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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012)

23.10. - 26.10.2012, Berlin

Messung der Änderung der Architektur und des Materials des spongiösen Knochens unter mechanischer Belastung im lebenden Tier

Meeting Abstract

  • presenting/speaker Annette Birkhold - Julius Wolff Institut, Charité - Universitätsmedizin Berlin, Berlin, Germany
  • Sara Checa - Julius Wolff Institut, Charité - Universitätsmedizin Berlin, Berlin, Germany
  • Hajar Razi - Julius Wolff Institut, Charité - Universitätsmedizin Berlin, Berlin, Germany
  • Richard Weinkamer - Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Abteilung Biomaterialien, Potsdam, Germany
  • Georg Duda - Julius Wolff Institut, Charité - Universitätsmedizin Berlin, Berlin, Germany
  • Bettina Willie - Julius Wolff Institut, Charité - Universitätsmedizin Berlin, Berlin, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012). Berlin, 23.-26.10.2012. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2012. DocGR15-398

DOI: 10.3205/12dkou453, URN: urn:nbn:de:0183-12dkou4536

Veröffentlicht: 2. Oktober 2012

© 2012 Birkhold et al.
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Gliederung

Text

Fragestellung: Knochen besitzt die Fähigkeit sich an mechanische Stimuli anzupassen. Wir untersuchten mithilfe einer Kombination aus in vivo Mikrotomographie (µCT) und einer neuen Bildverarbeitungstechnik die Hypothese, dass diese Adaption die Anpassung der Knochenarchitektur als auch der Materialeigenschaften beinhaltet.

Methodik: Die linke Tibia adulter (26 Wochen) C57Bl/6-Mäuse wurde über zwei Wochen axial, in vivo auf Kompression belastet, die rechte Tibia diente als interne Kontrolle [1]. Zu mehreren Zeitpunkten wurden in vivo µCT Aufnahmen der ROI (50 µm unterhalb der proximalen Wachstumsfuge, 10 % der Tibia) erzeugt (Abbildung 1a [Abb. 1]). Die strukturelle Adaption wurde anhand des Vergleichs mehrerer µCT Bilder der gleichen Extremität verschiedener Zeitpunkte bestimmt. Resorbierter Knochen ist im frühen aber nicht im späten Bild vorhanden, neu geformter Knochen tritt nur im späten Bild auf, während konstanter Knochen in beiden Bilder zu finden ist. Die Adaption der Materialeigenschaften wurden mit Hilfe von Histogrammen der Grauwertverteilung der µCT Bilder bestimmt. Die Auswertung wurde in verschiedenen Knochenschichten als Funktion des Abstandes von der Knochenoberfläche (Abbildung 1b [Abb. 1]) durchgeführt, um dem Einfluss der Aufhärtung des Röntgenstrahles Rechnung zu tragen. Der Unterschied der Mineraldichteverteilung zwischen Tag 0 und 15 im belasteten Knochen wurde mit dem nicht belasteten Bein verglichen. Zusätzlich wurde die Grauwertverteilung des neu geformten Knochens errechnet (Abbildung 1c [Abb. 1]). Alle Histogramme wurden mit Gauss'schen Kurven approximiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die Knochenstruktur passte sich durch verstärkte Knochenneubildung (p=0.05) und verminderte Knochenresorption (p>0.05) an die Belastung an. In allen Schichten war der Unterschied der mittleren Mineraldichte im belasteten Knochen signifikant größer als in der Kontrolle (p<0.05). Der im belasteten Bein zwischen Tag 0 und 15 neu geformte Knochen hatte eine höhere Dichte heterogenerer Verteilung als unbelastete Knochen (p<0.05).

Die Knochenadaption an besteht somit neben einer erhöhten Knochenneubildung, aus einer Erhöhung der mittlere Mineraldichte des gesamten spongiösen Knochens. Zudem besitzt der unter Belastung erzeugte Knochen, eine höhere mittlere Dichte. Der im belasteten Bein neu geformte Knochen hatte im Vergleich zur Kontrolle eine höhere Heterogenität der Dichteverteilung, welches die mechanische Integrität des Knochens verstärken könnte [2]. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Belastung nicht nur die Knochenarchitektur, sondern auch das Material selbst, positiv beeinflussen kann. In künftigen Studien werden wir untersuchen, ob dieser Effekt mit der lokalen Gewebedehnung korreliert und mit zunehmendem Alter abgeschwächt wird.


Literatur

1.
Birkhold, et al. The adaptive response of cancellous bone to in vivo loading is diminished in adulthood: a longitudinal study. Osteologie. 2011:71-72.
2.
Renders, et al. Mineral heterogeneity affects predictions of intratrabecular stress and strain. J Biomech. 2011:402-407.