Der Einfluss von 8-Prenylnaringenin und Alendronat in Kombination mit vertikaler Ganzkörpervibration auf den Wirbelkörper des osteopenischen Rattenmodells
The effect of 8-prenylnaringenin and alendronate in combination with vertical whole-body vibration on the vertebral body of the osteopenic rat model
by Markus Hermann Griesel
Date of Examination:2025-04-30
Date of issue:2025-04-14
Advisor:PD Dr. Marina Komrakova
Referee:PD Dr. Marina Komrakova
Referee:PD Dr. Boris Schminke
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11204
Files in this item
Name:Griesel_Markus_Hermann_Dissertation.pdf
Size:9.49Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
This file will be freely accessible after 2025-05-28.
Abstract
English
Osteoporosis is a systemic disease of the skeleton with reduced bone stability and increased fracture risk. Due to rising osteoporosis-related healthcare costs, the disease and its treatment represent an increasing health economic problem in modern society and are therefore increasingly becoming the focus of scientific and public interest. In particular, postmenopausal oestrogen deficiency-induced osteoporosis is at the centre of many projects. Whole-body vertical vibration (WBVV) has shown a positive effect on bone tissue at various frequencies in clinical and experimental studies. Alendronate (AL) is an authorised antiosteoporosis drug. 8-Prenylnaringenin (8-PN) is the strongest agonist among the phytohormones at the estrogen receptor α, which caused a significant improvement in bone mineral density (BMD) in previous studies. The aim of this study was to investigate possible synergistic effects of AL and 8-PN in combination with WBVV on vertebral bodies of ovariectomised (OVX) rats as a model for postmenopausal osteoporosis. WBVV at different frequencies showed a positive effect on the biomechanical properties of the osteopenic rat. Previous studies also have shown that alendronate (AL) has a positive effect on the biomechanical properties of the vertebral bones of OVX rats. 8-Prenylnaringenin (8-PN), the strongest agonist among the phytohormones at the oestrogen receptor α, showed a significant improvement in BMD in previous studies. The aim of the present study was to investigate synergistic effects of the combination of AL+WBVV and the combination of 8-PN+WBVV on the lumbar spine in the osteopenic rat model. Three-month-old female rats (ntotal =90) were divided into seven groups: (i) NON-OVX, (ii) OVX, (iii) OVX+WBVV, (iv) OVX+AL, (v) OVX+AL+WBVV, (vi) OVX+8-PN, (vii) OVX+8-PN+WBVV. OVX was performed in groups ii-vii. WBVV in groups iii, v and vii (35 Hz, 0.5 mm) started on day 35 after OVX, five times per week, two times per day for 15 min. AL was administered from day 35 after OVX in groups iv and v at a concentration of 10 mg/kg feed in the pellet diet, resulting in an average daily dose of 0.58 mg/kg body weight (bw). Subcutaneous injections of 1.77 mg/kg body weight of the phytohormone 8-PN were administered from the 35th day after OVX in groups vi and vii. The duration of treatment was ten weeks. At the end of the trial, blood samples were taken and the lumbar vertebral bodies (LWK I-IV) were dissected. Serum alkaline phosphatase (AP) activity was determined. In bone, gene expression analyses were performed for alkaline phosphatase (AP), Osteocalcin (OC), receptor activator of nuclear factor-κB ligand (RANKL), Osteoprotegerin (OPG) and tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP). In addition, the calcium and phosphate content was determined after ashing and the organic and inorganic substance was measured. Analyses of bone mineral density (BMD), cortical bone and the trabecular network were carried out using micro-computed tomography (mCT). Bone quality was assessed by biomechanical tests. Female rats (ntotal =90) were divided into seven groups: (i) NON-OVX, (ii) OVX, (iii) OVX+WBVV, (iv) OVX+AL, (v) OVX+AL+WBVV, (vi) OVX+8-PN, (vii) OVX+8- PN+WBVV. Ovariectomy (OVX) was performed in groups ii-vii. Bilateral osteotomy of the tibial metaphysis with osteosynthesis was performed in all groups on day 63 post OVX. WBVV in groups iii, v and vii (35 Hz /amplitude 0.5 mm) started on day 35 post OVX, five times /week, twice/day, 15 min for ten weeks. AL in the pellet feed from day 35 post OVX onwards in groups iv and v resulted in an average daily dose of 0.58 mg/kg bw. Subcutaneous injections of 1.77 mg/kg body weight of the phytohormone 8-PN from day 35 post OVX in groups vi and vii. The animals were anaesthetised with CO2 110 days after OVX and euthanised by decapitation. Blood samples were taken and the lumbar vertebral bodies (LWK I-IV) were dissected. The blood samples were subjected to serum alkaline phosphatase (AP) analysis. Gene expression analyses for AP, OC, RANKL, OPG and TRAP were performed on the bone samples. Furthermore, the calcium and phosphate content was determined after ashing, and the organic and non-organic matter was measured. Biomechanical tests and analyses of the BMD, the cortical bone and the trabecular network were carried out using three-dimensional reconstructions of microtomographies. In the present study, the success of OVX was reflected in a reduction in uterine weight and the inorganic bone content. However, the biomechanical properties of the bone and the composition of the bone in terms of calcium content were not affected by OVX. In the present study, OVX had no detectable effect on the activity of the AP and the gene expression of the bone markers analysed. Micro-CT analysis showed that the trabecular network and cortical bone were not affected by OVX, although BMD was significantly reduced. As part of an effective osteoporosis therapy, a positive effect on bone turnover should be demonstrable and the biomechanical properties of the bone should be optimised. This could not be demonstrated in the present study either for the individual treatments with WBVV, AL and 8-PN or for the combination treatments of AL+WBVV and 8-PN+WBVV. The use of WBVV reduced BMD and increased AP in serum. The use of AL increased the calcium content but had no effect on the biomechanical and structural properties of the OVX rats. The combination of AL+WBVV increased OC gene expression and AP in serum, indicating a positive effect on osteoblasts, but otherwise had no positive effect on the bone properties of the LWK compared to AL alone. 8-PN was administered to the OVX rats in the present study at a non-carcinogenic dose and consecutively showed no increase in uterine weight, but also did not lead to a significant improvement in bone quality. The combination of 8- PN+WBVV led to a reduction in TV and an increase in the BV/TV ratio, but no increase in BMD. Analyses of skeletal muscle in other studies showed an increase in muscle fibre size with WBVV in this animal study. AL and 8-PN increased capillary density, which led to improved muscle perfusion and could ultimately have a positive effect on bone structure. Osteoporosis will remain a medically relevant area of research in the future and should continue to be the subject of randomised trials. A combination of 8-PN and AL would be interesting for future studies. Furthermore, possible synergistic effects of sclerostin inhibitors in combination with AL, 8-PN or WBVV could be investigated.
Keywords: osteoporosis; ovariektomy (OVX); rat; bisphosphonate; Alendronate (AL); 8-Prenylnaringenin (8-PN); vertical whole-body vibration; 35 Hz; Bone mineral density; bone; lumbar vertebrae; bone metabolism; Calcium content; Phosphate content; Alkaline phosphatase; Phytoestrogens; gene expression; RANKL
German
Die Osteoporose ist eine systemische Erkrankung des Skeletts mit verminderter Knochenstabilität und erhöhtem Frakturrisiko. Aufgrund steigender Osteoporose-bedingter Gesundheitskosten stellen die Erkrankung und ihre Therapie ein zunehmendes gesundheitsökonomisches Problem der modernen Gesellschaft dar und rücken daher vermehrt in den Fokus des wissenschaftlichen und öffentlichen Interesses. Insbesondere die postmenopausale Östrogenmangel-induzierte Osteoporose steht im Mittelpunkt vieler Projekte. Vertikale Ganzkörpervibration (WBVV) hat bei verschiedenen Frequenzen in klinischen und experimentellen Studien eine positive Wirkung auf das Knochengewebe gezeigt. Alendronat (4-Amino-1-Hydroxybutyliden-1,1-Bisphosphonat; AL) ist ein zugelassenes Antiosteoporose-Medikament. 8-PN ist der stärkste Agonist unter den Phytohormonen am Östrogenrezeptor α, der in früheren Studien eine signifikante Verbesserung der Knochenmineraldichte (bone mineral density, BMD) bewirkte. Ziel dieser Studie war es, mögliche synergistische Effekte von AL und 8-PN in Kombination mit WBVV auf Wirbelkörper von ovariekomierten (OVX) Ratten als Modell für postmenopausale Osteoporose zu untersuchen. Drei-Monate alte weibliche Ratten (ngesamt =90) wurden in sieben Gruppen eingeteilt: (i) NON-OVX, (ii) OVX, (iii) OVX+WBVV, (iv) OVX+AL, (v) OVX+AL+WBVV, (vi) OVX+8-PN, (vii) OVX+8-PN+WBVV. OVX wurde in den Gruppen ii-vii durchgeführt. Die WBVV in den Gruppen iii, v und vii (35 Hz, 0,5 mm) begann am Tag 35 nach der OVX, fünfmal pro Woche, zweimal pro Tag für 15 min. AL wurde ab dem 35. Tag nach der OVX in den Gruppen iv und v in einer Konzentration von 10 mg/kg Futter im Pelletfutter verabreicht, was zu einer durchschnittlichen täglichen Dosis von 0,58 mg/kg Körpergewicht (KG) führte. Subkutane Injektionen von 1,77 mg/kg KG des Phytohormons 8-PN wurden ab dem 35. Tag nach OVX in den Gruppen vi und vii appliziert. Die Behandlungsdauer betrug zehn Wochen. Am Ende des Versuchs wurden Blutproben entnommen und die Lendenwirbelkörper (LWK I-IV) präpariert. Es wurde die Serumaktivität der alkalischen Phosphatase (AP) bestimmt. Im Knochen wurden Genexpressionsanalysen für die Alkalische Phosphatase (AP), Osteocalcin (OC), Rezeptor Aktivator des Kernfaktors (nuclear factor)-κB Ligand (RANKL), Osteoprotegerin (OPG) und die Tartrat-resistente saure Phosphatase (TRAP) durchgeführt. Außerdem wurden nach der Veraschung der Calciumund Phosphatanteil bestimmt und die organische und anorganische Substanz gemessen. Die Analysen der Knochenmineraldichte (bone mineral density, BMD), der Kortikalis und des Trabekelnetzwerks wurden mittels Mikrocomputertomographie (mCT) durchgeführt. Die Knochenqualität wurde durch biomechanische Tests bewertet. Der Erfolg der OVX zeigte sich in der vorliegenden Untersuchung in einer Reduktion des Uterusgewichtes und des anorganischen Knochenanteiles. Die biomechanischen Eigenschaften des Knochens und die Zusammensetzung des Knochens hinsichtlich des Calciumanteils wurden durch die OVX jedoch nicht beeinträchtigt. Auf die Aktivität der AP und die Genexpression der untersuchten Knochenmarker hatte die OVX in der vorliegenden Untersuchung keinen nachweisbaren Effekt. Anhand der mCT-Analyse konnte gezeigt werden, dass das trabekuläre Netzwerk und die Kortikalis durch die OVX nicht beeinträchtigt wurden, obwohl die BMD signifikant reduziert war. Im Rahmen einer wirksamen Osteoporosetherapie sollte ein positiver Effekt auf den Knochenumsatz nachweisbar sein und die biomechanischen Eigenschaften des Knochens optimiert werden. Dies konnte in der vorliegenden Arbeit weder für die Einzelbehandlungen mit WBVV, AL und 8-PN noch für die Kombinationsbehandlungen von AL+WBVV und 8-PN+WBVV gezeigt werden. Die Anwendung von WBVV reduzierte die BMD und erhöhte AP im Serum. Der Einsatz von AL erhöhte zwar den Calciumanteil, hatte aber keinen Effekt auf biomechanischen und strukturellen Eigenschaften der OVX-Ratten. Die Kombination aus AL+WBVV erhöhte die OC-Genexpression und AP im Serum, was auf einen positiven Einfluss auf die Osteoblasten hinweist, hatte aber ansonsten keine positive Auswirkung auf die Knocheneigenschaften des LWKs im Vergleich zu AL allein. 8-PN wurde den OVX-Ratten in der vorliegenden Arbeit in einer nicht-karzinogenen Dosis verabreicht und zeigte konsekutiv keinen Anstieg des Uterusgewichtes, führte jedoch auch zu keiner signifikanten Verbesserung der Knochenqualität. Die Kombination von 8- PN+WBVV führte zur Reduktion des TV und einem Anstieg des BV/TV-Verhältnisses, aber zu keiner Steigerung der BMD. Analysen der Skelettmuskulatur im Rahmen anderer Untersuchungen zeigten eine Zunahme der Muskelfasergröße durch WBVV in diesem Tierversuch. AL und 8-PN erhöhten die Kapillardichte, was zu einer verbesserten Muskeldurchblutung führte und sich letztlich positiv auf die Knochenstruktur auswirken könnte. Osteoporose wird auch in Zukunft ein medizinisch relevantes Forschungsgebiet bleiben und sollte weiterhin Gegenstand randomisierter Studien sein. Für zukünftige Studien wäre eine Kombination von 8-PN und AL interessant. Weiterhin könnten mögliche synergistische Effekte von Sclerostininhibitoren in Kombination mit AL, 8-PN oder WBVV untersucht werden.
Schlagwörter: Osteoporose; Ovariektomie (OVX); Ratte; Alendronat (AL); 8- Prenylnaringenin (8-PN); vertikale Ganzkörpervibration; 35 Hz; Knochenmineraldichte; Knochen; Lendenwirbelkörper; Knochenstoffwechsel; Calziumgehalt; Phosphatgehalt; Alkalische Phophatase; Phytoöstrogene; Genexpression; RANKL; Mikro-Computertomographie; Bisphosphonat; micro-computed tomography
