Vergleiche der Wirksamkeit von Autotransplantaten und Allotransplantaten bei der Defektreparatur in Vivo bei normalen und osteoporotischen Ratten

Abstract

Einleitung. Im Bereich der orthopädischen Chirurgie ist die Verwendung von osteogenem Material bei größeren Defekten unerlässlich. Autotransplantation und Allotransplantation sind beide bekannte Methoden, wobei Autotransplantation als die beste Wahl gilt. Autotransplantate sind jedoch mit zusätzlichen invasiven Eingriffen verbunden, die sich bei empfindlichen Patienten als schwierig erweisen und nach der Knochenentnahme lokale Nebenwirkungen verursachen können. Die Verwendung von Allotransplantaten wird daher zunehmend praktikabler, und die Unterschiede zwischen Autotransplantaten und Allotransplantaten sind für das klinische Ergebnis für die Patienten von wesentlicher Bedeutung. Methode. Es wurden 24 weibliche norwegische braune Ratten untersucht, 12 normale Ratten und 12 Ratten mit induzierter Osteoporose (OP). Die OP-Induktion wurde in vivo anhand der Knochenvolumenfraktion (BV/TV) 90 Tage nach der Ovarektomie (OVX) nachgewiesen. Der Primäreingriff bei jeder Ratte bestand aus einem mm-Loch in der proximalen Tibia, beidseitig. Autotransplantate und Allotransplantate wurden nach dem Zufallsprinzip in die rechte und linke Tibia eingesetzt. Nach einer Beobachtungszeit von 21 Tagen wurden die Ratten geopfert. Die Tibiaproben wurden entnommen, per Mikro-CT auf Knochenbildung und mikroarchitektonische Eigenschaften untersucht und anschließend für die Histologie eingebettet. Ergebnisse. Die OP-Induktion wurde drei Monate nach der OVX durch eine Verringerung des BV/TV des trabekulären Knochens um 68,5 % im Vergleich zum normalen Knochen nachgewiesen. Die mikroarchitektonische Analyse und die Histologie zeigten keine signifikanten Unterschiede in der Knochenbildungsfähigkeit zwischen Autotransplantat und Allotransplantat in normalem oder osteoporotischem Knochen nach 3 Wochen. Schlussfolgerung. In dieser Studie wurde kein Unterschied zwischen Autotransplantat und Allotransplantat in einem normalen oder osteoporotischen Tibiadefektmodell der Ratte nach 21 Tagen nachgewiesen, was darauf hindeutet, dass Allotransplantat eine gute Alternative zu Autotransplantat ist.

1. Einleitung

Knochenverluste und -defekte können durch Traumata, Infektionen oder nach Arthroplastiken verursacht werden. Sie werden als eine der größten klinischen Herausforderungen in der orthopädischen Chirurgie eingestuft. Implantatchirurgie ist der allgemeine Begriff und umfasst einen großen Teil der chirurgischen Eingriffe wie die Behebung von Knochendefekten in der orthopädischen Chirurgie, Neurochirurgie, Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie. Diese Operationen werden schätzungsweise mehr als 2 Millionen Mal pro Jahr durchgeführt und haben somit einen großen Einfluss auf die Patienten und das wirtschaftliche Ergebnis.

Autotransplantatknochen wird als „lebendes“ Material mit osteogenen, osteoinduktiven und osteokonduktiven Eigenschaften betrachtet und sollte die beste Behandlung bieten, während Allotransplantate aus inaktivem „totem“ Knochen mit hauptsächlich osteokonduktiven Eigenschaften bestehen. Die Entnahme von Autotransplantaten ist jedoch ein zusätzlicher invasiver Eingriff, und die verfügbare Menge ist oft nicht ausreichend. Das aus dem Beckenkamm entnommene Autotransplantat wird als autogenes Beckenkammknochentransplantat (AICBG) bezeichnet. Dieses Verfahren kann mit Morbiditäten wie Blutverlust, Schmerzen an der Entnahmestelle, Infektionsrisiko und Nervenverletzungen verbunden sein. Die Misserfolgsrate bei Operationen mit Autotransplantaten liegt nachweislich bei 50 %, was auf die verschiedenen Arten der Entnahme, die Handhabung, die verwendete Implantationsmethode und die Unterschiede zwischen dem Zustand des Patienten und der Knochenvitalität zurückzuführen ist. Aufgrund dieser Komplikationen und der hohen Kosten wird häufig allogenes Knochenmaterial als alternatives Transplantatmaterial verwendet. Allogenes Knochenmaterial wird bequem und ohne Nebenwirkungen von anderen Patienten entnommen. Dieses Transplantatmaterial hat jedoch hauptsächlich eine osteokonduktive Wirkung und birgt die potenziellen Risiken einer Krankheitsübertragung, bakterieller Infektionen, einer Autoimmunreaktion des Wirts und der Nichtbildung von Transplantatwirtsknochen. Diese Nebenwirkungen sind zwar schwerwiegender, aber dennoch extrem selten. Theoretisch ist das Allotransplantat die schonendste Behandlung. Angesichts der zunehmenden Zahl älterer und gebrechlicher Patienten ist es unerlässlich, Erkenntnisse zu gewinnen, indem man sie in einem relevanten Defektmodell vergleicht, und zwar sowohl bei normalen als auch bei gebrechlichen Knochenstrukturen. Eine Alternative, um die Notwendigkeit der Entnahme von lebendem Knochentransplantat zu verringern, ist das Substitut. Der Ansatz ist breit gefächert und reicht von der Verwendung von Stammzellen aus verschiedenen Geweben bis hin zu Kombinationen mit Wachstumsfaktoren in Tier- und klinischen Modellen. Dennoch hat kein Ersatzstoff eine stabile Wirkung gezeigt, um alle Verfahren mit Autotransplantaten und Allotransplantaten in der Klinik zu ersetzen.

Osteoporose ist eine altersbedingte, zunehmende Krankheit und ein großes Problem für die öffentliche Gesundheit, das mit dem zunehmenden Alter der Bevölkerung zusammenhängt und dessen Prävalenz und Behandlungskosten bis 2030 weltweit um 20-30 % steigen werden. Osteoporose ist eine Knochenerkrankung mit ausgeprägter Abnahme der Knochenmineraldichte. Sie wird durch Osteoklasten (OC) verursacht, die mehr Knochen abbauen als die Osteoblasten (OB) produzieren können, wodurch die Stabilität in der Knochenumbaueinheit (BMU) gestört wird, was zu einem Ungleichgewicht zwischen Knochenresorption und -bildung und schließlich zu Knochenverlust führt. Dies verdeutlicht, wie wichtig es ist, verifizierte Modelle zu verwenden und sowohl normale als auch fragile Knochenstrukturen für die beste klinische Korrelation zu testen, um die Korrelation mit der jeweiligen Situation zu verbessern.

Bislang gibt es nur begrenzte Kenntnisse über die Unterschiede zwischen Autotransplantaten und Allotransplantaten bei der Reparatur von Knochendefekten.

In dieser Studie sollen die Auswirkungen von Autotransplantaten und Allotransplantaten auf die Reparatur von Tibiadefekten in vivo sowohl bei normalen als auch bei osteoporotischen Ratten untersucht werden. Insbesondere wurden die in vivo longitudinalen mikroarchitektonischen Veränderungen postoperativ nach 7 Tagen, 14 Tagen und 21 Tagen untersucht. Die Bewertung erfolgte mit Mikro-CT-Scans zu allen Zeitpunkten und einer histomorphometrischen Bewertung nach der Euthanasie nach 21 Tagen. Das primäre Ziel war die Bewertung der Knochenbildung zwischen Autotransplantat und Allotransplantat. Das sekundäre Ziel bestand darin, die Induktion von Osteoporose 90 Tage nach der Entfernung der Eierstöcke zu überprüfen. Es wurde angenommen, dass es keine Unterschiede bei der Defektreparatur zwischen Autotransplantat und Allotransplantat sowohl bei den normalen als auch bei den osteoporotischen Ratten gab, was dazu beitragen kann, die klinische Verwendung von Autotransplantaten bei Defektmodellen sowohl bei normalen als auch bei fragilen Knochenstrukturen zu reduzieren und den Bedarf an zusätzlichen invasiven Entnahmeverfahren zu verringern.

2. Materialien und Methoden

2.1. Tiermodell

Vierundzwanzig weibliche braune norwegische Inzucht-Ratten (BN/SsNOlaHsd) wurden in die Studie einbezogen. Sowohl die normalen als auch die osteoporotischen Ratten waren 4 Monate alt und hatten ein Durchschnittsgewicht von g. Sie wurden 2 Monate vor dem Eingriff im Biomedizinischen Labor der Universität Süddänemark untergebracht und akklimatisiert. In der kontrollierten Umgebung herrschte eine Temperatur von 21-28°C, eine Luftfeuchtigkeit von 40-60%, das Licht war zwischen 6 und 18 Uhr eingeschaltet, und die Tiere hatten Zugang zu sterilem Wasser und normaler bzw. kalziumarmer Nahrung ad libitum. Die Käfige waren mit Sägemehl und Einstreumaterial ausgestattet. Die Tiere wurden jeden Tag von den Tierpflegern oder dem Forscher auf Verhaltensänderungen oder Anzeichen von Unbehagen beobachtet.

2.2. Genehmigung der Tiere

Alle Versuchsverfahren wurden in Übereinstimmung mit den dänischen Tierforschungsrichtlinien durchgeführt. Dieses Versuchsprotokoll wurde von der dänischen Tierversuchs- und Inspektionsbehörde genehmigt (Nr. 2011/561-1959). Dieser Artikel folgt den Richtlinien für Tierversuche: Reporting of In Vivo Experiments (ARRIVE) Richtlinien.

2.3. Knochentransplantatmaterialien

2.3.1. Autotransplantat

Das Autotransplantat-Knochenmaterial wurde während des Bohrvorgangs bei der Tibiadefekt-Operation aus bilateralen Ratten-Tibiae entnommen. Der Knochen wurde steril behandelt, und die Späne waren etwa 0,5-1 mm groß. Bei der Füllung des Tibiadefekts hatte der normale Knochen durch das Bohrverfahren genügend Volumen, um den Spalt zu füllen. Bei den osteoporotischen Ratten musste der Defekt jedoch zusätzlich mit Knochenmaterial aus den Schwanzwirbeln aufgefüllt werden. Bei den osteoporotischen Ratten wurde zusätzliches Knochenmaterial aus den Schwanzwirbeln gewonnen. Durch einen kleinen Schnitt 2 mm distal von der Befestigung des Schwanzes am Körper wurde das Weichgewebe mit chirurgischen Geräten entfernt und in Späne geschnitten. Der Bedarf an zusätzlichem Knochen ergab sich aus dem ausgeprägten Verlust der Knochenmineraldichte nach Auslösung von Osteoporose. Diese Methode ist für die Entnahme von autologem Knochen im Rattenmodell bekannt.

2.3.2. Allograft

Dieses wurde von einer gesunden braunen norwegischen weiblichen Ratte gewonnen. Sie wurde gemäß den Richtlinien mit Pentobarbital euthanasiert, und die Kondylen von Femur, Tibia und Humerus wurden unter sterilen Bedingungen entnommen. Zusätzliches Weichteilgewebe wurde sorgfältig entfernt. Der Knochen wurde mit einer Knochenfräse (Ossano Scandinavia ApS, Stockholm, Schweden) aufbereitet. Die trabekuläre Knochenstruktur wurde in Späne mit einem Durchmesser von 0,5-1 mm zerteilt und bei 80 °C gelagert. Vor der Verwendung wurde der gefrorene Knochen 30 Minuten lang aufgetaut und nach chirurgischen Standards in den Defekt eingebracht. Alle diese Verfahren wurden unter aseptischen Bedingungen im Raum für Kleintierchirurgie im Biomedizinischen Labor der Universität von Süddänemark durchgeführt.

2.4. Studiendesign

Es wurde ein gepaartes Längsschnitt-Studiendesign mit einer Kontrollgruppe und einer Interventionsgruppe in jedem Tibiaknochen verwendet. Insgesamt 24 weibliche norwegische Inzuchtratten (BN/SsNOlaHsd) wurden in zwei Gruppen zu je 12 Tieren mit normalem und osteoporotischem Knochen aufgeteilt. Autotransplantat und Allotransplantat wurden verblindet und nach dem Zufallsprinzip in den rechten und linken Tibiadefekt eingeteilt und außerdem in der Bewertungsphase verblindet (Abbildung 1). 13 Wochen vor der Tibiaoperation erhielten 12 Ratten eine Ovarektomie (OVX) zur Induktion von Osteoporose. Das Allotransplantatmaterial wurde 30 Minuten vor der Verwendung aufgetaut, und das Autotransplantat wurde unter Narkose für die primäre Operation des proximalen Tibiadefekts vorbereitet und entnommen. An Tag 0, Tag 7, Tag 14 und Tag 21 postoperativ wurden Mikro-CT-Scans zur fortlaufenden Beurteilung durchgeführt. Bei der Opferung wurden bilaterale Proben des proximalen Tibiadefekts für die Histologie und Histomorphometrie entnommen.

Abbildung 1

Illustration des Studiendesigns. 24 Ratten wurden aufgenommen und in normale oder osteoporotische Gruppen eingeteilt. Je 12 Ratten. Jede Ratte hatte eine Gruppe von Autotransplantaten und Allotransplantaten in der linken und rechten Tibia für insgesamt 24 Proben von normalem Knochen und 24 Proben für den osteoporotischen Knochen. T1 (Woche 0): Tag der Operation; T2 (Wochen 0, 1, 2, 3): Mikro-CT-Scans; T3: histologischer Schnitt.

2.5. Chirurgische Eingriffe

2.5.1. Ovariektomie (OVX)

Der Rücken der Ratte wurde rasiert und mit Jod und Ethanol (70%) desinfiziert. Ein scharfer Einschnitt von etwa 1 cm wurde über dem kaudalen Teil des Rückens vorgenommen und stumpf bis zur Faszie durchtrennt. Durch Eindringen in die Höhle wurde das Ovar mit einer Pinzette entnommen und neben dem Ovar mit einer 5,0-Ethilon-Naht ligiert und entfernt. Die Wunde wurde in zwei Schichten verschlossen. Alle Operationen wurden zur gleichen Tageszeit und an der gleichen Stelle durchgeführt. Postoperativ wurden die Ratten mit Buprenorphin (Temgesic, RB Pharmaceuticals Limited, Berkshire, UK), 0,2 ml/100 g Körpergewicht s.c. in Abständen von 8 Stunden für die folgenden 3 Tage analgesiert. Nach der Ovarektomie erhielten die Ratten eine spezielle kalziumarme Diät und Wasser ad libitum. Die Induktion der osteoporotischen Knochenstruktur wurde nach 12 Wochen überprüft, und die primäre Tibiadefektoperation konnte eingeleitet werden.

2.5.2. Proximaler Tibiadefekt

Das Anästhesieprotokoll während der Operation folgte der Methodik der OVX-Operation.

Bilaterale proximale Tibiadefekte wurden bei allen Ratten mit dem Standardoperationsverfahren hergestellt. Beide Gliedmaßen wurden isoliert, rasiert und mit Jod-Vet (Kruuse Vet, Dänemark) und 70%igem Ethanol desinfiziert. Durch scharfe Inzision und stumpfe Exploration wurde die mediale Seite der proximalen Tibia dargestellt, wo ein zylindrischer Defekt von 2,8 mm und einer Tiefe von 3 mm bis zur gegenüberliegenden Kortikalisschale auf der Grundlage der Ergebnisse einer Pilotstudie geschaffen wurde. Die Operation für die Allotransplantatgruppe wurde zuerst durchgeführt, da die Autotransplantate von beiden Beinen entnommen wurden. Insgesamt wurden 48 zylindrische Defekte angelegt und nach dem Zufallsprinzip entweder mit Autotransplantaten oder mit Allotransplantaten gefüllt. Die Wunde wurde in zwei Schichten mit Naht 4.0 verschlossen. Postoperativ wurden die Ratten mit Buprenorphin (Temgesic, RB Pharmaceuticals Limited, Berkshire, UK), 0,2 ml/100 g Körpergewicht s.c. in Intervallen von 8 Stunden über 4 Tage analgesiert.

2.6. Mikro-CT-Scanning und Mikroarchitekturanalyse

Die bilateralen proximalen Tibiabereiche wurden in vivo mit einem hochauflösenden mikrotomographischen System (vivaCT 40, Scanco Medical AG, Brüttisellen, Schweiz) gescannt.

In-vivo-Mikro-CT-Scans zur Bewertung der Entwicklung des Knochenwachstums bei normalen und osteoporotischen Ratten wurden zu den folgenden 4 Zeitpunkten durchgeführt: am Tag vor der Operation (Tag 0) und dann nach 7, 12 und 21 Tagen postoperativ.

Zur Überprüfung des Osteoporose-Induktionsmodells wurde außerdem eine Längsschnittbewertung zu 3 Zeitpunkten durchgeführt: (1) vor der OVX-Operation, um einen Ausgangswert für die Knochenmineraldichte zu ermitteln (Tag 90), (2) vor der Schienbeinoperation (Tag 7) und (3) nach der Schienbeinoperation (Tag 0).

Während des In-vivo-Scannings wurden die Ratten mit Isofluran in einem geschlossenen Boxsystem, 1 L/min Sauerstoff und 4 ml/min Isofluran (IsoFlo vet, Abbott Laboratories Ltd, Berkshire, England) für 6 Minuten betäubt, wobei die Regulierung entsprechend den Reflexen der Ratte erfolgte. Nach der vollständigen Sedierung wurden die Ratten in ein mit einer Maske abgedecktes Tierhaltebett mit laufender Zufuhr von Sauerstoff und Isofluran gemäß Protokoll gelegt. Der zu untersuchende Bereich wurde für genaue Scans fixiert. Die Bilder wurden mit hoher Auflösung gescannt, was zu einer 3D-Rekonstruktion mit einer Voxelgröße von μm3 (Pixel) für 500 Schichten zur repräsentativen Bewertung jedes Defektbereichs führte. Die Scandauer für jede Probe betrug 30 Minuten.

Die durch diesen Scan spezifizierten Parameter umfassten mikroarchitektonische Eigenschaften des trabekulären Knochens zur Bestätigung der Osteoporose-Induktion und der knochenverstärkenden Wirkung der Transplantate. Dazu gehörten das Knochenvolumen/Gewebevolumen (BV/TV), der Strukturmodellindex, die Konnektivitätsdichte (CD), die Trabekeldicke (TbTh), die Trabekelseparation (Tb.Sp), der Anisotropiegrad (DA), die Knochenoberflächendichte, das Verhältnis von Knochenoberfläche zu Volumen (BS/TV), die scheinbare Dichte und die Materialdichte.

2.7. Histologie und Histomorphometrie

21 Tage nach der Operation wurden die Ratten gescannt und mit einer Überdosis Pentobarbital gemäß dem Protokoll der Tierzulassung getötet. Die beidseitigen proximalen Tibiae einschließlich Transplantatmaterial und Knochen wurden in Formaldehyd (4 %) fixiert und in phosphatgepufferte Kochsalzlösung (PBS) umgetauscht. Nach der Dehydratisierung und Entkalkung wurden die Proben fixiert und in Paraffin eingebettet. Die Proben wurden in 3 aufeinanderfolgenden Schnitten mit einer Dicke von 3-4 μm und einem Abstand von 500 μm geschnitten. Alle 3 Schnitte wurden mit Hämatoxylin und Eosin (H&E) gefärbt.

Die Region von Interesse (ROI) für die Histomorphometrie wurde als die ursprüngliche Tibiadefektfläche im Vergleich zwischen Autotransplantat und Allotransplantat definiert (Abbildung 2). Innerhalb der vordefinierten ROI wurden die Volumenanteile nach dem Cavalieri-Prinzip unter Verwendung einer geprüften stereologischen Software (newCast Visiopharm, Dänemark) zur Punktzählung mit 300-600 Treffern pro Schnitt mit dem Olympus BX 51 Mikroskop (Ballerup, Dänemark) berechnet.

Das Gewebe innerhalb der ROI der HE-gefärbten Schnitte wurde als Knochen, fibröses Gewebe, Sonstiges, Muskel oder Knochenmark klassifiziert. Das Knochenvolumen wurde als die Anzahl der Knochentreffer geteilt durch die Gesamttrefferzahl berechnet und in Prozent angegeben.

2.8. Statistische Analyse

Mit GraphPad Prism v. 7 (GraphPad Software, Inc.) wurden mögliche Unterschiede zwischen den Gruppen mittels zweiseitigem Test und einseitiger ANOVA verglichen. Ein Wert von weniger als 5 % wurde als signifikant angesehen.

Die Stichprobengröße umfasste mindestens 10 Defekte für jedes Transplantat. Aufgrund des Risikos von Ausfällen entschieden wir uns, 12 Ratten in jede Gruppe aufzunehmen. Der Berechnungsfehler der ersten Art wurde auf 1,96/95% und der Fehler der zweiten Art auf 0,84 festgelegt, da die Power von 80% gewählt wurde. Die minimale relevante Differenz und die Standardabweichung wurden beide auf 70% festgelegt.

3. Ergebnisse

3.1. Tierbeobachtung

Insgesamt starben vier der 24 Ratten während der 3 postoperativen Wochen, davon 2 aus jeder Gruppe. Drei von ihnen starben als Reaktion auf die Anästhesie während des In-vivo-Mikro-CT-Scans, und eine starb aufgrund einer Infektion. Die übrigen Ratten wurden in die Studie aufgenommen. Während des Beobachtungszeitraums des Experiments wurden die Tiere täglich von einem Tierpfleger oder dem Forscher auf Anzeichen von Unbehagen oder Verstößen gegen die Tierzulassung beobachtet. Nach der Operation des Schienbeindefekts wurde in beiden Gruppen keine signifikante Gewichtsveränderung festgestellt. Die mit OVX behandelten Ratten nahmen in den ersten 12 Wochen von g auf g zu ().

3.2. Dreidimensionale mikroarchitektonische Eigenschaften

3.2.1. Induktion von Osteoporose bei Ratten

Nach 12 Wochen hatten OVX-behandelte Ratten im Vergleich zu normalem Knochen eine Abnahme des Knochenvolumenanteils, der Verbindungsdichte, der Knochenoberflächendichte und der scheinbaren Dichte (). Der Strukturmodell-Index stieg von einer typischen Platte (-1,4) auf einen typischen Stab (3,3). Die trabekuläre Separation, der Grad der Anisotropie, die Materialdichte und das Verhältnis von Knochenoberfläche zu -volumen nahmen zu (). Die trabekuläre Dicke wies keine signifikante Veränderung auf () (Tabelle 1).

3.2.2. Veränderungen der Mikroarchitektur bei Autotransplantat- und Allotransplantatbehandlungen

(1) Veränderungen der Mikroarchitektur im normalen Knochen. BV/TV war in Allotransplantatdefekten im Vergleich zu Autotransplantat an den Tagen 0, 7 und 14 verringert (). Am Tag 21 gab es jedoch keinen statistischen Unterschied zwischen den beiden Gruppen (Abbildung 3). Repräsentative 3D-Rekonstruktionen von Mikro-CT-Bildern sind in Abbildung 4 dargestellt.

(a)

(b)

(a)
(b)

Abbildung 4

Repräsentative 3D-Rekonstruktionen von Mikro-CT-Bilder nach Abschluss der Behandlung (Tag 21) sowohl für die Autotransplantat- als auch für die Allotransplantatgruppe und für normale (a) und osteoporotische (b) Ratten sind aus demselben Gewebe wie in Abbildung 2 dargestellt. Der rote Kreis zeigt an, wo die ursprünglichen Defektlöcher entstanden sind. Auf der rechten Seite jedes Bildes ist die neu entstandene Knochenmasse innerhalb des Lochs zu sehen. Alle Bilder sind als ganze Masse und als dünne Schicht von 10 Scheiben (105 Mikrometer) dargestellt.

Der gleiche Trend galt für das Bindegewebe mit verringerten Werten an den Tagen 0, 7 und 14 (), aber keinem Unterschied an Tag 21. Die trabekuläre Dicke war zu allen Zeitpunkten in den Allograft-Gruppen erhöht () und kein Unterschied im Grad der Anisotropie (Abbildung 3).

(2) Veränderungen der Mikroarchitektur in osteoporotischem Knochen. Das BV/TV des osteoporotischen Knochens wies in der Allograft-Gruppe an den Tagen 0, 7 und 14 eine Abnahme des Knochens auf () und keinen Unterschied nach 21 Tagen (Abbildungen 4 und 5).

Abbildung 5

Mikroarchitektureigenschaften des mit Autotransplantat behandelten Defekts im Vergleich zum Allograft im osteoporotischen Knochen. BV/TV: Knochenvolumen/Gewebevolumen; CD: Konnektivitätsdichte; TbTh: trabekuläre Dicke; DA: Anisotropie. wird als signifikant angesehen.

Die trabekuläre Dicke war in der Autotransplantatgruppe an den Tagen 0, 14 und 21 signifikant höher (), aber kein Unterschied an Tag 7. Die Konnektivitätsdichte und der Grad der Anisotropie wiesen zu keinem Zeitpunkt signifikante Unterschiede auf (Abbildung 5).

3.3. Histologie und Histomorphometrie

3.3.1. Histologie

Im Defektbereich wurde in allen Proben eine Knochenneubildung beobachtet. Es war nicht möglich, zwischen Transplantatresten und neuem Knochen zu unterscheiden, während das gesamte Knochenvolumen im Defektbereich als Knochen innerhalb der ROI berechnet wurde (Abbildung 1, T3).

3.3.2. Histomorphometrie

Das Knochenvolumen zeigte keinen signifikanten Unterschied zwischen den Autotransplantat- und Allotransplantatgruppen im normalen und osteoporotischen Knochen. Beim Vergleich von Autotransplantat und Allotransplantat aus dem normalen Knochen mit Autotransplantat und Allotransplantat im osteoporotischen Knochen war die Knochenmenge nach 21 Tagen signifikant verringert ().

Die durchschnittliche Bildung neuen Knochens einschließlich des Transplantatmaterials im Defekt im normalen Knochen betrug 53 % bei Autotransplantat und 51 % bei Allotransplantat. Bei osteoporotischem Knochen wies das Allotransplantat mit einem Mittelwert von 35 % das höchste Knochenvolumen auf, während das Autotransplantat 33 % aufwies (Abbildung 6). Es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen anderen gemessenen Parametern innerhalb des Defekts ().

Abbildung 6

Histomorphometrische Bewertung der Knochenbildung in normalen und osteoporotischen Knochen:

4. Diskussion

In dieser Studie wurden die Auswirkungen von Autotransplantaten und Allotransplantaten in einem Tibiadefektmodell der Ratte verglichen, um die beste Defektreparatur bei normalen und osteoporotischen Knochen zu erzielen. Die Hypothese lautete, dass es keinen Unterschied in der Knochenbildung bei Verwendung von Autotransplantaten oder Allotransplantaten gibt, unabhängig davon, ob sie in normalem oder osteoporotischem Knochen verwendet werden. Die Ergebnisse der Mikro-CT oder der Histomorphometrie zeigten nach einer Beobachtungszeit von 21 Tagen keinen signifikanten Unterschied bei der Verwendung von Autotransplantaten und Allotransplantaten in einem Tibiadefekt, weder in normalen noch in osteoporotischen Knochenstrukturen. Mikro-CT-Scans zeigten jedoch eine geringere Menge an neuem Knochen in der Allograft-Gruppe nach 0, 7 und 14 Tagen.

Wenn Studien ihre Erfindungen vergleichen, herrscht Uneinigkeit darüber, ob Autotransplantat oder Allotransplantat als goldener Standard dienen sollte. Der Unterschied besteht in erster Linie zwischen der akademischen und der klinischen Meinung und darin, welche Art von Defekt in der Studie verwendet wird. Durch einen Vergleich innerhalb desselben Modells können wertvolle Informationen für akademische Zwecke und für die klinische Anwendung gewonnen werden, insbesondere aufgrund der zunehmenden Konzentration auf Ersatzmaterialien, um die Herausforderungen bei der Verwendung von Transplantatmaterialien und deren Einschränkungen zu überwinden.

Bei der Auswertung der Ergebnisse dieser Studie ist zu beachten, dass sowohl bei normalen als auch bei osteoporotischen Knochen die BV/TV auf dem Mikro-CT-Scan in der Allograft-Gruppe am Tag 0 deutlich niedriger ist, was auf den Prozess der Defektauffüllung zurückzuführen sein könnte. Das Allotransplantat wurde aus normalem Knochen gewonnen und das Autotransplantat von demselben Tier mit normalem oder osteoporotischem Knochen. Die Trabekeldicke ist in der Autotransplantatgruppe im normalen Knochen geringer, im osteoporotischen Knochen jedoch höher. Theoretisch hätte dies zu entgegengesetzten Ergebnissen führen müssen, da die Dichte im osteoporotischen Knochen abnahm. Dies könnte jedoch auf die Wirkung der Knochenmühle sowie die Größe und Beweglichkeit der Späne zurückzuführen sein. Interessant ist, dass die Entwicklung von Tag 0 bis Tag 21 in der Allograft-Gruppe mit 65,8 % schneller verläuft als in der Autograft-Gruppe mit nur 16,4 %. Am Tag 21 gibt es keinen Unterschied zwischen Autotransplantat und Allotransplantat, quantifiziert durch Histomorphometrie oder mikroarchitektonische Analyse.

Die Histomorphometrie zeigte am Tag 21 eine verringerte allgemeine Knochenbildung, wenn versucht wurde, Transplantatmaterialien in osteoporotischem Knochen zu verwenden (Abbildung 6). Auch hier ist anzumerken, dass das Allotransplantat von einem gesunden Spender stammt und dennoch eine deutlich geringere Regeneration bewirkt als in normalem Knochen. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, Transplantatmaterialien oder Medizinprodukte im osteoporotischen Knochen zu testen, um ihre volle Wirksamkeit beurteilen zu können. Dieser Test von Transplantatmaterial sowohl in normalem als auch in osteoporotischem Knochengewebe scheint jedoch kein ausreichendes Regenerationspotenzial zu haben.

Die Induktion von Osteoporose in einem Rattenmodell wurde bereits früher nachgewiesen, was zeigt, wie wichtig die Beobachtung bis zur Induktion ist. Kinney et al. untersuchten die Veränderungen des trabekulären Knochens durch OVX und stellten fest, dass das OVX-Verfahren zu einer sofortigen und kontinuierlichen Abnahme des trabekulären Knochens führt und die OVX-Ratten nach 50 Tagen 50 % ihres Knochenvolumens ohne Rebound-Effekt verloren hatten. Campbell et al. erstellten einen detaillierten longitudinalen Zeitverlauf des Knochenverlustes im OVX-Rattenmodell über zwölf Wochen. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass innerhalb der ersten 12 Wochen nach OVX im Rattenmodell mikroarchitektonische Veränderungen auftreten. Dabei ist bei einer Beobachtungszeit von 21 Tagen nicht mit einem Rebound-Effekt zu rechnen.

Der aktuelle Kenntnisstand bei der Verwendung von Allograft und Autograft ist, dass Studien je nach Lokalisation unterschiedliche Ergebnisse belegen. Bei Schädelplastiken hat sich das Allotransplantat als überlegen erwiesen; beim vorderen Kreuzband (ACL) zeigte das Autotransplantat eine bessere Wirkung auf die Knochenbildung, während beim hinteren Kreuzband (PCL) die Ergebnisse zwischen den beiden Transplantaten gleich sind. Beim Vergleich der Ergebnisse für die klinische Anwendung ist es daher wichtig, das richtige Transplantat zu verwenden, um korrekte Vergleiche anstellen zu können. Optimale Ergebnisse werden erzielt, wenn beide Transplantate für Positiv- und Negativkontrollen verwendet werden. Dies erhöht die klinische Wirkung und liefert insgesamt überzeugende Ergebnisse.

Bei der klinischen Umsetzung ist es außerdem erforderlich, sich auf ein wirtschaftliches und patientenbezogenes Ergebnis zu konzentrieren. Die Kosten für die Verwendung von Autotransplantaten sollen beispielsweise bei ACL-Operationen niedriger sein, aber die möglichen Nebenwirkungen bei der Entnahme von Autotransplantaten sind mit ziemlich schweren Nebenwirkungen verbunden. Daraus ergibt sich ein Dilemma bei der Wahl der Methodik für die Entnahme von Autotransplantaten, aber auch der Bedarf an einem anderen Ersatz für beide Transplantatmaterialien. Aktuelle Gewebezüchtungen und Biomaterialien mit Stammzellen könnten neue Hoffnung für die Knochenregeneration bieten.

Die Stärken dieser Studie sind das standardisierte Tibiadefektmodell bei Ratten und die gut verifizierte Induktion von Osteoporose. Allerdings stützt sich nichts in dieser Arbeit auf frühere Ergebnisse, und die Induktion von Osteoporose wird von demselben Scanner überprüft, der auch die Ergebnisse in den Interventionsgruppen auswertet. Dies bedeutet, dass die Zuverlässigkeit der Ergebnisse dieser Studie zunimmt. Darüber hinaus werden die Ergebnisse und die gleichen Methoden an verschiedenen Arten der Knochenstruktur getestet, was einen optimalen Vergleich des Transplantatmaterials ermöglicht, zumal das Allotransplantat bei normalem und osteoporotischem Knochen vom gleichen Spender stammt.

Eine Einschränkung ist das Fehlen eines leeren Defekts, der die Basiseffektivität des Knochenregenerationspotenzials ohne Knochentransplantate sowohl bei normalem als auch bei osteoporotischem Knochen zeigen könnte. Der Schwerpunkt dieser Studie liegt jedoch auf dem Vergleich potenzieller Wirksamkeiten zwischen den Transplantatmaterialien und nicht auf einer spezifischen Ausgangssituation für das Designmodell. Eine weitere Einschränkung ist der signifikante Unterschied am Tag 0 zwischen den Gruppen. Aber wenn die Auswertung auf 21 Tage begrenzt ist und das Allograft in einer so kurzen Zeitspanne die gleichen Ergebnisse liefert, sind die Ergebnisse in diesem Modell validiert.

5. Schlussfolgerung

Diese Studie kommt zu dem Schluss, dass Autotransplantat und Allotransplantat bei einer Beobachtungszeit von 21 Tagen bei einem Tibiadefekt in einem Rattenmodell ähnliche Knochenbildungsfähigkeiten aufweisen, was darauf hindeutet, dass Allotransplantat eine gute Alternative zu Allotransplantat sein könnte. Darüber hinaus ist die OVX-Operation zur dauerhaften Induktion von Osteoporose im Rattenmodell eine praktikable Methode.

Datenverfügbarkeit

Die Daten für diese Studie wurden mittels Histomorphometrie analysiert, und alle Daten sind im Orthopaedic Research Laboratory, Department of Orthopaedics & Traumatology, Odense University Hospital, Institute of Clinical Research, University of Southern Denmark in Datendateien von VisioPharm, Dänemark, gespeichert, die jede Zählung und Statistik für die in dieser Studie enthaltenen Analysen überprüfen. Mikro-CT-Scans sind große Dateien, die auf TB-Bändern gespeichert sind. Alle Daten, die zur Untermauerung der Ergebnisse dieser Studie verwendet wurden, sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Interessenkonflikte

Die Autoren erklären, dass es keine Interessenkonflikte gibt.

Danksagungen

Wir möchten den Mitarbeitern des Biomedizinischen Labors der Universität Süddänemark, insbesondere Anne Mette Durand, für die Bereitstellung von Fachwissen danken. Außerdem danken wir Gitte Højlund Reinberg für die Unterstützung während der gesamten Studie. Diese Studie wurde freundlicherweise vom Dänischen Gesundheitsforschungsrat (SSVF22-04-0705, MD) unterstützt.