Influence of horizontal whole-body vibration under different frequencies on fracture healing in the osteopenic rat tibia

Osteoporose ist durch einen Verlust an Knochenmineraldichte charakterisiert. Hierdurch bedingt steigt das Risiko von atraumatischen Frakturen. Besonders sturzgefährdete und betagte Patienten haben ein erhöhtes Risiko von osteoporotisch bedingten Knochen-brüchen. Dadurch gewinnt die Osteoporose aufgrund einer zunehmend alternden Gesell-schaft an Bedeutung. Unter dem Einfluss einer vertikalen Ganzkörpervibration konnte eine verbesserte Knochenstruktur am gesunden wie auch am osteoporotischen Knochengewebe nachgewiesen werden. Daraus kann ein positiver Effekt auf die Frakturheilung abgeleitet werden. Die Ganzkörpervibration bietet dabei als passive Applikationsform und nicht-pharmakologischer Therapieansatz den Vorteil, Verletzungen und Medikamenten-interaktionen insbesondere bei älteren Patienten zu reduzieren. Aus den Ergebnissen bisheriger Studien konnte allerdings noch kein eindeutiges Vibrationsregime abgeleitet werden, welches die Frakturheilung optimal fördert. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb der Einfluss einer horizontalen Ganzkörper-vibration auf die Frakturheilung zunächst an der osteopenen Rattentibia untersucht. Dafür wurden neunzig drei Monate alte weibliche Sprague-Dawley-Ratten in sechs Gruppen eingeteilt. Davon wurden fünf Gruppen ovarektomiert, wodurch nach einer Zeitspanne von acht Wochen bei diesen Tieren eine Osteopenie erzeugt werden konnte. Eine Gruppe wurde scheinoperiert, sodass die Ovarialfunktion erhalten blieb. Im Anschluss erfolgte für alle Versuchstiere eine Osteotomie mit stabilisierender Plattenosteosynthese durch eine 5-Loch-Leibinger-Titanplatte. Ab dem fünften post-operativen Tag erfolgte die horizontale Ganzkörpervibration für fünfzehn Minuten täglich über dreißig Tage für vier der ovarektomierten Gruppen. Jede der vorgenannten Gruppen wurde mit einer gruppenspezifischen Frequenz von 30, 50, 70 oder 90 Hz bei einer Amplitude von 0,5 mm horizontal vibriert. Nach Abschluss der Behandlung wurde die mechanische Stabilität der Tibia in einem biomechanischen Kompressionstest untersucht. Es folgte die Analyse der Dichtewerte von Kortikalis, Kallus und Gesamtknochen mittels Mikrocompu-tertomographie sowie die histomorphometrische Untersuchung der Knochen- und Kallusstrukturen. Der zeitliche Verlauf der Frakturheilung wurde durch eine polychrome Sequenzmarkierung beurteilt. Die Auswertung der Ergebnisse bestätigte eine herabgesetzte mechanische Stabilität, eine reduzierte Dichte des Kallus und eine verzögerte Knochenneubildung an der osteopenen Rattentibia. Dieser negative Einfluss des Östrogendefizits konnte durch die horizontale Ganzkörpervibration nicht ausgeglichen werden. Es wurde darüber hinaus eine verminderte Kortikalisbreite bei Frequenzen unterhalb 90 Hz und eine herabgesetzte Kallusdichte bei einer Frequenz von 30 Hz auffällig. Durch eine verminderte Kallusbildung bei einer horizontalen Vibration mit Frequenzen von 70 Hz und 90 Hz kann eine verschlechterte Frakturheilung angenommen werden. Die Frequenz 50 Hz hat zumindest keinen negativen Effekt auf die osteoporotische Frakturheilung im Vergleich zum Gesunden. Insgesamt zeigte die horizontale Ganzkörpervibration jedoch eher negative Wirkungen auf die Knochenstrukturen und die Frakturheilung. Im Gegensatz dazu konnte in anderen Arbeiten ein positiver Einfluss auf die Frakturheilung für eine vertikale Ganzkörpervibration festgestellt werden. Gründe hierfür könnten im Einfluss der dabei wirkenden axialen Kräfte gesehen werden, wie sie auch bei natürlichen Bewegungen auftreten. Aufgrund dessen ist in weiterführenden Untersuchungen eine vertikale Vibration empfehlenswert, um ein optimales Vibrationsregime zu finden, das anschließend am Großtier und im Verlauf in klinischen Studien untersucht werden kann.Osteoporosis is characterized by a loss of bone mineral density. As a result, the risk of atraumatic fractures increases. Especially frail and aged patients have an increased risk of osteoporotic bone fractures. As a result, osteoporosis is becoming more important due to an aging society. Under the influence of a vertical whole-body vibration, an improved bone structure could be demonstrated in healthy and osteoporotic bone. From this, a positive effect on the fracture healing can be derived. As a passive application form and non-pharmacological therapy, whole-body vibration offers the advantage of reducing injuries and drug interactions, especially for elderly patients. From the results of previous studies, no clear vibration regime could be derived which promotes optimally fracture healing. The present study investigates the influence of a horizontal whole-body vibration on the fracture healing of rat with osteopenia. Ninety three-month-old Sprague-Dawley rats were divided into six groups. Of these, five groups were ovariectomized to provoke osteopenia after a period of eight weeks. One group was sham-operated so that ovarian function was preserved. Afterwards, all groups underwent a bilateral osteotomy followed by T-plate stabilization. After five days four of the ovariectomized groups underwent a horizontal whole-body vibration for fifteen minutes a day over a period of thirty days. Every group received a specific frequency of 30, 50, 70 or 90 Hz horizontal vibration with amplitude of 0.5 mm. After finishing the treatment, mechanical stability of the tibia was investigated with a three-point-bending test. Thereafter follows the analysis of the density of cortical bone, callus and total bone by micro-CT as well as histomorphometric analysis of bone and callus structures. The sequence of fracture healing was labeled by polychrome fluorescent dyes. The evaluation of the results confirmed a reduced mechanical stability, reduced callus density, and delayed bone formation in the osteopenic rat tibia. This negative influence of the estrogen deficit could not be compensated by the horizontal whole-body vibration. In addition, a reduced cortical width at frequencies below 90 Hz and a reduced callus density at a frequency of 30 Hz were noticeable. Decreased callus formation in horizontal vibration with frequencies of 70 Hz and 90 Hz may result in decreased fracture healing. The frequency 50 Hz has at least no negative effect on the osteoporotic fracture healing compared to intact bone. Overall, horizontal whole-body vibration has rather negative effects on bone structures and fracture healing. In contrast, other studies found a positive influence on fracture healing for vertical whole-body vibration. Reasons for this could be seen in the influence of the axial forces that were involved, as they occur in natural movements. As a result, further studies recommend vertical vibration to find an optimal vibration regime that can subsequently be studied in large animals and clinical trials.2018-09-2