Effect of anti-resorptive treatments on material properties and damage behavior of individual trabeculae of bone

Abstract

Das Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit ist die Beantwortung der Frage, ob anti-resorptive Medikamente einen Effekt auf die Materialeigenschaften und das mikroskopische Schädigungsverhalten individueller Knochentrabekel haben. Um dieses Ziel zu erreichen wurde eine Kombination von Materialien und Expertise, verfügbar durch die Laboratorien der gelisteten Betreuer an der TU Wien, Purdue Universität und der Indiana University School of Medicine, genutzt. Individuelle Trabekel wurden aus Wirbelkörpern von Hunden entnommen, denen für 1 Jahr klinisch relevante Dosen von Alendronat (0.2 mg/kg/day) oder Raloxifen (0.5 mg/kg/day) oral verabreicht wurden. Diese Proben wurden aufgrund von Daten früherer Studien verwendet, die nahelegen, dass Raloxifen auf Gewebeebene fundamental unterschiedliche Effekte im Vergleich zu Alendronat hervorruft. Zusätzlich wurden individuelle Trabekel von Wirbelkörpern unbehandelter Hunde als Kontrollgruppe verwendet. Materialeigenschaften wurden durch weggesteuerte Zugversuche ermittelt wobei die Dehnungsmessung optisch erfolgte. Deformationen der Tabekel wurde durch Digital Image Correlation (DIC) ermittelt und Spannungs-Dehnungsdiagramme mit Hilfe von Python Skripten erstellt. Mikroschaden wurde sowohl durch histologische Mikroskopie in Kombination mit dem Färbemittel Fuchsin als auch durch Mikro-CT unter Nutzung des Kontrastmittels Barium Sulfat untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine Erhöhung der Festigkeit und des Zugmoduls für Trabekel von Raloxifen und Alendronat behandelten Proben. Es wurden keine signifikanten Unterschiede in der Akkumulation von Mikroschaden festgestellt. Raloxifen veränderte die Materialeigenschaften relativ unabhängig von der Knochenmineraldichte. Im Gegensatz hierzu wies Alendronat eine deutliche Abhängigkeit auf, was darauf hindeutet, dass diese Medikamente die Knochenmatrix auf eine unterschiedliche Weise verändern.

The goal of this research project was to determine whether anti-resorptive treatments have an effect on material properties and microscopic damage behaviour of individual bone trabeculae. To achieve this goal, a combination of materials and expertise available through the laboratories of the listed supervisors at TU-Wien, Purdue University and the Indiana University School of Medicine, were used. Individual trabeculae were harvested from vertebrae of dogs treated orally for 12 months with clinically relevant doses of alendronate (0.2 mg/kg/day) or raloxifene (0.5 mg/kg/day). These samples were investigated as previous data suggested that raloxifene may produce fundamentally different effects at the tissue level compared to bisphosphonates. Additionally, individual trabeculae from vertebrae of dogs without any treatment were used as a control group. Material properties were determined by camera recorded displacement-controlled tensile tests. Deformations of the trabeculae were measured by digital image correlation (DIC), and stress-strain-curves were created using Python scripts. Microdamage was then investigated using histological microscopy as well as micro-CT scans in combination with basic fuchsin staining and the contrast agent barium sulfate respectively. Results showed an overall increase of maximum stress and Youngs modulus for both, raloxifene and alendronate-treated specimens. No significant difference in microdamage accumulation was found between the groups. Raloxifene changed the material properties, which indicates a reduction of the fracture risk, relatively independent of bone mineral density. This is contrasted by alendronate, which showed a higher dependency thereof, and thus these treatments are suspected to alter the bone matrix in a fundamentally different way.