Knothe Tate, M. L.

Niederer, P.

Tepic, S.

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Konvektiver Transport als möglicher Mechanismus beiKnochenumbauprozessenM. L. Knothe Täte1'2, P. Niederer1, S. Tepic21 Institut iür biomedizinische Technik und Medizinische InformatikUniversität und Zürich (Schweiz)2AO Forschungsinstitut, Davos (Schweiz)EINLEITUNG:Der Knochen passt sich seiner biologischen undmechanischen Umgebung an, um eine möglichst optimaleForm und Struktur für physiologische Belastungen zuerhalten. Trotz aller Forschung ist der genaueMechanismus dieser Anpassung allerdings noch nichteindeutig geklärt worden. Die meisten Theorienpostulieren einen direkten mechanischen Einfluss auf denKnochenumbau. Eine Voraussetzung dafür wäre, dassjede Zelle des Knochens über eine Art Sensorik verfügenmüsste, um Abweichungen vom gewohntenBelastungsmuster zu spüren und sich dementsprechendanpassen zu können; da verschiedene Zellen auchverschieden belastet werden, müsste sogar jede Zelleindividuell einprogrammiert sein. Eine andere, eventuellzusätzliche Erklärungsmöglichkeit wäre, die funktionelleAnpassung der Knochenstruktur als Transportproblem zubetrachen. Hierbei müsste der Knochen über keinespeziellen Fähigkeiten verfügen, um zu erkennen, ob dasnormale Spannungsniveau über- oder unterschritten wird,denn die Steuerung des Knochenumbaus wäre nur eineFrage von Angebot und Nachfrage von z.B. Metabolitenund/oder Mineralstoffen.Obwohl Diffusion ein wichtiger Prozess beim Transportund Austausch von Molekülen im Organismus ist, habenverschiedene Untersuchungen gezeigt, dass in derKnochenmatrix, wo 85% des Volumes aus lasttragendemMaterial (Mineral und Collagen) bestehen, Diffusionallein für den molekularen Transport nicht genügen kann,um die Versorgung der Knochenzellen (d.h. Osteozyten)sicherzustellen. Ein weiterer möglicher Mechanismus fürden molekularen Transport in der Knochenmatrix ergibtsich aus der Funktion des Knochens im Rahmen desBewegungsapparates. Wie von Piekarski und Munro 1977erstmals postuliert [1], führen die aufgrund der zyklischenBelastung des Knochens entstehenden Deformationenhypothetischerweise zu Strömungen der interstitiellenFlüssigkeit im Knochen. Aufgrund dieserbelastungsinduzierten Strömungen entstehen konvektiveVorgänge, welche den Transport über grössere Distanzenbewirken könnten.In dieser Arbeit wird als Teilaspekt der funktionellenAnpassung der Knochenstruktur sowie der metabolischenAnforderungen des Knochens der Einfluss vonDifrusions- und Konvektionsvorgängen untersucht. DasProblem wurde mittels theoretischer Finite ElementeModellierung und experimentellen ex vivo und in vitroKnochenmodellen (Metacarpus von Schafen)angegangen.METHODE:Theoretische FE Modellierung:Das Ziel der Modellierung war es, das Verhältniszwischen konvektivem und diffusivem Transport in einemeinfachen Osteon Modell (nach Piekarski und Munro [1])zu erfassen, und das theoretische Modell mitexperimentellen Daten von "daily strain histories" (nachRubin und Lanyon [2]) zu vergleichen. Zur Modellierungvon Mineraltransport wurde die Diffusions-Konvektions-gleichung verwendet. Wegen der extrem langsamenStrömungsgeschwindigkeiten, welche im Knochenvorherrschen, konnten Beschleunigungseffektevernachlässigt werden. Das Modell wurde mit demWärmeleitungspaket von Marc/Mentat® berechnet, daWärme- und Massentransport sich unter diesenBedingungen rechnerisch analog verhalten.Ex Vivo Perfusionsversuche im Schafsmetacarpus:Es sollten Flüssigkeitsverschiebungen in einem zyklischbelasteten Metacarpus (vom Schaf) in situ gemessenwerden. Mit Hilfe einer Infusionspumpe wurde nachKnothe Täte und Knothe [3] ein geschlossener Kreislaufin den Metacarpus in einem ab dem Ellbogen frischentnommenen Vorderbein aufgebaut. Der Metacarpuswurde mit einer 0.6% Disulphinblau, 0.1% Procionrot-lösung oder mit einem Bolus Microperoxidase (angepasstnach [4]) während ausgewählten Zeiten perfundiert. Überzwei percutan eingesetzte Schanz'sche Schrauben wurdeder Metacarpus während der Perfusion mit einermechanischen Testmaschine (Instron®) zyklisch belastet,so dass auf der Knochenoberfläche mit aufgeklebtenDehnungsmessstreifen eine Dehnung von maximal 0.2%gemessen werden konnte. Die kontralaterale Seite wurdegleich perfundiert, es erfolgte aber keine mechanischeBelastung. Anzahl Zyklen, Belastungsgrösse und -ratekonnten nach vorgegebenen Mustern von Versuch zuVersuch geändert werden, um mögliche Zusammenhängezwischen Belastungsmuster und Ausmass der Volumen-verschiebungen festzustellen. Nach den Versuchenwurden Dünnschnitte des Metacarpus im Querschnittnach Standardtechniken [4,5] histologisch undhistochemisch (im Fall der Microperoxidaseperfusion)aufbereitet und mikro- sowie makroskopisch100 Biomedizinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1 · 1996aufgenommen. Die Aufnahmen wurden mitBildauswertungsprogrammen analysiert und jeweils einbelasteter und ein unbelasteter Metacarpus (von derkontralateralen Seite), bei gleicher Perfusionszeit,miteinander verglichen.In Vitro Untersuchung der Volumenverschiebungen inMikroproben:Um Flüssigkeitsverschiebungen in einer zyklischbelasteten Mikroprobe des Metacarpus (vom Schaf) zumessen, wurden jeweils zwei zylindrische Proben vonLänge 6 mm und Durchmesser 3 mm in eine 0.1%Procionrot Lösung eingelegt. Eine den beiden Probenwurde durch eine speziell für Mikroproben geeignetemechanische Testmaschine (MTS®) zyklisch belastet. Dieandere Probe diente als Kontrolle, bei welcher nurDiffusionsvorgänge beim Transport des Markiermittelswirksam waren. Danach wurden die Proben nachStandard histologischen Techniken [5] aufbereitet undunter dem Mikroskop photographisch dokumentiert. DieAufnahmen wurden mittels Bildverarbeitungstechnikenhistomorphometrisch untersucht.ERGEBNISSE:Die FE Modellierung hat gezeigt, dass Diffusion alleinkaum ausreicht, um genügend Moleküle (Metaboliten,Mineralstoffe) vom Havers'schen Kanal zum äusserstenOsteozyten eines Osteons zu transportieren. Belastungs-induzierte Strömungen (Konvektion) verbessern denTransport zwischen dem Havers'schen Kanal und denOsteozyten wesentlich. Für einen ausreichendenMineralstoff-TMetabolitentransport (kein Knochenabbau)sind vergleichsweise nur wenige konvektive Zyklen proTag notwendig [6,7].Die Resultate des ex vivo Perfusionversuches habengezeigt, dass bei Perfiisionszeiten von 2,4, 8, 16 und 120Minuten, die Konzentration von Markiermittel in derKortikalis des belasteten Knochens entscheidend grösserwar als in derjenigen des unbelasteten.Auch in Untersuchungen der Volumenverschiebungen inMikroproben von Schafsmetacarpus konnte bewiesenwerden, dass die Procionrot Lösung in Mikroproben unterBelastung wesentlich schneller eindringt als inunbelasteten Proben.oDISKUSSION:Es wurde mittels FE Methoden gezeigt, dass nur wenigekonvektive Zyklen pro Tag notwendig sein könnten, umeine Inaktivitätsatrophie des gesunden Knochens zuverhindern. Dies scheint die Erkenntnisse von Rubin undLanyon zu bestätigen, nämlich, dass im Minimum 4Belastungszyklen mit einer Dehnung von 0.2% beiniedriger Frequenz erforderlich sind, um die normaleKnochendichte zu erhalten [2]. Allerdings sind weitereexperimentelle Daten unerlässlich für die Validierung desFE-Modelles sowie für die Definition von physiologischrelevanten Randbedingungen und Transportkoeffizienten(u.a. Diffusionskonstanten, Strömungsrate). .Die experimentelle Untersuchung der belastungs-induzierten Strömung im Knochen ist mit praktischenSchwierigkeiten verbunden, da die Lacunae undCanaliculi einen Durchmesser von weniger als lerweisen. Es mussten neue Techniken entwickelt werden,um die Volumenverschiebungen der interstitiellenFlüssigkeit des Knochens messen zu können. DerSchafsmetacarpus wurde aufgrund seiner einfachenGeometrie, seines fast ausschliesslich aus Havers'schenKnochen bestehenden Aufbaus sowie aufgrund seineseinfachen vaskulären Systems für die experimentellenVersuche ausgewählt. · Die einfache Geometrie erlaubteinen relativ einfachen Vergleich mit physiologischenBelastungsmustern und Computermodellsimulationen.Nicht zuletzt ist der Knochen des Schafes den desMensches auch physiologisch analog.Aufgrund des einfachen vaskulären Systems desMetacarpus war es möglich, einen geschlossenenKreislauf mit sehr kleinen Verlusten aufzubauen; damithat sich das ex vivo Modell als eine elegante Lösung fürdie Untersuchung von belastungsinduzierten Flüssigkeits-verschiebungen erwiesen. Die Verknüpfung von aus demex vivo Perfusionsmodell gewonnenen Daten mit demtheoretischen FE Modell erfolgt über dieMikroprobenversuche, wobei Diffusionskurven undKonvektionsraten näher untersucht wurden. WeitereVersuchsserien müssen unternommen werden, umAbhängigkeiten zwischen Belastungsmustem (z.B AnzahlZyklen, Belastungsgrösse und -rate) und Ausmass derVolumenverschiebungen festzustellen.Ein Ziel dieser experimentellen Arbeiten besteht darin,den Nachweis für die durch theoretische Arbeitengewonnen Erkenntnisse zu erbringen. Zusätzlich wird dasVerständnis über Volumenverschiebungen voninterstitieller Flüssigkeit in Kompaktknochen erweitert.LITERATUR:[1] K. Piekarski und M. Munro; Nature 269, 80 (1977)[2] C. Rubin und L. Lanyon; J Bone Jt Surg 66A, 397(1984)[3] M.L. Knothe Täte und U. Knothe; in Vorbereitung(1996)[4] N. Ayasaka et al\ Arch Oral Biol 37, 363 (1992)[5] B. Rahn, persönliche Mitteilun[6] M.L. Knothe Täte, P. Niederer, S. Tepic und S.M.Perren; Combined Orthopaedic Research SocietiesMeeting, San Diego (1995)[7] M.L. Knothe Täte, P. Niederer und S. Tepic; 42ndAnnual Meeting, Orthopaedic Research Society, Atlanta(1996)Biomedizinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1 · 1996 101

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