Effect of vertical whole-body vibration to the intact and the osteoporotic bone of the female rat – a fpVCT analysis of the first lumbar vertebral body and the osteotomized tibia

Die Osteoporose ist ein der bedeutsamsten Erkrankungen der westlichen Industriestaaten (Bartl 2003). Durch die daraus resultierende Abnahme der Knochenmineraldichte (bone mineral density, BMD) steigt das Frakturrisiko der Betroffenen deutlich an (Consensus Development Conference 1993). Eine Therapie mittels vertikaler Ganzkörpervibration (whole-body vibration, WBV) kann dem Verlust der Knochenmasse des osteoporotischen Knochens entgegen wirken (Rubinacci 2008). Diese Arbeit hatte zwei Ziele: die Auswirkung der Ganzkörpervibration einerseits auf die BMD eines intakten, osteoporotischen Knochens (repräsentiert durch den ersten Lendenwirbelkörper) und andererseits auf die Frakturheilung an der gesunden und der osteoporotisch veränderten Tibia zu untersuchen. Bei den Versuchstieren handelt es sich um weibliche Sprague-Dawley-Ratten. Die Ratte ist ein anerkanntes Osteoporosemodell. Bei den Tieren kann mittels bilateraler Ovarektomie eine hormonelle Veränderung geschaffen werden, welche mit der Situation der Frauen in der Menopause vergleichbar ist (Frost und Jee 1992, Thompson 1995). Die 60 Versuchstiere wurden in vier Gruppen unterteilt. Bei der Hälfte der Tiere erfolgte eine bilaterale Ovarektomie. Acht Wochen später erfolgte bei allen Ratten eine bilaterale standardisierte Osteotomie der Tibiae. Im Anschluss daran wurden die Hälfte der ovarektomierten und die Hälfte der nicht-ovarektomierten Tiere einer Vibrationsbehandlung zugeführt. Diese erfolgte zweimal täglich mit einer Frequenz von 90 Hz und einer Amplitude von 0,5 mm für eine Dauer von jeweils 15 Minuten. Die Tötung erfolgte nach weiteren fünf Wochen. Die präparierten Knochen wurden anschließend mittels Flächendetektor-Volumen-Computertomographie (flat-panel-VCT, fpVCT) analysiert. Die somit erzielten Ergebnisse korrelieren signifikant mit der Veraschung, welcher als Goldstandard zur Bestimmung der BMD gilt (Valencia 2006). Die Messergebnisse beinhalten Dichte- sowie Flächenparameter. Erstere resultieren aus einer Nutzer-spezifischen Auswertung bzw. Unterteilung von Messdiagrammen, letztere wurden über zuvor festgelegte Messgrenzen erhoben. Bei den Auswertungen der ersten Lendenwirbelkörper konnte in dieser Arbeit unter der Vibrationsbehandlung eine Zunahme der Knochendichte ermittelt werden, wobei dieser Unterschied lediglich bei isolierter Analyse der Kortikalis signifikant war (p<0,0035). In den anderen Messungen waren Tendenzen deutlich sichtbar, das Signifikanzniveau wurde jedoch gering verfehlt. Dies gilt für die Analyse des gesamten Knochens (p=0,053) und für den Messbereich, der die Substantia spongiosa und das ossäre Fettgewebe repräsentiert (p=0,063). Bei den Flächenmessungen der Lendenwirbelkörper konnten unter der Vibrationstherapie keine signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Gruppen beobachtet werden. In der Tendenz war eine Flächenzunahme unter der Vibrationsbehandlung nur beim isolierten Vergleich der beiden nicht-ovarektomierten Versuchstiergruppen und bei der gesonderten Betrachtung der Gesamtfläche bzw. der Substantia spongiosa und des ossären Fettgewebes zu verzeichnen, jedoch ohne jeweils statistisch signifikant zu werden (p>0,05). Vergleicht man die osteoporotischen Tiere mit den intakten, so zeigte sich bei der Auswertung der Lendenwirbelkörper in sämtlichen Messansätzen eine signifikante Abnahme der Knochendichte, eine signifikante Abnahme der gemessenen Fläche konnte zudem bei der isolierten Auswertung der Kortikalis beobachtet werden (p0,05). In der Tendenz konnte jedoch bei der Flächenanalyse sowohl des kortikalen Knochenanteils als auch des gesamten Knochens bei den osteoporotischen Tieren ein positiver Effekt der Vibrationsbehandlung beobachtet werden. Ein ähnliches Ergebnis erbrachte die Knochendichtemessung der nicht-osteoporotischen Tiere nach der Vibrationstherapie. Bei den osteoporotischen Tibiae konnte sowohl bei den Dichtemessungen des gesamten Knochens und der Kortikalis als auch bei den Flächenmessungen der Kortikalis jeweils eine signifikante Abnahme im Vergleich zu den gesunden Tieren festgestellt werden (p<0,05). Insgesamt kann die Ganzkörpervibration durchaus eine Behandlungsoption sowohl bei der Osteoporose als auch bei den daraus häufig resultierenden Frakturen sein, wobei jedoch weitere Untersuchungen nötig sind, um die ideale Abstimmung von Dauer, Dosierung, Frequenz, Amplitude etc. und die exakte Indikation einer solchen Therapie zu erarbeiten.Osteoporosis is an important disease in the industrial countries (Bartl 2003). It results in a reduction of the bone mineral density (bmd) which increases the fracture risk significantly (Consensus Development Conference 1993). Whole-body vibration (wbv) is a treatment option to increase the bmd of an osteoporotic bone (Rubinacci 2008). This study investigates two main aspects. On the one hand the effect of wbv on the bmd of an intact but osteoporotic bone (in this case the first lumbar vertebral body) should be evaluated, on the other hand the fracture healing of the intact and the osteoporotic rat tibia under such a treatment should be reviewed. The experimental animal is the female sprague-dawley rat. The rat is a common model for the osteoporosis. It is possible to generate a hormonal situation in the animals similar to postmenopausal women by conducting a bilateral ovariectomy (Frost and Jee 1992, Thompson 1995). The 60 rats have been divided into four groups and half of them have been ovariectomized bilaterally. Eight weeks later every rat received a standardized bilateral osteotomy of the tibiae, then half of the ovariectomized and half of the not-ovariectomized rats experienced the vibration treatment. This treatment was performed twice a day with a frequency of 90 Hz and an amplitude of 0,5 mm for 15 minutes per session. The animals were killed after five weeks of this treatment. The prepared bones were analyzed with the flat panel volume computed tomography (fpVCT). The results of such an investigation correlate significantly with the gold standard of the bmd-analysis: the ashing (Valencia 2006). The test results include density and area parameters. The density parameters are the result of an user-specific analysis of the measuring charts, the area measures were performed by using predefined parameters. The analysis of the first lumbar vertebral body showed an increase of the bmd after the wbv, but only in the isolated assessment of the cortical bone the results have been significant (p0,05), but we saw tendencies in the area analysis of the cortical bone and the total bone of the osteoporotic rats. Here the wbv seems to have a positive effect to the bmd. A similar result showed the analyzation of the bmd of the not-osteoporotic animals after the vibration treatment. By comparing the tibiae of the osteoporotic and the not-osteoporotic groups we see a significant reduction of the bone density in the whole bone and the cortical bone fraction as well in the isolated investigation of the cortical bone area (p