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Um die Beeinflussbarkeit des osteoporotischen Lendenwirbelkörpers der Ratte durch vertikale und horizontale Ganzkörpervibrationen (WBV) unterschiedlicher Frequenzen zu untersuchen, wurde ein Kollektiv aus 90 drei Monate alten Ratten (Gattung Sprague Dawley) gebildet. Von diesen Tieren bildeten 15 Ratten die gesunde SHAM-Gruppe. 75 Tiere wurden ovariektomiert und zu je 15 Tieren auf die Gruppen OVX und die einer WBV unterzogenen Gruppen 35 Hz vertikal, 70 Hz vertikal, 35 Hz horizontal, 70 Hz horizontal aufgeteilt. 61 Tage nach erfolgter Ovariektomie wurde mit der WBV (zweimal täglich für 15 Minuten) über einen Zeitraum von 31 aufeinander folgenden Tagen begonnen. Nach Durchführung der WBV wurden die Versuchstiere durch Dekapitation getötet, die einzelnen Wirbelkörper präpariert und den jeweiligen Untersuchungen zugeführt. Die Knochenmineraldichte und der Anteil an Kalzium und Phosphat wurden am zweiten Lendenwirbelkörper durch Veraschung bzw. Flammatomabsorptionsspektroskopie/Photometrie ermittelt. Um die biomechanischen Parameter zu untersuchen, wurde der vierte Lendenwirbelkörper in toto einem axialen Kompressionstest unterzogen. Durch Analyse des dritten Lendenwirbelkörpers mittels Mikro-CT konnte Aufschluss über das trabekuläre Netzwerk sowie das Volumen und die Knochenmineraldichte erlangt werden. Anschließend wurden die Ergebnisse aus Veraschungsversuch und Mikro-CT mit den biomechanischen Parametern korreliert, um so die Determinanten eines stabileren Knochens zu identifizieren. In dieser Studie konnte ein signifikanter negativer Einfluss des Östrogenmangels auf die biomechanische Stabilität sowie die Knochenmineraldichte, das Knochenvolumen und Trabekeldicke des Knochens gezeigt und der Nutzen einer WBV als nicht-medikamentöse Therapieoption des osteoporotischen Knochens belegt werden. Die bei 35 Hz vibrierten Tiere erlangten bezüglich der biomechanischen Stabilität (Fmax, Streckgrenze, Steigung) und der Knochenmineraldichte (total BMD) das Niveau der gesunden SHAM-Tiere. Die horizontale WBV konnte keinen eindeutigen Effekt auf die erhobenen Parameter zeigen. Durch den berechneten Korrelationskoeffizienten konnte die Abhängigkeit der biomechanischen Stabilität des Wirbelkörpers von der mittels Mikro-CT ermittelten Trabekeldicke, dem Knochenvolumen und der Knochenmineraldichte dargestellt werden. Somit kann von den durch Bildgebung erhobenen Daten direkt auf die biomechanische Belastbarkeit und die Frakturneigung geschlossen werden. In dieser Studie konnten der Einfluss und Nutzen einer vertikalen 35 Hz WBV auf den osteoporotischen Lendenwirbelkörper der Ratte gezeigt werden. Die Bestätigung der Ergebnisse am Großtiermodell stellt ebenso wie die Durchführung klinischer Studien Ziele für die Zukunft dar, um den Nutzen einer WBV als schonende nicht-medikamentöse Therapieform der Osteoporose zu betätigen.

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Osteoporose ist eine Krankheit, die weltweit Millionen Menschen betrifft und in Anbetracht der überalternden Gesellschaft in Zukunft weiter an Relevanz gewinnen wird. Dass sich eine Ganzkörpervibration vorteilhaft auf Osteoporose auswirken kann, wurde schon in vorausgegangenen Studien belegt (Rubin et al. 2001b; Flieger et al. 1998; Oxlund et al. 2003; Sehmisch et al. 2009; Stuermer et al. 2010a; Stuermer et al. 2010b). Jedoch konnte bisher keine Klarheit über die optimale Anwendung (Dauer, Häufigkeit, Frequenz, Ausrichtung, Amplitude) gewonnen werden. Die bisherigen Versuche unterschieden sich lediglich in den verwendeten Frequenzen und der Therapiedauer.  Um die unterschiedlichen Einflüsse von vertikaler und horizontaler Vibration auf die osteoporotische Frakturheilung zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein Tierversuch mit 90 weiblichen Ratten durchgeführt. 15 wurden scheinoperiert und 75 wurden ovarektomiert. Innerhalb einer Latenzzeit von 8 Wochen entwickelten die ovarektomierten Versuchstiere eine Osteoporose. Im Folgenden wurden alle Tiere an der Tibiametaphyse standardisiert osteotomiert und mittels Plattenosteosynthese versorgt. Es wurden sechs Versuchsgruppen gebildet: Vier Gruppen wurden einer horizontalen bzw. vertikalen Ganzkörpervibration mit 35 Hz oder 70 Hz ausgesetzt (35Hz vert, 70Hz vert, 35Hz horiz und 70Hz horiz). Die übrigen zwei Gruppen erhielten keine Ganzkörpervibration, wobei eine Gruppe aus nicht ovarektomierten (SHAM) und die andere Gruppe aus Tieren nach Ovarektomie bestand (OVX). Die Ganzkörpervibration wurde zweimal täglich über einen Zeitraum von vier Wochen mit einer Amplitude von 0,5 mm durchgeführt. Nach Beendigung dieses Zeitraumes wurden die Tiere per Dekapitation getötet und die Tibiae entnommen. Anschließend wurden ein biomechanischer Test, eine μCT-Untersuchung, eine mikroradiographische Untersuchung sowie eine polychrome Sequenzmarkierung durchgeführt. Die ersten beiden Untersuchungen konnten am präparierten Knochen vorgenommen werden. Die letzteren erfolgten nach Einbettung der Knochen in Methylmetacrylat und der Anfertigung von ca. 120 µm dicken histologischen Schnitten. Der biomechanische Test zeigte keine signifikante Veränderung der Elastizität oder der Streckgrenze in allen Gruppen zueinander. Die biomechanischen Eigenschaften des Kallus konnten nur tendenziell bei den hohen Frequenzen von 70 Hz vertikal und 70 Hz horizontal verbessert werden. In der μCT-Untersuchung konnte weder durch horizontale noch durch vertikale Ganzkörpervibration ein signifikanter positiver Einfluss auf die Frakturheilung im Vergleich zur osteoporotischen Kontrollgruppe nachgewiesen werden. Es zeigten sich jedoch positive Tendenzen durch die horizontale Vibration bei 70 Hz. Die mikroradiographische Untersuchung ergab einen positiven Einfluss der vertikalen und der horizontalen WBV bei 70 Hz. Die horizontale Vibration bei 70 Hz konnte im Vergleich zur osteoporotischen Kontrollgruppe die Kortikalisdicke distal ventral, den Knochendurchmesser proximal, die Kallusdicke ventral, die Knochendichte des ventralen und die des endostalen Kallus verbessern.  In der polychromen Sequenzmarkierung konnte insgesamt durch die WBV eine Verschlechterung der frühen und eine Verbesserung der mittleren und späten osteoporotischen Frakturheilung gezeigt werden. In der frühen Phase wirkten sich ventral sowie endostal alle Frequenzen nachteilig aus. In der mittleren Phase war die horizontale Vibration bei 70 Hz in Bezug auf die dorsale Kallusfläche signifikant vorteilhaft gegenüber der osteoporotischen Kontrollgruppe. In der späten Phase erreichte die Gruppe mit horizontaler 35 Hz-Therapie in Bezug auf die ventrale Kallusfläche gegenüber der osteoporotischen Gruppe und der Gruppe mit vertikaler 35 Hz-Therapie signifikante Steigerungen. Dorsal zeigten beide horizontalen Frequenzen signifikant größere Kallusflächen als die Gruppe mit vertikaler 35 Hz-Therapie.  In der Zusammenschau aller durchgeführten Untersuchungen dieser Arbeit kristallisierte sich die horizontale Ganzkörpervibration bei 70 Hz als die vorteilhafteste Frequenz heraus, um die osteoporotische Frakturheilung an der Tibiametaphyse positiv zu beeinflussen.

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Die Osteoporose ist charakterisiert durch einen progressiven Verlust an Knochengewebe und ist eine der häufigsten Komplikationen des Alters. Schätzungen zufolge sind weltweit etwa 200 Millionen Menschen an Osteoporose erkrankt, dies führte auch zur Aufnahme der Osteoporose in die WHO-Liste der 10 wichtigsten Volkskrankheiten. In einer Studie aus dem Jahr 2007 wurden die jährlichen Kosten für die Folgen dieser Erkrankung in Deutschland mit 5,4 Milliarden Euro beziffert. Osteoporose bedeutet vermehrter Knochenabbau. Ursachen sind u.a. postmenopausaler Estrogenmangel, der wiederum dazu führt, dass sich die Lebenszeit der für die Knochenresorption zuständigen Osteoklasten verlängert, während die Lebenszeit der knochenproduzierenden Osteoblasten verkürzt wird. Außerdem sind die verringerten mechanischen Reize am Knochen durch fehlende körperliche Bewegung und ein endemischer Vitamin-D-Mangel, unter dem ein Großteil der Weltbevölkerung leidet, als ursächlich für das Auftreten von Osteoporose zu nennen. Ziel dieser Arbeit ist es, herauszufinden, ob eine vertikale Ganzkörpervibrationstherapie in Kombination mit einer Gabe von Strontiumranelat oder Parathormon zu einer verbesserten Knochenstruktur im osteoporotischen Rattenfemur führt. Zu diesem Zweck werden die Femora der Ratten nach Ganzkörpervibration und/oder medikamentöser Therapie mit Strontiumranelat oder Parathormon untersucht. Nach der Tötung der Ratten wird die biomechanische Stabilität des Femur einem biomechanischen Kompressionstest unterzogen. Anschließend wird der jeweilige prozentuale Gehalt von Kalzium, Phosphat und Strontiumranelat im Knochen gemessen, um den Einfluss der Vibration in Kombination mit Strontiumranelat oder PTH auf diese Parameter zu erfassen. Abschließend erfolgt die mikroradiographische Untersuchung der Knochen, um die Veränderungen der Knochenstruktur im Bereich der Kortikalis und im trabekulären Netzwerk zu erfassen. Den Ergebnissen zufolge konnte nur durch die Gabe von Parathormon eine signifikante Verbesserung der Knochenstruktur erreicht werden, die die Bruchfestigkeit der osteoporotischen Knochen signifikant erhöhte. Strontiumranelat führte in diesem Experiment zu keiner Verbesserung der Knochenqualität. Letztlich sind weitere Studien erforderlich, um effektive Dosen und Therapiezeiträume zu ermitteln. Der Vergleich der Wirksamkeit zwischen Parathormon und Strontiumranelat zeigte, dass Parathormon schneller zu Therapieerfolgen führt als eine alleinige Therapie mit Strontiumranelat. Durch die Ganzkörpervibration konnten Verbesserungen der Knochenstruktur detektiert werden. Die Kombination aus medikamentöser Therapie mit Ganzkörpervibration zeigte keine signifikanten Therapieerfolge im Vergleich zur alleinigen Therapie mit Parathormon.