegger et al., 1971). Nachdem man zunächst der Annahme war, dass bei der Versorgung eine direkte Knochenvereinigung erstrebenswert ist, weiß man heute, dass diese bis zur Ausheilung extrem lange benötigt und zu Abbau von Knochensubstanz und Osteoporose führen kann (Remedios, 1999). Inwieweit schon während der Embryogenese biomechanische Kräfte die Differenzierungsprozesse innerhalb der enchondralen Ossifikation beeinflussen, ist unklar. Unterbindet man jedoch die muskuläre Aktivität der Feten, resultiert dies in Knochen mit reduziertem Durchmesser und kortikaler Verdickung, also verminderter Osteogenese (Hosseini and Hogg, 1991). Diese Knochen weisen außerdem Anzeichen von Osteoporose auf und neigen zu Frakturen (Rodriguez et al., 1988). Abgeleitet von diesen Ergebnissen liegt die Überlegung nah, dass ein bestimmtes Maß an biomechanischer Einwirkung die Knochenbildung zu unterstützen und zu verstärken vermag. Aus verschiedenen Untersuchungen ist bekannt, dass hydrostatischer Druck oder Luftdruck (Burger et al., 1992; Klein-Nulend et al., 1987a; van't Veen et al., 1995), zyklische Dehnung von Zellen (Kaspar et al., 2000a; Kaspar et al., 2000b), sowie niedrig gepulster Ultraschall (Korstjens et al., 2004) die enchondrale Ossifikation beeinflussen. Wie bei der Frakturheilung ist das mechanische Umfeld auch für die Homöostase und die Regeneration des adulten Skelettsystems sehr wichtig (Frost, 2003). Knochen werden ständig durch Bewegung und Kräfte mechanisch belastet (Frost, 2000). Die mechanische Einwirkung auf die enchondrale Ossifikation auf zellulärer Ebene soll deshalb in dieser Studie untersucht werden. Das Organkulturmodell mit den langen Röhrenknochen der Metatarsalia der Maus eignet sich aufgrund der Vergleichbarkeit von Knochenentwicklung als Bestandteil des Knochenheilungsprozesses sehr gut (Ferguson et al., 1999; Gerstenfeld et al., 2003). Die verwendeten Feten befinden sich in ihrer Entwicklung in utero 17,5 Tage nach Befruchtung (days post conceptionem, dpc). Zu diesem Zeitpunkt beginnt sowohl die Kalzifizierung des Knorpels in der Diaphyse (Kaufmann, 1992), als auch die Eigenbewegung der Feten im Uterus (Burger et al., 1991; Platzer, 1978). Die mechanische Kraft in dieser Studie wird mittels Dreipunktbiegung auf die Knochenanlagen im Versuchsaufbau übertragen, um eine möglichst natürliche, dem Muskelzug der plantaren Muskeln entsprechende Stimulation zu erreichen. Zu diesem Zweck wurde eine Testeinheit konstruiert, die es ermöglicht, die mechanische Stimulation in Form von zyklischen Biegungen auf die in vitro Organkultur auszuüben. Um abschätzen zu können, welche Stimulationsfrequenzen welche Effekte erzielen, werden Versuche mit unterschiedlicher Anzahl an Biegungen pro Tag durchgeführt. Um die Effekte der Belastung zu analysieren, werden histologische und histomorphometrische Untersuchungen durchgeführt. Ziel dieser Arbeit war es, zu untersuchen, ob mechanische Stimulation, in der beschriebenen Form appliziert, zu einer Veränderung in der Knochenentwicklung führt. Die erwartete Steigerung der Osteogenese sollte anhand der Parameter von verlängertem periostalem Knochensaum, vermehrter Kalzifizierung und verstärkter Hypertrophie des Knorpelgewebes festgestellt werden.
| Sprache | deutsch |
|---|---|
| Einbandart | Paperback |
| Themenwelt | Veterinärmedizin |
| Schlagworte | Fraktur • Frakturheilung • Knochenbildung • Osteogenese • Skelett |
| ISBN-10 | 3-86387-059-X / 386387059X |
| ISBN-13 | 978-3-86387-059-1 / 9783863870591 |
| Zustand | Neuware |
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