Ovarektomie und Kalzium-/Vitamin D₂/D₃-arme Diät als Osteoporosemodell an der Wirbelsäule von Sprague-Dawley-Ratten

Zusammenfassung

Hintergrund: Osteoporose ist eine bedeutende Volkskrankheit, die im Kontext mit osteoporotischen Frakturen steht, die jede 2. Frau über 50 Jahren erleiden kann. Sehr häufig finden sich osteoporotische Sinterungsfrakturen im Bereich der Wirbelkörper. Ziel dieser Studie war es, einen mit dem Menschen vergleichbaren osteoporotischen Knochenstatus insbesondere der Wirbelsäule im Kleintiermodell der Ratte zu induzieren. Untersucht werden sollten darin Knochendichteparameter, welche routinemäßig auch beim osteoporotischen Patienten mittels Dual-Energy X-ray Absorptiometry (DEXA) an der Wirbelsäule bestimmt werden.

Material und Methoden: Bei 50 weiblichen Sprague-Dawley-Ratten wurde im Alter von 14 Wochen eine Ovarektomie bzw. Sham-Operation (Kontrollgruppe) durchgeführt. Die ovarektomierten Ratten erhielten entweder eine Kalzium-/Vitamin-D₂/D₃-arme Diät, oder es wurde alle 2 Wochen gewichtsadaptiert eine subkutane Steroidinjektion (Dexamethason) durchgeführt. Ein Abschnitt der Wirbelsäule wurde als Region of Interest (ROI) festgelegt und mittels DEXA zum Zeitpunkt 0, 4 und 12 Wochen nach Ovarektomie bzw. Sham-Operation gemessen. Fünfzehn Patientinnen von 57–72 Jahren wurden in je 8–10 Regionen der Wirbelsäule gescannt (150 Messungen). Mittels DEXA wurde an der Wirbelsäule der T-Wert, der Z-Wert, die Knochenmineraldichte (Bone Mineral Density; BMD) und der Knochenmineralgehalt (Bone Mineral Content; BMC) bestimmt und nachfolgend Vergleiche zwischen Gruppen und Zeitpunkten vorgenommen. Statistische Analysen erfolgten mittels zweiseitiger ANOVA mit nachfolgender Bonferroni-Korrektur, p < 0,05 wurde als Signifikanzschwelle definiert.

Ergebnisse: Die T-Werte beider behandelter Gruppen zeigten einen signifikanten Abfall, aber nur bei Tieren der Diätgruppe lagen zum Zeitpunkt 4 und 12 Wochen nach Ovarektomie die T-Werte unter dem die Osteoporose definierenden Grenzwert von −2,5. Statistisch zeigte die Diätgruppe keinen signifikanten Unterschied zur Kontrollgruppe von Patienten mit Osteoporose. Der Z-Wert war in beiden behandelten Gruppen signifikant erniedrigt, lag aber nur in der Diätgruppe unter dem Referenzwert von −1,5. Die Ratten der Diätgruppe zeigten im Bereich der Wirbelsäule einen ausgeprägten osteoporotischen Phänotyp mit deutlich verminderten BMD. Der Abfall des BMD betrug 12 Wochen nach Ovarektomie 32 %. In Sham-Kontrollen kam es in diesem Zeitraum zu einem signifikanten Anstieg des Mineralsalzgehalts (BMC), welcher in beiden behandelten Gruppen (Steroid, Diät) ausblieb. Bei der Diätgruppe vergrößerte sich die Knochenfläche signifikant. Patientinnen zeigten signifikant niedrigere T- und Z-Werte als Sham-Kontrollen sowie nach OVX + Steroidbehandlung, aber nicht verglichen mit OVX + Diät.

Schlussfolgerung: Eine vertebrale Osteoporose kann im Rattenmodell durch Ovarektomie in Kombination mit einer Kalzium-/Vitamin-D₂/D₃-armen Diät reproduzierbar erzeugt werden. Dabei können durch gleichzeitige Ovarektomie und Kalzium-/Vitamin-D₃-arme Diät T- und Z-Werte erreicht werden, die denjenigen osteoporotischer Patienten entsprechen. Die Abnahme der Knochendichte (BMD) im Vergleich zu Sham-Kontrollen ist hauptsächlich durch einen fehlenden Anstieg des Mineralsalzgehalts (BMC) bei vergrößerter Knochenfläche bedingt.

Abstract

Background: Osteoporosis is a widespread disease characterised by low bone mass and structural deterioration of bone resulting in an increased susceptibility to fractures. Osteoporosis affects women more frequently than men; every second woman older than 50 years suffers from an osteoporotic fracture, frequently a vertebral fracture. The aim of this study was to induce osteoporosis in rats to establish an osteoporotic small-animal model that simulates the human pathology particularly in the spine. Therefore, bone density parameters, which are routinely determined in the spine of osteoporotic patients, were investigated by Dual-Energy X-ray Absorptiometry (DEXA).

Materials and Methods: Fourteen-week-old female Sprague-Dawley rats (n = 50) were either sham-operated (control group: sham) or ovariectomised (experimental group). Ovariectomised rats were further divided into two groups; one received calcium/vitamin D₂/D₃ deficient diet (OVX + diet), and the other received subcutaneous steroid injections (dexamethasone 0.3 mg/kg body weight) twice a month (OVX + steroid). Rats were scanned by DEXA at three time points (Month = M, 0 M, 1 M and 3 M). DEXA measurement of the spine delivered T-value, Z-value, bone mineral content (BMC), and the scanned area. Fifteen female patients at an age of 57–72 years were scanned in 8–10 regions of the spine (150 measurements). T-values and Z-values were pre-calculated based on patient databases. Statistical analysis was performed using two-way ANOVA followed by Bonferroni correction, with significance considered at p < 0.05.

Results: T-value and Z-value of both rat groups were compared with the patient data as well as with each others. Both treated rat groups revealed significantly lower T- and Z-values than controls. Despite the significant difference, the reference line (−2.5 for T-value and −1.5 for Z-value) was only reached by the OVX + diet group. On the other hand, the sham group showed an increase in BMC over time, while no change was seen in OVX + diet or OVX + steroid. Bone area demonstrated a significant increase up to M3. However, the increase in bone area within the OVX + diet group was notably higher than in both sham and OVX + steroid groups. Patients showed significantly lower T- and Z-values than sham and OVX + steroid but insignificant ones when compared with OVX + diet.

Conclusion: A reproducible vertebral osteoporosis can be generated in a rat model by combination of ovariectomy with administration of a calcium/vitamin D₃ deficient diet. T- and Z-values of this experimental group mimicked values obtained from osteoporotic patients, reflecting a simulation of their pathology. Interestingly, the increase in bone area over time with the steady BMC results in lower mineral density (BMD) of the OVX + diet group. Therefore, this rat model presents a reliable experimental set-up that may serve as a tool to better understand and treat osteoporosis.

Schlüsselwörter

Osteoporose - Tiermodell - Knochendichte - DEXA-Messung - Qualitätssicherung

Key words

osteoporosis - animal model - bone mineral density - DEXA measurement - quality control

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