Normalisierung histomorphometrischer und biomechanischer Parameter durch kontrollierte Stoffwechselführung bei der Frakturheilung spontandiabetischer BB/OK-Ratten

Zusammenfassung

Studienziel: Ziel der Studie war die detaillierte histomorphometrische und biomechanische Untersuchung von Veränderungen des Knochens während der Frakturheilung bei spontandiabetischen BB/O(ttawa)K(arlsburg) Ratten in Abhängigkeit von der diabetischen Stoffwechsellage. Methode: Anhand der Blutglukosewerte zum Operationszeitpunkt, des Blutglukoseverlaufes und des Insulinbedarfs postoperativ wurden 90 spontandiabetische BB/OK-Ratten mit guter und schlechter diabetischer Stoffwechselführung gruppiert. Fünfundvierzig LEW.1A-Ratten dienten als normoglykämische Kontrolltiere. Eine standardisierte Femurfraktur wurde nach 2, 4 und 6 Wochen Heilung untersucht. Ergebnisse: Unsere Studie zeigte nach histomorphometrischer Abschätzung eine schwere Mineralisationsstörung innerhalb der ersten 4 postoperativen Wochen ausschließlich bei den Ratten mit schlechter diabetischer Stoffwechsellage mit einer signifikanten Abnahme aller fluorochromabhängigen Parameter für die Mineralisation, die Apposition, die Formation und einer signifikanten Verlängerung des zeitlichen Ablaufes der Mineralisation, sowie eine signifikante Abnahme der biomechanischen Werte im Vergleich zu den Ratten mit guter diabetischer Stoffwechselführung und den Kontrollratten. Schlussfolgerung: Mit einer streng kontrollierten Insulintherapie und resultierender guter diabetischer Stoffwechsellage können die schweren Mineralisationsstörungen und die erniedrigten Werte der biomechanischen Eigenschaften bei der Frakturheilung spontandiabetischer Ratten mit schlechter diabetischer Stoffwechsellage verhindert werden.

Abstract

Aim: The objective of this study was to examine changes in the histomorphometrical and mechanical parameters of bone during fracture healing in dependence on the diabetic metabolic state in spontaneously diabetic BB/O(ttawa)K(arlsburg) rats. Methods: Based on blood glucose values at the time of surgery, postoperative blood glucose course and postoperative insulin requirements, 90 spontaneously diabetic BB/OK rats were divided into groups with well compensated or poorly compensated metabolic states. Forty-five LEW.1A rats served as the normoglycemic controls. The femurs were fractured in a standardized procedure and then allowed to heal for 2, 4 and 6 weeks. Results: In terms of bone histomorphometry, our study showed that, within the first four weeks after fracture, severe mineralization disorders occurred exclusively in the rats with poorly compensated diabetic metabolic states, with a significant decrease of all fluorochrome- based parameters of mineralization, apposition, formation and a significantly prolonged timing of mineralization, as well as significantly decreased values of biomechanical properties in comparison to the spontaneously diabetic rats with well compensated metabolic states and to the control rats. Conclusion: With a strictly controlled insulin therapy and a resulting well compensated diabetic metabolic state, severe mineralization disorders and the decreased values of biomechanical properties in the fracture repair in the poorly compensated diabetic metabolic state of the experimental animal can be avoided.

Spontandiabetische Ratten - Frakturheilung - Kallushistomorphometrie - Knochenbiomechanik

Spontaneously diabetic rats - fracture healing - callus histomorphometry - bone biomechanics

Literatur

• 1 Seino Y, Ishida H. Diabetic osteopenia: pathophysiology and clinical aspects.  Diabetes Metab Rev. 1995;  11 21-35
• 2 Loder R T. The influence of diabetes on the healing of closed fractures.  Clin Orthop. 1988;  232 210-216
• 3 Macey L R, Kana S M, Jingushi S, Terek R M, Borretos J, Bolander M E. Defects of early fracture-healing in experimental diabetes.  J Bone Joint Surg [Am]. 1989;  71 722-733
• 4 Funk J R, Hale J E, Cairmines D, Gooch H L, Hurwitz S R. Biomechanical evaluation of early fracture healing in normal and diabetic rats.  J Orthop Res. 2000;  18 126-132
• 5 Dixit P K, Ekstrom R A. Retardation of bone fracture healing in experimental diabetes.  Indian J Med Res. 1986;  85 426-435
• 6 el-Hakim I E. The effect of fibrin stabilizing factor (F. XIII) on healing of bone defects in normal and uncontrolled diabetic rats.  Int J Oral Maxillofac Surg. 1999;  28 304-308
• 7 Topping R E, Bolander M E, Balian G. Type X Collagen in Fracture Callus and the Effects of Experimental Diabetes.  Clin Orthop. 1995;  308 220-228
• 8 Klöting I, Voigt L. BB/O(ttawa)K(arlsburg) rats: Features of a subline of diabetes-prone BB rats.  Diabetes Res. 1991;  18 79-87
• 9 Klöting I, van den Brandt J, Kuttler B. Genes of SHR rats protect spontaneously diabetic BB/OK rats from diabetes: Lessons from congenic BB.SHR rat strains.  Biochem Biophys Res Commun. 2001;  283 399-405
• 10 Klöting I. Differences between LEW rats and their congenic LEW.1A and LEW.1W strains in body weight gain, plasma glucose and some hematologic traits.  Z Versuchstierkd. 1987;  29 75-78
• 11 Klöting I, Schmidt S, Kovacs P. Mapping of novel diabetes predisposing and protecting genes in the spontaneously diabetic BB/OK rat.  Biochem Biophys Res Commun. 1998;  245 483-486
• 12 Yokoi N, Kanazawa M, Kitada K, Tanaka A, Kanazawa Y, Suda S, Ito H, Serikawa T, Komeda K. A non-MHC locus essential for autoimmune type 1 diabetes in the Komeda Diabetes-Prone rat.  J Clin Invest. 1997;  100 2015-2021
• 13 Simske S J, Bateman T A, Smith E E, Ferguson V L, Chapes S K. Effects of major histocompatibility complex class II knock-out on mouse bone mechanical properties during development.  Biomed Sci Instrum. 2002;  38 47-52
• 14 Ekeland A, Engesaeter L B, Langeland N. Mechanical properties of fractured and intact rat femora evaluated by bending, torsional and tensile tests.  Acta Ortho Scan. 1981;  52 605-613
• 15 Wolf E, Röser K, Hahn M, Welkerling H, Delling G. Enzyme and immunohistochemistry on undecalcified bone and bone marrow biopsies after embedding in plastic: a new embedding method for routine application.  Virchows Archiv Pathol Anat. 1992;  420 17-24
• 16 Li J, Mori S, Kaji Y, Mashiba T, Kawanishi J, Norimatsu H. Effect of bisphosphonate (incadronate) on fracture healing of long bones in rats.  J Bone Miner Res. 1999;  14 969-979
• 17 Schenk R K, Olah A J, Herrmann W. Preparation of calcified tissues for light microscopy. In: G. R. Dickson (eds). Methods of calcified tissues preparation. Elsevier, Amsterdam, New York, Oxford 1984; 1-56
• 18 Parfitt A M, Drezner M K, Glorieux F H, Kanis J A, Maluche H, Meunier P J, Ott S M, Recker R R. Bone histomorphometry: standardisation of nomenclatur, symbols, and units.  J Bone Miner Res. 1987;  2 595-610
• 19 Diwan A D, Wang M X, Jang D, Zhu W, Murrell G AC. Nitric oxid modulates fracture healing.  J Bone Miner Res. 2000;  15 342-351
• 20 Turner C H, Burr D B. Basic biomechanical measurements of bone: a tutorial.  Bone. 1993;  14 595-608
• 21 Aickin M, Gensler H. Adjusted for multiple testing when reporting research results: the Bonferroni vs Holm methods.  Am J Publ Health. 1996;  86 726-728
• 22 Steel R GD, Torrie J H. Principles and procedures of statistics. A biometrical approach. McGraw-Hill, Singapore 1988
• 23 Weiss R E, Reddi A H. Influence of experimental diabetes and insulin on matrix-induced cartilage and bone differentiation.  Am J Physiol (Endocrinol Metab). 1980;  238 200-207
• 24 Verhaeghe J, Thomssen J S, van Bree R, van Herck E, Bouillon R, Mosekilde L. Effects of exercise and disuse on bone remodeling, bone mass, and biomechanical competencs in spontaneously diabetic female rats.  Bone. 2000;  27 249-256
• 25 Beam H A, Parsons J R, Lin S S. The effects of blood glucose control upon fracture healing in the BB Wistar rat with diabetes mellitus.  J Orthop Res. 2002;  20 1210-1216
• 26 Shyng Y C, Devlin H, Sloan P. The effect of streptozotocin-induced experimental diabetes mellitus on calvarial defect healing and bone turnover in the rat.  Int J Oral Maxillofac Surg. 2001;  30 70-74
• 27 Verhaeghe J, Suiker A MH, Visser W J, van Herck E, van Bree R, Bouillon R. The effects of systemic insulin, insulin-like growth factor-I and growth hormone on bone growth and turnover in spontaneously diabetic BB rats.  Endocrinology. 1992;  134 485-492
• 28 Reddy G K, Stehno-Bittel L, Hamade S, Enwemeka C K. The biomechanical integrity of bone in experimental diabetes.  Diabetes Res Clin Pr. 2001;  54 1-8
• 29 Einhorn T, Boskey A L, Gundberg C M, Vigorita V J, Devlin V J, Beyer M M. The mineral and mechanical properties of bone in chronic experimental diabetes.  J Orthop Res. 1988;  6 317-323
• 30 Kawaguchi H, Kurokawa T, Hanada K, Hiyama Y, Tamura M, Ogata E, Mataumoto T. Stimulation of fracture repair by recombinant human basic fibroblast growth factor in normal and streptozotocin-diabetic rats.  Endocrinology. 1994;  135 774-781