The effect of vertical whole-body vibration, alendronate and 8-prenylnaringenin on ovariectomized rat muscle

Als weitverbreitete Erkrankungen in der älteren Bevölkerungsschicht sind die Osteoporose mit einer reduzierten Knochendichte und die Sarkopenie mit einer verminderten Muskelkraft für ein gesteigertes Sturz- und Frakturrisiko verantwortlich (Roubenoff und Hughes 2000). Frakturen im Alter sind folgenreich und können zu erhöhter Morbidität, Invalidität, Mortalität und zu hohen monetären Ausgaben führen (Cruz-Jentoft et al. 2010). Das muskuloskelettale System, bestehend aus Muskulatur und Knochen, spielt eine wichtige Rolle in der Therapie der Osteoporose und der Sarkopenie. Das Ziel dieser Arbeit war es herauszufinden, welchen Effekt verschiedene Osteoporosetherapien auf den Skelettmuskel haben. Dabei wurde der Einfluss der vertikalen Ganzkörpervibrationstherapie mit einer Frequenz von 35 Hz untersucht sowie der Einfluss des Bisphosphonats Alendronat. Zusätzlich sollte als mögliche Alternative zur herkömmlichen Hormonersatztherapie der Einfluss des Phytoöstrogens 8-Prenylnaringenin (8-PN) aus dem Hopfen untersucht werden. Als Versuchsmodell wurde die ovariektomierte Ratte genutzt, um so den Zustand einer Postmenopause mit induzierter Osteoporose nachzustellen. Drei Monate alte Sprague-Dawley-Ratten wurden ovariektomiert (n = 69) oder intakt gelassen (n = 11). Nach fünf Wochen wurden die ovariektomierten Ratten in eine Kontroll-gruppe (OVX), eine Vibrationsgruppe (VIB), eine Alendronatgruppe (Alendronat), eine Kombinationsgruppe aus Alendronat und Vibration (Alendronat+VIB), eine 8-PN-Gruppe (8-PN) sowie eine Kombinationsgruppe aus 8-PN und Vibration (8-PN+VIB) aufgeteilt. Die Vibration wurde fünfmal pro Woche - zweimal täglich für 15 Minuten - angewendet. Das Alendronat wurde kontinuierlich dem Soja-freien Futter beigemengt und in einer berechneten Dosis von 0,59 mg / kg KG (Alendronat) und 0,57 mg / kg KG (Alendronat + VIB) aufgenommen. 8-PN wurde subkutan in einer Dosierung von 1,77 mg / kg KG sieben Mal pro Woche verabreicht. Die Behandlungen erfolgten für 10 Wochen. Nach der fünften Woche erfolgte eine Osteotomie und -synthese beider Tibiae der Tiere, um in einer anderen Studie die Frakturheilung zu erforschen. Nach der Obduktion wurden randomisiert entweder der rechte oder der linke M. longissimus, der M. gastrocnemius sowie der M. soleus aller Versuchstiere entnommen, gewogen, präpariert und histologisch ausgewertet. Die Faserfläche, der Faserdurchmesser sowie die Kapillardichte wurden dabei analysiert. Obwohl es keinen signifikanten Unterschied zur Kontrollgruppe gab, war die Tendenz zur Faserflächenvergrößerung durch die vertikale Ganzkörpervibrationstherapie bedeutend. Alle drei Fasertypen der untersuchten Muskeln hatten sowohl bei alleiniger Vibrationstherapie als auch in Kombination mit Alendronat beziehungsweise 8-PN eine Vergrößerung der Faserfläche und des Durchmessers zur Folge. Eine höhere Frequenz könnte vermutlich deutlichere Ergebnisse erzielen. Die Vibrationstherapie hatte auf die Kapillardichte des Muskels der Ratte keinen signifikanten Effekt. Die Alendronatbehandlung hatte eine Reduktion der Faserflächen und -durchmesser zur Folge. Dies war vor allem an den intermediären und oxidativen Fasern des M. longissimus und geringfügig an den Fasern des M. gastrocnemius zu beobachten. Des Weiteren erhöhte Alendronat signifikant die Kapillardichte am M. longissimus sowie am M. soleus und hat daher einen positiven Einfluss auf die Blutzufuhr des murinen Muskels. Die Gewichtszunahme der Ratten durch die Ovariektomie wurde durch die Behandlung mit 8-Prenylnaringenin verhindert. Dieser Effekt war am auffälligsten in Kombination mit der Vibrationstherapie. Ebenfalls konnte die Gabe von 8-PN die Muskelzunahme des M. gastrocnemius nach Ovariektomie aufhalten. Weiterhin reduzierte 8-PN signifikant die Faserfläche und den Durchmesser der glykolytischen und intermediären Fasern des M. gastrocnemius und erhöhte signifikant die Kapillardichte des M. soleus, wobei es dementsprechend die Sauer- und Nährstoffversorgung des Wadenmuskels verbesserte. Als mögliche Alternative zur klassischen Hormonersatztherapie ist der Einfluss von 8-PN vielversprechend, sollte jedoch zur optimalen Dosis- und Behandlungsdauerfindung und zur Sicherheit bei der Anwendung am Menschen weiter erforscht werden.Osteoporosis with reduced bone density and sarcopenia with loss of muscle strength are the most prevalent diseases in the older segment of the population and are responsible for an increased risk of falls and fractures (Roubenoff and Hughes 2000). Fractures in old age are known to have far-reaching consequences leading to increased morbidity, disability, mortality and high monetary expenditures (Cruz-Jentoft et al. 2010). The musculoskeletal system as the combination of muscle and bone plays a vital role in the treatment of osteoporosis and sarcopenia. The aim of this study was to find out what effects certain osteoporosis therapies have on skeletal muscle. The influence of vertical whole-body vibration therapy with a frequency of 35 Hz and of the bisphosphonate alendronate was studied. Additionally, as an alternative to conventional hormone replacement therapy, the influence of the phytoestrogen 8-prenylnaringenin (8-PN) extracted from the common hop was examined. Ovariectomized rats were used as experimental models to recreate the state of postmenopause with induced osteoporosis. Three-month-old Sprague-Dawley-rats were ovariectomized (n = 69) or left intact (n = 11). After five weeks the ovariectomized rats were divided into a control group (OVX), a vibration group (VIB), an alendronate group (alendronate), a combination group of alendronate and vibration (alendronate + VIB), an 8-PN group (8-PN), and a combination group of 8-PN and vibration (8-PN + VIB). The vibration was applied five times per week, twice a day for 15 minutes. The alendronate was given along continuously with the soy-free food in a calculated dosage of 0,59 milligram (alendronate) and 0,57 milligram (alendronate + VIB) per kilogram bodyweight. 8-PN was administered subcutaneously in a dosage of 1,77 milligram per kilogram bodyweight seven times a week. All treatments were applied for 10 weeks. After five weeks an osteotomy was done on both tibiae in all rats to examine fracture healing as part of another research study. After the autopsy, either the left or right longissimus, gastrocnemius and soleus muscles of all animals were extracted, weighed, dissected and histologically evaluated. The fibre surface area and diameter as well as the capillary density were analysed. Although there was no significant difference between the control group and the VIB group, the tendency to fibre area enlargement due to vertical whole-body vibration therapy was notable. All three types of fibres of the examined muscles showed an increase in fibre surface area and diameter following vibration therapy on its own or following the combination of vibration therapy and alendronate or 8-PN. A higher vibration frequency could probably achieve more evident results. The vibration therapy had no effect on the capillary density of the rat muscle. Treatment with alendronate resulted in a slight reduction of fibre surface area and diameter. This was observed especially in the intermediate and oxidative fibres of the longissimus muscle and in the fibres of the gastrocnemius muscle. Furthermore, alendronate significantly increased the capillary density in the longissimus and the soleus muscles and thus had a positive impact on the blood supply of the rat muscle. The weight gain of the rats due to the hormonal changes following ovariectomy was prevented by the treatment with 8-PN. This effect was most prominent when 8-PN-treatment was combined with vibration therapy. Furthermore, administration of 8-PN inhibited muscle growth in the gastrocnemius muscle following ovariectomy. Additionally, 8-PN significantly reduced the fibre surface area and the diameter of the glycolytic and partly of the intermediate fibres of the gastrocnemius muscle and significantly increased the capillary density of the soleus, which accordingly improves oxygen and nutrient supply to the calf muscle. As a possible alternative to traditional hormone replacement therapy, 8-PN is promising. However, the treatment needs to be further studied with regard to optimal dosage, duration of administration and safety in human use.2017-06-0