gms | German Medical Science

Fragestellung: Die enchondrale Ossifikation ist ein wichtiger Mechanismus in der Entwicklung, Heilung und Regeneration von Knochen. Ziel dieser Studie war die Analyse der Wirkung einer direkten mechanischen Stimulation auf Knochenbildung, Knorpeldifferenzierung und Matrixmineralisation während der enchondralen Ossifikation. Dazu wurde für das System der in vitro Kultur fötaler muriner Metatarsalknochen (MT) ein neuer Versuchsaufbau konstruiert, der eine kontrollierte Biegung ermöglicht. Erwartet wurde eine Zunahme der periostalen Knochenbildung und ein erhöhter Anteil an Mineralisation bei unveränderter Knochengesamtlänge.

Methodik: Von 15 C57Bl/6 Mausfeten des Embryonalstadiums E 17,5 wurden die MT II-V en bloc präpariert und unter Zellkulturbedingungen 7 Tage kultiviert. Nach drei Tagen Vorkultur wurden sie 4 Tage lang je 2x/Tag 20 min mit 1 Hz und 1000 Microstrain stimuliert. Die Belastung erfolgte durch eine 3-Punkt-Biegung in der Längsachse der Knochenanlagen. Der jeweils andere Fuß diente als Kontrolle. Nach der Versuchsdauer von 7 Tagen angefertigte Paraffinschnitte wurden mit Hämatoxylin/Eosin (HE) und Safranin Orange/von Kossa (SO/vK) gefärbt und MT II-IV histologisch sowie histomorphometrisch untersucht. Die Daten wurden einer nichtparametrischen Varianzanalyse nach Brunner unterzogen, ein P-Wert von < 0,05 galt als signifikant.

Ergebnisse: Die histologische Analyse der HE-Schnitte zeigte eine normale Knochenentwicklung ohne erkennbare Unterschiede zwischen stimulierten Präparaten und Kontrollen. Die Histomorphometrie der SO/vK-Schnitte zeigte eine größere Längenzunahme des periostalen Knochensaums für die stimulierte Gruppe. Die „region of interest“ (ROI) aus beiden hypertrophen Zonen und der dazwischen liegenden mineralisierten diaphysären Zone war in der stimulierten Gruppe signifikant größer. Die absolute Menge mineralisierten Gewebes stimulierter Knochen war unverändert zu den Kontrollen, jedoch prozentual zur Fläche der ROI signifikant niedriger. Weder Gesamtknochenlänge beider Gruppen, noch Längen, Breiten, Flächen oder mineralisierter Anteil der einzelnen ROI-Zonen waren signifikant unterschiedlich.

Schlussfolgerung: Diese Studie ist die erste, welche die Auswirkungen einer direkten mechanischen Stimulation in diesem Organkultursystem untersucht. Die Ergebnisse zeigen deutlich den Einfluss der mechanischen Bedingungen auf die enchondrale Knochenentwicklung. Die mechanische Belastung führte zu einer vermehrten periostalen Knochenbildung, Knorpeldifferenzierung und Matrixmineralisation zeigten stimuliert keine signifikanten Unterschiede zur Kontrolle. Weder die Vergrößerung der ROI noch die prozentuale Minderung der Mineralisation konnten auf eine der drei Einzelzonen der ROI zurückgeführt werden. Weitere Versuche mit veränderten Belastungsbedingungen sollen Aufschluss über die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen der Chondro- und Osteogenese in der enchondralen Knochenbildung geben.