Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., veränd. Diplomarbeit

Zugl.: Saarbrücken, Univ., Diss., 2009

Karlsruhe, University, Thesis (doctoral), 2002.

Die Auswirkung der systemischen Applikation von 100µg/kg/KG rekombinantem speziesspezifischem Wachstumshormon (GH) über 26 Tage auf den Knochenumbau des Yucatan-Minischweins wurde an Wirbelkörpern, Beckenkämmen und Rippen histomorphometrisch untersucht. Der Einfluss der Distraktionsosteogenese auf die Mineralappositionsrate wurde ermittelt. 24 Tiere wurden an der linken Tibia osteotomiert, ein Fixateur externe wurde zur Distraktionsosteogenese von 2mm/d angelegt. 12 Tiere erhielten Wachstumshormon, 12 Placebo. Eine polychrome Fluoreszenzmarkierung wurde i.v. appliziert. Post mortem wurden Schnitte und Dünnschliffe der genannten Knochen angefertigt. Mittels Bildanalysesystem erfolgte die histomorphometrische Auswertung anhand der Parameter Knochendichte, Porosität, Trabekeldicke, Trabekelumbauparameter und Mineralappositionsrate (MAR). Signifikante Veränderungen durch Wachstumshormongabe konnten gezeigt werden. Unterschiede zwischen den Lokalisationen traten auf. So war die Knochendichte der GH-Tiere an Wirbelkörpern und Rippen signifikant geringer als in der Placebogruppe, kein signifikanter Unterschied zeigte sich am Beckenkamm. An allen 3 Lokalisationen war in der Wachstumshormongruppe eine signifikant erhöhte kortikale Porosität zu finden. Nur am Wirbelkörper waren die trabekuläre Knochendichte und die Trabekeldicke bei den GH-Tieren signifikant geringer als bei den Kontrolltieren. Die Knochenresorption war in der GH-Gruppe am Beckenkamm signifikant erhöht. Die Formation war bei den GH-Tieren sowohl iliakal als auch vertebral signifikant erhöht. Insgesamt ergab sich damit ein signifikant verminderter Anteil an ruhender Oberfläche bei den GH-Tieren. In ihrer Ausprägung waren diese Parameter zwischen Wirbel und Beckenkamm signifikant verschieden. Die MAR war in der GH-Gruppe signifikant höher als in der Placebogruppe, außerdem war sie während der Distraktionsphase signifikant höher als während der Konsolidierungsphase. Vergleicht man die Parameter mit Angaben aus der Literatur, kann bestätigt werden, dass die hier verwendeten Messmethoden geeignet sind, und dass das Yucatan-Minischwein ein geeignetes Modell zur Klärung von Fragestellungen der Knochenbiologie auch im Hinblick auf den Vergleich zum Menschen darstellt. / The effect of systemic application of 100 µg/kg recombinant species specific growth hormone (GH) on the bone remodelling of 24 Yucatan mini pigs for a duration of 26 days was evaluated on vertebral body, iliac crest, and rib. The influence of distraction osteogenesis on the mineral apposition rate (MAR) was examined. 24 animals were osteotomized at the left tibia and treated with an external fixator for distraction osteogenesis of 2 mm/d. 12 of them received GH, the others placebo. A sequential polychrome fluorescent labelling was applied. After sacrifice thin and ground sections were manufactured. Using an image analysis system, a histomorphometrical evaluation was performed by means of bone density, porosity, trabecular thickness, trabecular remodelling parameters, and mineral apposition rate (MAR). Significant changes after GH application were visible. Differences between the locations were found. The bone density of vertebrae and ribs of the treatment group was significantly lower than that of the placebo group, whereas no difference was seen in the iliac crest biopsies. All 3 locations showed a significantly higher cortical porosity in the GH group. The trabecular bone density and the trabecular thickness were significantly decreased only in the vertebral bodies of the treatment group. The bone resorption was significantly elevated in the iliac crests of the GH group. The bone formation was increased in the iliac crest as well as in the vertebrae of the GH treated animals. Therefore, the resting surface was significantly decreased in the GH group. The extent of these effects was significantly different between iliac crest and vertebral body. The MAR was significantly higher in the GH group and during distraction osteogenesis. Compared to results of other study groups these parameters validate the methods of measurement and show that the Yucatan mini pig is a suitable model for research concerning bone biology, especially concerning the comparison with human parameters.

In der vorliegenden Arbeit wurden drei unabhängige Problemfelder moderner biophysikalischer und materialwissenschaftlicher Forschung untersucht: Diffusion in binären Legierungen, der Umbauprozess in trabekulärem Knochen und die Voraussage mechanischer Eigenschaften, insbesonders der Biegesteifigkeit, selbstorganisierender, amphiphiler Membrane. Für alle drei Problemfelder wurden Gittermodelle gewählt, um ausgesuchte Fragestellungen zu untersuchen. Für den Fall der Diffusion in Legierungen war dies, inwieweit sich der Diffusionprozess, der sich auf atomarer Ebene als diskrete Platztäusche zwischen Atomen und Leerstellen manifestiert, auf einer größeren, makroskopischen, Ebene mit Hilfe einer kontinuumstheoretischen Theorie beschreiben lässt. Im Fall der Beschreibung des Umbauprozesses in in trabekulärem Knochen wurde die die spongiöse Architektur des Knochens auf ein Gitter abgebildet und mittels einer vereinfachten mechanischen Beschreibung die lokale Belastung in jedem Knochenelement bestimmt. Die zeitliche Entwicklung des Systems wurde mittels eines stochastischen Umbaugesetzes gesteuert, das die Wahrscheinlichkeit für Knochenan- bzw. -abbau als Funktion der lokalen Volumenänderung vorgab. Es wurde gezeigt, dass ein nicht-lineares Umbaugesetz bessere Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen zeigt, als ein rein lineares. Weiters wurde das Krankheitsbild der Osteoporose untersucht und es konnte eine Unterscheidung zwischen einem normalen Alterungsprozess der Knochenstruktur und einer krankhaften Veränderung gezogen werden. Um die mechanischen Eigenschaften selbstorganisierender Membrane zu bestimmen, wurden linear elastische Federkräfte zwischen benachbarten Molekülen angenommen. Die volle elastische Matrix und daraus die gewünschten Eigenschaften wurden für unterschiedliche Zusammensetzungen der Membrane bestimmt. Es wurde gezeigt, dass die Biegesteifigkeit solcher Membrane in einem begrenzten Konzentrationsbereich um mehrere Größenordnungen variieren kann. / This thesis presents the results of investigations on three independent research topics of modern biophysical and materials science research: substitutional diffusion in binary alloys, the remodelling process in trabecular bone and the prediction of mechanical properties of self assembling, amphiphilic bilayers. The basic description of all three projects is based on lattice models, a highly successful class of models that are used in several fields of modern physics to describe physical processes. For the diffusional process in alloys, which on a microscopic scale manifests in a discrete site exchange between one atom and a neighbouring vacancy, it was investigated how this microscopic description can be reconciled with a macroscopic continuum model. For the investigations on remodelling of trabecular bone, the architecture of bone was mapped onto a lattice and the local mechanical state of each element was determined by a simplified mechanical model. A stochastic description was chosen to model the time evolution of the system, relating the probability of bone formation and resorption, respectively, to the local volume changes of the bone elements. It was shown that a non-linear remodelling law is a better candidate to describe the remodelling process in real bone than a linear one. Furthermore, applying the model to osteoporosis - a wide spread bone disease - it was shown that in the features attributed to osteoporosis one has to distinguish between normal ageing of bone''s architecture and additional changes that stem from pathological alterations in the regulatory system. A simple concept was introduced to model the mechanical properties of self-assembled membranes. The molecules forming the membrane are assumed to occupy a triangular lattice, nearest neighbours are connected by linear elastic springs. It was shown that the bending rigidity exhibits a pronounced concentration dependence, varying over orders of magnitude in a narrow concentration regime.

Collagen and glycosaminoglycans, such as hyaluronan and chondroitin sulfate, are the major components of bone extracellular matrix, and extracellular matrix composites are being evaluated for a wide range of clinical applications. The molecular and cellular effects of native and sulfatemodified glycosaminoglycans on osteocytes were investigated as critical regulators of bone remodeling. The effects of glycosaminoglycans on viability, necrosis, apoptosis, and regulation of gene expression were tested in two osteocyte-like cell lines, the murine MLO-Y4 and the rat UMR 106-01 cells. Glycosaminoglycans were non-toxic and incorporated by osteocytic cells. In MLO-Y4 cells, sulfation of glycosaminoglycans led to a significant inhibition of osteocyte apoptosis, 42% inhibition for highly sulfated chondroitin sulfate and 58% for highly sulfated hyaluronan, respectively. Cell proliferation was not affected. While treatment with highly sulfated chondroitin sulfate increased cell viability by 20% compared to the native chondroitin sulfate. In UMR 106- 01 cells, treatment with highly sulfated hyaluronan reduced the receptor activator of nuclear factor-κB ligand/osteoprotegerin ratio by 58% compared to the non-sulfated form, whereas highly sulfated chondroitin sulfate led to 60% reduction in the receptor activator of nuclear factor-κB ligand/osteoprotegerin ratio in comparison to the native chondroitin sulfate. The expression of SOST, the gene encoding sclerostin, was reduced by 50% and 45% by highly sulfated hyaluronan and chondroitin sulfate, respectively, compared to their native forms. The expression of BMP- 2, a marker of osteoblast differentiation, was doubled after treatment with the highly sulfated hyaluronan in comparison to its native form. In conclusion, highly sulfated glycosaminoglycans inhibit osteocyte apoptosis in vitro and promote an osteoblast-supporting gene expression profile.