Der Einfluss von vertikaler Ganzkörpervibration in Kombination mit Strontiumranelat und Teriparatid auf die metaphysäre Frakturheilung der osteopenen Rattentibia
The Influence of Vertical Whole-Body-Vibration in Combination with Strontiumranelate and Teriparatid on Metaphyseal Fracture-Healing of the Osteopene Rat Tibia
by Viktoria Patrizia Nühnen
Date of Examination:2017-03-28
Date of issue:2017-03-24
Advisor:PD Dr. Stephan Sehmisch
Referee:Prof. Dr. Wolfgang Wuttke
Referee:Prof. Dr. Dr. Karl Günter Wiese
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6188
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Abstract
English
The present work investigates the effect of vertical whole-body-vibration (WBV) combined with strontiumranelate or teriparatide on fracture healing in ovariectomized rats. In previous studies strontiumranelate has shown favourable effects on bone mineral density as well as trabecular structure. Teriparatide, a recombinant form of parathyroid hormone, is an anabolic agent that stimulates bone formation. Through increased mechanical loading WBV enhances muscle and bone strength. Those anti-osteoporotic therapies have shown to reduce the risk of osteoporotic fractures. Their effect on fracture healing as well as possible additive effects of WBV and anti-osteoporotic drugs still have to be investigated. Therefore, 76 three-month-old female rats were ovariectomized, 12 rats were left intact. After 8 weeks, all rats underwent bilateral transverse osteotomy of the tibia metaphysis and osteosynthesis with a t-shaped plate. In the following six weeks, the rats were treated according to the assigned group. They received either 600-625mg/kg BW/d strontiumranelate (SR), 40µg/kg BW teriparatide 5 days a week (PTH), WBV (70Hz, 0,5mm, vertical, 15 min 2x/d daily) (VIB) or WBV combined with either strontiumranelate (SR+VIB) or teriparatide (PTH+VIB). Control groups (NON OVX, OVX) did not receive any treatment. Biomechanical properties (stiffness, yield load) were assessed using a three-point-bending test. Microcomputertomography was used to determine callus and bone volume, bone mineral density (BMD) and bone volume fraction. Histological analyses allowed for the assessment of trabecular structure, width and density of cortical bone, periosteal and endosteal callus. In vivo application of fluorescent dyes revealed dynamics of callus formation and the day of first osseous callus bridging. Only PTH-treated groups showed improved BMD, callus mineralization and, in combination with WBV, improved biomechanical properties. Application of SR and WBV individually and in combination led to delayed fracture healing and increased periosteal callus formation.
Keywords: Osteoporosis; Strontiumranelate; Teriparatide; Whole-Body-Vibration; Fracture-Healing; ovariectomized rat
German
Die vorliegende Arbeit untersucht den Effekt vertikaler Ganzkörpervibration (WBV) in Kombination mit Strontiumranelat und Teriparatid auf die Frakturheilung ovariektomierter Ratten. In vorangegangenen Studien zeigte Strontiumranelat einen günstigen Einfluss auf die Knochendichte und trabekuläre Strukturen. Das rekombinante Parathormon Teriparatid ist ein anaboler Wirkstoff, das den Knochenaufbau stimuliert. Über vermehrte mechanische Belastung erhöht die Ganzkörpervibration Muskelkraft und Knochenstärke. Durch diese antiosteoporotischen Therapien lässt sich das Risiko osteoporotischer Frakturen reduzieren. Ihr Einfluss auf die Heilung osteoporotischer Frakturen sowie mögliche additive Effekte der Kombination von Ganzkörpervibration und antiosteoporotischen Medikamenten müssen noch erforscht werden. Hierfür wurden 76 weibliche, drei Monate alte Ratten ovariektomiert. 12 weitere Ratten wurden nicht ovariektomiert und dienten als Kontrollgruppe. Nach 8 Wochen wurden alle Ratten einer beidseitigen transversalen metaphysären Tibiaosteotomie unterzogen, welche mittels T-Plattenosteosynthese stabilisiert wurde. In den darauffolgenden 6 Wochen wurden die Ratten entsprechend der Gruppe, der sie zugeordnet waren, therapiert. Sie erhielten entweder 600-625mg/kg KG/d Strontiumranelat (SR), 40µg/kg KG Teriparatid 5x/Woche (PTH), WBV (70Hz, 0,5mm, vertikal, 15 min 2x/tgl.) (VIB) oder WBV in Kombination mit Strontiumranelat (SR+VIB) oder Teriparatid (PTH+VIB). Die Kontrollgruppen (NON OVX, OVX) erhielten keine Therapie. Die biomechanischen Eigenschaften (Elastizität, Streckgrenze) wurden mithilfe eines Dreipunkt-Biegestest untersucht. Mittels Mikrocomputertomographie wurden Kallus- und Knochenvolumen, Bone Mineral Density (BMD) und Bone Volume Fraction bestimmt. Die histologische Analyse ermöglichte die Beurteilung der Trabekelstruktur sowie Dicke und Dichte der Kortikalis, des periostalen und des endostalen Kallus. Die Injektion von Fluoreszenzfarbstoffen am lebenden Tier machte den zeitlichen Ablauf der Kallusbildung sowie den Zeitpunkt der frühesten knöchernen Frakturspaltüberbrückung sichtbar. Lediglich die Gruppe PTH zeigte eine Verbesserung der BMD, des Mineralisationsgrades des Kallus und, in Kombination mit WBV, verbesserte biomechanische Eigenschaften. Die Therapie mit SR oder WBV allein und in Kombination führte zu einer verzögerten Frakturheilung und vermehrter periostaler Kallusbildung.
Schlagwörter: Osteoporose; Frakturheilung; Strontiumranelat; Teriparatid; Ganzkörpervibration