Wachstumsverhalten von humanem, trabekulärem Knochen unter verschiedenen Belastungsbedingungen in einem neuartigen Kultur- und Belastungssystem

Im Rahmen der Etablierung eines neuen Kultur- und Belastungssystems für trabekulären Knochen wurden die Möglichkeiten der Langzeitkultur von humanem Knochen untersucht. Das unter dem Namen ZETOS in Marburg von Jones und Smith entwickelte Kultur- und Belastungssystem bietet die Möglichkeit zylinderfö...

Ausführliche Beschreibung

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1. Verfasser: Daume, Benjamin
Beteiligte: Boudriot, Ulrich (Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2008
Orthop
Schlagworte:
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topic Culture
Bone growth
Zetos
Belastung
Zetos
Human bone
Knochenwachstum
Humaner Knochen
Medizin, Gesundheit
Knochenstoffwechsel
Mediatoren
Knochen
Loading
spellingShingle Culture
Bone growth
Zetos
Belastung
Zetos
Human bone
Knochenwachstum
Humaner Knochen
Medizin, Gesundheit
Knochenstoffwechsel
Mediatoren
Knochen
Loading
Wachstumsverhalten von humanem, trabekulärem Knochen unter verschiedenen Belastungsbedingungen in einem neuartigen Kultur- und Belastungssystem
Daume, Benjamin
The ZETOS system is an ex-vivo culturing und loading system for trabecular bone cores. Cylindrical bone cores (10x5mm) from a human femur head of a 68 year old male patient who had a hip replacement because of a coxarthrosis were cultured over 50 days. Twenty trabecular bone cores were obtained from the femur head. Two samples got lost because of infection. At the beginning three groups were randomly formed. Two grous were loaded with a compression of 2000 and 4000 µstrain for five minutes per day with one Hz. The third group was the non-loaded control group. The applied force while compression was measured simultaneously. To examine bone growth the bone cores were labeled with the fluorescence colouring Calcein and Alizarin red on three days of the study time. Prostaglandin E2 was measured on two days over twelve hours after loading. On the second sample day IL-6, TNF-α and Osteoprotegerin was measured to examine local regulation of bone metabolism. A bone growth with an average MAR of 0,59526 µm/day can be seen in all groups, but there was no significant differences between the loaded and the non-loaded groups. Osteoid and active bone surface was significant increased in the loaded groups. One hour after loading there was a significant increase of Prostaglandin E2, IL-6 and TNF-α within the loading groups. The vitality of the bone cores can be seen in the active bone metabolism, as building osteoid, increasing active bone surface and producing zytokines like Pg-E2, IL-6 and TNF-α. Mechanical loading seems to induce bone remodeling. Increased Osteoid and active bone surface are signs of bone formation, but increased levels of IL-6 and TNF-α are inducing osteoclasts and bone resorption. The exact compression could not be calculated because of calibration differences within the loading system. The E-Modul could not be calculated. The measured forces applied while compression showed a physiological loading of the bone cores, compared to the forces applied to an in-vivo human femur head. The development of the system and the examination of different loading and culture conditions is the issue of further studies.
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description Im Rahmen der Etablierung eines neuen Kultur- und Belastungssystems für trabekulären Knochen wurden die Möglichkeiten der Langzeitkultur von humanem Knochen untersucht. Das unter dem Namen ZETOS in Marburg von Jones und Smith entwickelte Kultur- und Belastungssystem bietet die Möglichkeit zylinderförmige Knochenproben ( 1 cm Ø, 0,5 cm hoch ) unter kontrollierten Bedingungen in Kultur zu halten und diese mechanisch zu belasten. Hierbei können die Größen Kompression und Kraft gesteuert und gemessen werden. Ziel des Versuchs war es, trabekuläre Knochenproben aus dem Hüftkopf eines 68jährigen Patienten, der sich einer Hüft-TEP Operation unterziehen musste, über mehrere Wochen in Kultur zu halten und diese mechanisch zu belasten. Es konnten insgesamt 20 Knochenproben aus dem Hüftkopf gewonnen werden. Zwei Proben schieden aufgrund von Infektionen vorzeitig aus dem Versuch aus. Letztendlich konnten 18 Proben über insgesamt 50 Tage in Kultur gehalten werden. Zu Beginn wurden drei Versuchsgruppen gebildet. Zwei Belastungsgruppen, welche zum Einen mit 2000 µstrain, zum Anderen mit 4000 µstrain über 5 Minuten täglich mit einer Frequenz von 1 Hz belastet wurden. Die dritte Gruppe wurde als Kontrolle nicht belastet. Die Knochenproben wurden während des Versuchs an drei Tagen mit verschiedenen Fluoreszenz-Farbstoffen gelabelt. Die spätere histologische Aufarbeitung sollte zeigen, ob ein messbares Knochenwachstum stattgefunden hat. An zwei Tagen wurde nach Belastung über 12 Stunden Prostaglandin E2 und am zweiten Messtag zusätzlich Il-6, TNF-α und Osteoprotegerin bestimmt. Hier sollten die lokalen Regulationsmechanismen des Knochenstoffwechsels genauer untersucht werden. In allen drei Versuchsgruppen konnte histologisch ein Knochenwachstum mit einer durchschnittlichen MAR von 0,59526 µm/Tag festgestellt werden. Es zeigte sich kein signifikanter Unterschied zwischen den einzelnen Gruppen. Jedoch waren in den Belastungsgruppen die Osteoidbildung sowie die aktive Knochenoberfläche signifikant gegenüber der Kontrollgruppe erhöht. Ebenfalls waren Pg E2, Il-6 und TNF-α in den Belastungsgruppen eine Stunde nach Belastung signifikant gegenüber der Kontrollgruppe erhöht. Die Vitalität der Knochenproben über den Versuchzeitraum konnte durch die vermehrte Osteoidbildung innerhalb der Proben und durch die messbare Ausschüttung von lokalen Mediatoren nachgewiesen werden. Bei der Reaktion der Knochenproben auf die Belastung muss von der Induktion eines vermehrten Knochenumbaus ausgegangen werden, da einerseits ein nachweisbarer Knochenaufbau stattfand, andererseits vermehrt Mediatoren in Form von Il-6 und TNF- ausgeschüttet wurden, die dem Knochenabbau über Aktivierung von Osteoklasten dienen. Die Messung des E-Moduls führte aufgrund von Kalibrierungsschwankungen der Kompressionseinheit zu keinen verwertbaren Ergebnissen. Die Messung der aufgewendeten Kräfte zeigte aber, dass eine Belastung im physiologischen Bereich erfolgt war. Die Höhe der Kompression konnte hier nicht genau ermittelt werden. Die Weiterentwicklung des Systems ist Ziel weiterer Arbeiten. Die Automatisierung des Kultur- und Belastungsvorgangs soll die Möglichkeit zur Untersuchung größerer Probenzahlen ermöglichen, um reproduzierbare Daten unter kontrollierten Bedingungen zu erhalten.
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genre Medical sciences, Medicine
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topic_facet Medizin, Gesundheit
author2 Boudriot, Ulrich (Dr.)
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language German
author Daume, Benjamin
title_alt Human cancellous bone under different load conditions in a novel culture and loading system
contents The ZETOS system is an ex-vivo culturing und loading system for trabecular bone cores. Cylindrical bone cores (10x5mm) from a human femur head of a 68 year old male patient who had a hip replacement because of a coxarthrosis were cultured over 50 days. Twenty trabecular bone cores were obtained from the femur head. Two samples got lost because of infection. At the beginning three groups were randomly formed. Two grous were loaded with a compression of 2000 and 4000 µstrain for five minutes per day with one Hz. The third group was the non-loaded control group. The applied force while compression was measured simultaneously. To examine bone growth the bone cores were labeled with the fluorescence colouring Calcein and Alizarin red on three days of the study time. Prostaglandin E2 was measured on two days over twelve hours after loading. On the second sample day IL-6, TNF-α and Osteoprotegerin was measured to examine local regulation of bone metabolism. A bone growth with an average MAR of 0,59526 µm/day can be seen in all groups, but there was no significant differences between the loaded and the non-loaded groups. Osteoid and active bone surface was significant increased in the loaded groups. One hour after loading there was a significant increase of Prostaglandin E2, IL-6 and TNF-α within the loading groups. The vitality of the bone cores can be seen in the active bone metabolism, as building osteoid, increasing active bone surface and producing zytokines like Pg-E2, IL-6 and TNF-α. Mechanical loading seems to induce bone remodeling. Increased Osteoid and active bone surface are signs of bone formation, but increased levels of IL-6 and TNF-α are inducing osteoclasts and bone resorption. The exact compression could not be calculated because of calibration differences within the loading system. The E-Modul could not be calculated. The measured forces applied while compression showed a physiological loading of the bone cores, compared to the forces applied to an in-vivo human femur head. The development of the system and the examination of different loading and culture conditions is the issue of further studies.
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spelling diss/z2008/0998 Wachstumsverhalten von humanem, trabekulärem Knochen unter verschiedenen Belastungsbedingungen in einem neuartigen Kultur- und Belastungssystem urn:nbn:de:hebis:04-z2008-09987 2009-01-12 2008 Im Rahmen der Etablierung eines neuen Kultur- und Belastungssystems für trabekulären Knochen wurden die Möglichkeiten der Langzeitkultur von humanem Knochen untersucht. Das unter dem Namen ZETOS in Marburg von Jones und Smith entwickelte Kultur- und Belastungssystem bietet die Möglichkeit zylinderförmige Knochenproben ( 1 cm Ø, 0,5 cm hoch ) unter kontrollierten Bedingungen in Kultur zu halten und diese mechanisch zu belasten. Hierbei können die Größen Kompression und Kraft gesteuert und gemessen werden. Ziel des Versuchs war es, trabekuläre Knochenproben aus dem Hüftkopf eines 68jährigen Patienten, der sich einer Hüft-TEP Operation unterziehen musste, über mehrere Wochen in Kultur zu halten und diese mechanisch zu belasten. Es konnten insgesamt 20 Knochenproben aus dem Hüftkopf gewonnen werden. Zwei Proben schieden aufgrund von Infektionen vorzeitig aus dem Versuch aus. Letztendlich konnten 18 Proben über insgesamt 50 Tage in Kultur gehalten werden. Zu Beginn wurden drei Versuchsgruppen gebildet. Zwei Belastungsgruppen, welche zum Einen mit 2000 µstrain, zum Anderen mit 4000 µstrain über 5 Minuten täglich mit einer Frequenz von 1 Hz belastet wurden. Die dritte Gruppe wurde als Kontrolle nicht belastet. Die Knochenproben wurden während des Versuchs an drei Tagen mit verschiedenen Fluoreszenz-Farbstoffen gelabelt. Die spätere histologische Aufarbeitung sollte zeigen, ob ein messbares Knochenwachstum stattgefunden hat. An zwei Tagen wurde nach Belastung über 12 Stunden Prostaglandin E2 und am zweiten Messtag zusätzlich Il-6, TNF-α und Osteoprotegerin bestimmt. Hier sollten die lokalen Regulationsmechanismen des Knochenstoffwechsels genauer untersucht werden. In allen drei Versuchsgruppen konnte histologisch ein Knochenwachstum mit einer durchschnittlichen MAR von 0,59526 µm/Tag festgestellt werden. Es zeigte sich kein signifikanter Unterschied zwischen den einzelnen Gruppen. Jedoch waren in den Belastungsgruppen die Osteoidbildung sowie die aktive Knochenoberfläche signifikant gegenüber der Kontrollgruppe erhöht. Ebenfalls waren Pg E2, Il-6 und TNF-α in den Belastungsgruppen eine Stunde nach Belastung signifikant gegenüber der Kontrollgruppe erhöht. Die Vitalität der Knochenproben über den Versuchzeitraum konnte durch die vermehrte Osteoidbildung innerhalb der Proben und durch die messbare Ausschüttung von lokalen Mediatoren nachgewiesen werden. Bei der Reaktion der Knochenproben auf die Belastung muss von der Induktion eines vermehrten Knochenumbaus ausgegangen werden, da einerseits ein nachweisbarer Knochenaufbau stattfand, andererseits vermehrt Mediatoren in Form von Il-6 und TNF- ausgeschüttet wurden, die dem Knochenabbau über Aktivierung von Osteoklasten dienen. Die Messung des E-Moduls führte aufgrund von Kalibrierungsschwankungen der Kompressionseinheit zu keinen verwertbaren Ergebnissen. Die Messung der aufgewendeten Kräfte zeigte aber, dass eine Belastung im physiologischen Bereich erfolgt war. Die Höhe der Kompression konnte hier nicht genau ermittelt werden. Die Weiterentwicklung des Systems ist Ziel weiterer Arbeiten. Die Automatisierung des Kultur- und Belastungsvorgangs soll die Möglichkeit zur Untersuchung größerer Probenzahlen ermöglichen, um reproduzierbare Daten unter kontrollierten Bedingungen zu erhalten. Human cancellous bone under different load conditions in a novel culture and loading system The ZETOS system is an ex-vivo culturing und loading system for trabecular bone cores. Cylindrical bone cores (10x5mm) from a human femur head of a 68 year old male patient who had a hip replacement because of a coxarthrosis were cultured over 50 days. Twenty trabecular bone cores were obtained from the femur head. Two samples got lost because of infection. At the beginning three groups were randomly formed. Two grous were loaded with a compression of 2000 and 4000 µstrain for five minutes per day with one Hz. The third group was the non-loaded control group. The applied force while compression was measured simultaneously. To examine bone growth the bone cores were labeled with the fluorescence colouring Calcein and Alizarin red on three days of the study time. Prostaglandin E2 was measured on two days over twelve hours after loading. On the second sample day IL-6, TNF-α and Osteoprotegerin was measured to examine local regulation of bone metabolism. A bone growth with an average MAR of 0,59526 µm/day can be seen in all groups, but there was no significant differences between the loaded and the non-loaded groups. Osteoid and active bone surface was significant increased in the loaded groups. One hour after loading there was a significant increase of Prostaglandin E2, IL-6 and TNF-α within the loading groups. The vitality of the bone cores can be seen in the active bone metabolism, as building osteoid, increasing active bone surface and producing zytokines like Pg-E2, IL-6 and TNF-α. Mechanical loading seems to induce bone remodeling. Increased Osteoid and active bone surface are signs of bone formation, but increased levels of IL-6 and TNF-α are inducing osteoclasts and bone resorption. The exact compression could not be calculated because of calibration differences within the loading system. The E-Modul could not be calculated. The measured forces applied while compression showed a physiological loading of the bone cores, compared to the forces applied to an in-vivo human femur head. The development of the system and the examination of different loading and culture conditions is the issue of further studies. 2008-12-11 opus:2239 2011-08-10 Philipps-Universität Marburg ths Dr. Boudriot Ulrich Boudriot, Ulrich (Dr.) Daume, Benjamin Daume Benjamin
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