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Fragestellung: Quantitatives Standardverfahren in der Osteoporosediagnostik ist die DXA zur Messung der Knochendichte an Wirbelsäule und proximalem Femur. Nachteilig ist, dass dabei nicht zwischen trabekuklärer und kortikaler Dichte unterschieden werden kann, und auch Feinstrukturen wie kortikale[zum vollständigen Text gelangen Sie über die oben angegebene URL], Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2019)

Fragestellung: Tumorwachstum und Tumorzelldisseminierung sind dynamische Prozesse. Die vorliegende Studie präsentiert ein in vivo Bildgebungsverfahren zur Darstellung von Tumorzellen im aviären embryonalen Xenograftmodell (Gallus gallus). Material und Methoden: Green fluorescent protein-exprimierende T-HEp3-Zellen (Kopf- Hals-Plattenepithelkarzinom) wurden mit Eisenoxid-Nanopartikeln (Merck Estapor®), einem kernspintomografischen Kontrastmittel, markiert. Die Evaluation der zellulären Partikelaufnahme und Zellviabilität erfolgte mittels Berliner-Blau-Färbung und Fluoreszenzmikroskopie. Die partikelmarkierten Tumorzellen wurden auf der Chorioallantoismembran, einem arteriovenösen Plexus des aviären Embryos, ausgesät. Sieben Tage nach Inokulation erfolgten in vivo Aufnahmen im Magnetresonanztomographen, die mit post mortem Analysen verglichen wurden. Bewegungsartefakte wurden durch eine 15-minütige Kühlung der Eier unterbunden. Ergebnisse: Durch Titration der Eisenoxidpartikel konnte eine effiziente Tumorzellmarkierung ohne Einfluss auf die langfristige Zellviabilität und -proliferation erreicht werden. Markierte Tumorzellen konnten in Reaktionsgefäßen mit hoher Sensitivität detektiert werden. In ovo induzierten die partikelmarkierten Tumorzellen ein Tumorwachstum und eine Tumorzelldisseminierung. Ein kernspintomografischer in vivo Nachweis von disseminierten Tumorzellen gelang im Knochenmark der aviären Embryos. In der post mortem Analyse zeigten sich Tumorzellen in Knochenmark, Leber und Lunge. Schlussfolgerungen: Unsere Daten zeigen, dass die dynamischen Prozesse Tumorwachstum und Tumorzelldisseminierung in das Knochenmark mittels in ovo Kernspintomografie visualisiert werden können. Die vorliegende Studie bildet damit eine Grundlage für weitere Untersuchungen zur in vivo Bildgebung von primären Tumoren und disseminierten Tumorzellen im aviären embryonalen Modell.

Das Ziel der Studien, die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt werden, war es neue Informationen über die elementare Zusammensetzung des mineralisierten Knochens zu gewinnen. In einer ersten Studie wurden zwei Parameter verglichen, die beide eng mit der Knochenmineralisierung verknüpft sind. So zeigte die Gegenüberstellung des mineral/matrix Raman-Wertes und der Kalziumkonzentration gute Übereinstimmung mit theoretischen Überlegungen. Diese Methoden wurden auch verwendet um Knochengewebe von Mäusen zu charakterisieren bei denen ein genetischer Defekt zu einem Mangel von Sclerostin führte. So war es möglich nachzuweisen, dass eine hierdurch verstärkte Knochenneubildung zu einer veränderten Mineralisationskinetik des Knochens führen kann. Nachdem zukünftig Sclerostinantikörper für die Behandlung von Knochenkrankheiten eingesetzt werden sollen, haben diese Erkenntnisse große medizinische Bedeutung. Es wurde auch die Mineraldichteverteilung eines Mausmodells mit fragilem Knochen (Osteogenesis Imperfecta, OI) untersucht. Die Mäuse wurden mit Sclerostinantikörpern behandelt. Es zeige sich ein signifikanter Knochenzuwachs doch die Mineraldichteverteilung veränderte sich gleichermaßen für gesunde und für OI Mäuse. In einer Studie am humanen Knochen konnten der Zusammenhang zwischen Osteozytennetzwerk und Knochenzusammensetzung untersucht werden. Elemente wie Na, Mg und S wiesen typische Konzentrationsverteilungen auf. Die Routinen wurden auch verwendet um Mineralisationsfronten zu charakterisieren. Es zeigte sich, dass die Konzentrationen von K, Mg, Na und Cl abhängig von dem analysierten anatomischen Ort, stark voneinander abweichen. Abschließend kann gesagt werden, dass durch die Entwicklung neuer Routinen zusätzliche Erkenntnisse über die Knochenmineralisierung und Zusammensetzung gewonnen werden konnten. Die Resultate sind von medizinischer und biologischer Bedeutung und tragen zu aktuellen Debatten über die Knochenentwicklung bei. The purpose of the presented work was to gain new insight into the elemental composition of mineralized bone matrix at different sites of human bone tissue, and in mouse models linked to human genetic diseases. Using novel tools and routines, human (femur cross sections from healthy adults and children) and murine samples (femur long-and cross sections of two mouse models) were analyzed with focus on the elemental composition. In a methodological study the consistency of matrix mineralization measured by Raman microspectroscopy (e.g. the mineral/matrix ratio) and the Calcium content (wt%Ca) as measured by qBEI was proved. Both methods were applied to a mouse model exhibiting induced bone overgrowth due to a genetic defect causing a lack of Sclerostin, which is a negative regulator for bone formation. We found changes in the mineralization kinetics depending on the anatomical site. This result is of clinical importance since Sclerostin antibodies are suggested for future treatment of diseases characterized by fragile bone. Hence, also a mouse model of a brittle bone disease (Osteogenesis Imperfecta) was analyzed with and without Sclerostin antibody treatment. A significant increase in bone mass was documented while the mineralization pattern revealed no interaction between genotype and treatment. The correlation between OLCN and the composition of the mineralized matrix was examined in the same regions of human compact bone. Characteristic distributions of the minor elements (Mg, Na, S) were found. The developed tools were also used to investigate mineralization fronts, reflecting a critical stage of bone development. Differences in the Ca/P ratio and in the concentrations of K, Mg, Na and Cl depending on the anatomical site were revealed. In conclusion, using newly developed measurement routines, it was possible to gain novel information of bone mineralization and composition. The results contribute to actively debated issues of biological and medical importance.

In den Industrienationen kam es vor allem durch den demographischen Wandel zu einem Anstieg der Prävalenz maligner Erkrankungen. Für viele Tumorentitäten ist es möglich durch systemische Chemotherapien die mittlere Überlebenszeit deutlich zu verbessern, dies setzt jedoch eine exakte Erfassung der prim. Krankheitsausdehung, sowie eine präzise und objektive Verlaufskontrolle voraus. Bis dato erfolgte die Bestimmung der Läsionsgröße und Gesamttumorlast mit manueller zweidimensionaler Durchmesserbestimmung. Die Beurteilung des Therapieansprechens wird gemäß WHO –und RECIST Kriterien vorgenommen. Hiermit konnte zwar eine gute klinische Aussagekraft erzielt werden, problematisch ist nur, dass sie einer hohen intra –und interindividuellen Varianz unterliegen Es gab erste Studien, die eine hohe Präzision und Objektivität für volumetrische Messmethoden belegen konnten, jedoch bisher nur unter dem Fokus auf eine organspezifische Metastasierung. Bisher bestanden also keine Arbeiten, welche die Gesamttumorlast mit Metastasierung in verschiedene Organsysteme zur Grundlage haben. In der vorliegende Arbeit wurde die Präzision und Untersucherabhängigkeit der volumetrischen Erfassung von parallel vorliegenden Lungen, Leber –und Lebermetastasen im Vergleich zur zweidimensionalen Durchmesserbestimmung untersucht. Hiefür wurde eine Gruppe von 60 Personen im Alter von 27-88 Jahren an zwei verschiedenen Zeitpunkten mittels Mehrzeilencomputertomographie untersucht, wobei nur mindestens eine der genannten Fernmetastasen vorhanden sein musste. Insgesamt wurden so letztendlich 386 Metastasen erfasst, welche im Anschluss von drei verschiedenen Untersuchern mit unterschiedlichen Berufserfahrungen analysiert wurden. Es erfolgte zum einen eine manuelle Durchmesserbestimmung der einzelnen Läsionen, zum anderen wurde die Läsionsgröße mit einem spez. Volumetrieprogramm manuell und halbautomatisch erfasst. Das volumetrische Verfahren zeigte eine sehr hohe Präzision und eine der manuellen Durchmesserbestimmung signifikant überlegene Reproduzierbarkeit. Weiterhin erbrachte das halbautomatische Volumetrieprogramm eine Reduzierung der untersucherbedingten Unterschiede. Prinzipiell war eine Auswertung bei allen Läsionen möglich. Allerdings war bei den LK-Metastasen eine höhere Anzahl von manuellen Nachkorrekturen notwendig, als bei Leber – und Lymphknotenmetastasen. Die erschwerte Segmentation beruht zum einen auf die unregelmäßige Form, zum anderen aber auch auf den teils engen Kontakt zu benachbarten Strukturen. Alles in allem legen die erzielten Ergebnisse nahe, dass volumetrische Messverfahren dem bisherigen zweidimensionalen Messverfahren hinsichtlich onkologischer Verlaufskontrollen überlegen sind.

Osteoporose ist die häufigste Knochenerkrankung im höheren Lebensalter, und 80 % der Betroffenen sind postmenopausale Frauen. Bisher gibt es hierzu kaum in vivo Untersuchungen ohne Strahlenbelastung. Mit der Fluoreszenztomografie eröffnen sich neue Möglichkeiten, Knochenveränderungen in vivo ohne Strahlenbelastung zu untersuchen. In dieser Studie wurde an 23 Wochen alten ♀CD1 nu/nu Mäusen untersucht, ob sich Osteoporose und Parathormontherapie longitudinal ohne Strahlenbelastung mit dem fluoreszierenden Bisphosphonatderivat OsteoSense750™ darstellen und analysieren lassen. Methoden Osteoporose wurde durch Ovariektomie 20 Wochen vor Versuchsbeginn induziert, und ein Teil der Tiere erhielt zur Osteoporoseverstärkung eine calciumarme Diät. Die Parathormontherapie erfolgte bei einem Teil der Tiere durch tägliche subkutane Gabe von 80 µg/kg Parathormon. Über fünf Wochen wurden im Kniebereich aller Tiere zu verschiedenen Zeitpunkten die Fluoreszenzsignale (FMT2500™) und die radiologischen Veränderungen (VivaCT40) erfasst - laborchemisch erfolgte die Analyse von Osteocalcin und der Tartrat-resistenten sauren Phosphatase. Ergebnisse Zu Versuchsbeginn zeigten alle ovariektomierten Mäuse computertomografisch statistisch signifikant niedrigere Knochenparameter als die Kontrolltiere (p-Werte < 0,01). Die calciumarme Diät zeigte bei den ovariektomierten Mäusen keinen additiven Effekt (einige p-Werte: 0,119, 0,378, 0,764). Die Parathormontherapie zeigte hingegen deutliche Ergebnisse: Alle Knochenparameter erholten sich computertomografisch und laborchemisch und stiegen wieder auf das Level der Kontrolltiere (p-Werte: µCT < 0,001; Osteocalcin 0,014). Die Befunde der durchgeführten Serumanalysen bestätigen die µCT-Ergebnisse. In den FMT2500™-Analysen konnten diese Veränderungen im Verlauf nicht abgebildet werden. Betrachtet man jedoch Woche vier isoliert, zeigten sich übereinstimmende Ergebnisse. Schlussfolgerungen Das entwickelte Osteoporose-Parathormon-Modell mit CD1 nu/nu Mäusen ist geeignet, um Veränderungen der Knochenparameter longitudinal zu simulieren. Dies zeigen sowohl das µCT als auch die Serumparameter. Auch konnte dieser Versuch demonstrieren, dass sich 20 Wochen post Ovariektomie kein additiver Knochenverlust durch calciumarme Diät induzieren lässt. Die Analyse des OsteoSense™ 750 als quantitativer in vivo-Marker für den Knochenumbau konnte in diesem Modell den radiologischen Verlauf bei generalisierten Knochenveränderungen nicht verifizieren. Allerdings zeigte die Calciummangelgruppe in Woche vier eine signifikant geringere Fluoreszenz. Gründe für dieses negative Ergebnis können Verteilungsprobleme des OsteoSense750™ oder die betrachtete Region sein.

Knochen und Muskel sind die wichtigsten Gewebe im muskuloskelettalen System welche dem Körper die Bewegungen möglich machen. Beide Gewebetypen sind hochgradig strukturierter Extrazellulärmatrix zugrundegelegt, welche die mechanischen und biologischen Funktionen bestimmen. In dieser Studie wurden die räumliche Verteilung der anisotropen elastischen Eigenschaften und der Gewebemineralisation im humanen kortikalen Femur untersucht mit akustischer Mikroskopie und Synchrotron-µCT. Die homogenisierten elastischen Eigenschaften wurden aus einer Kombination der Porosität und der Gewebeelastizitätsmatrix mit Hilfe eines asymptotischen Homogenisierungsmodells ermittelt. Der Einfluss der Gewebemineralisierung und der Strukturparameter auf die mikroskopischen und mesoskopischen elastischen Koeffizienten wurde unter Berücksichtigung der anatomischen Position des Femurschaftes untersucht. Es wurde ein Modell entwickelt, mit welchem der intramuskuläre Fettgehalt des porcinen musculus longissimus nichtinvasiv mittels quantitativem Ultraschall und dessen spektraler Analyze des Echosignals bestimmt werden kann. Muskelspezifische Parameter wie Dämpfung, spectral slope, midband fit, apparent integrated backscatter und cepstrale Paramter wurden aus den RF-Signalen extrahiert. Die Einflüsse der Muskelkomposition und Strukturparameter auf die spektralen Ultraschallparameter wurden untersucht. Die akustischer Parameter werden durch die Muskelfaserorientierung beeinflusst und weisen höhere Werte parallel zur Faserlängsrichtung als senkrecht zur Faserorientierung auf. Die in dieser Studie gewonnenen detaillierten und lokal bestimmten Knochendaten können möglicherweise als Eingabeparameter für numerische 3D FE-Simulationen. Darüber hinaus kann die Untersuchung von Veränderungen der lokalen Gewebeanisotropie neue Einsichten in Studien über Knochenumbildung geben. Diese auf Gewebeebene bestimmten Daten von Muskelgewebe können in numerischen Simulationen von akustischer Rückstreuung genutzt werden um diagnostische Methoden und Geräte zu verbessern. Bone and muscle are the most important tissues in the musculoskeletal system that gives the ability to move the body. Both tissues have the highly oriented underlying extracellular matrix structure for performing mechanical and biological functions. In this study, the spatial distribution of anisotropic elastic properties and tissue mineralization within a human femoral cortical bone shaft were investigated using scanning acoustic microscopy and synchrotron radiation µCT. The homogenized meoscopic elastic properties were determined by a combination of porosity and tissue elastic matrix using a asymptotic homogenization model. The impact on tissue mineralization and structural parameters of the microscopic and mesocopic elastic coefficients was analyzed with respect to the anatomical location of the femoral shaft. A model was developed to estimate intramuscular fat of porcine musculus longissimus non-invasively using a quantitative ultrasonic device by spectral analysis of ultrasonic echo signals. Muscle specific acoustic parameters, i.e. attenuation, spectral slope, midband fit, apparent integrated backscatter, and cepstral parameters were extracted from the measured RF echoes. The impact of muscle composition and structural properties on ultrasonic spectral parameters was analyzed. The ultrasound propagating parameters were affected by the muscle fiber orientation. The most dominant direction dependency was found for the attenuation. The detailed locally assessed bone data in this study may serve as a real-life input for numerical 3D FE simulation models. Moreover, the assessment of changes of local tissue anisotropy may provide new insights into the bone remodelling studies. The data provided at tissue level and investigated ultrasound backscattering from muscle tissue, can be used in numerical simulation FE models for acoustical backscattering from muscle for the further improvement of diagnostic methods and equipment.

Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass sich die hier zum ersten Mal in vivo erprobte QCT BIT Analyse, mit der Exzentrizitätsmethode zur VOI Findung, als sensitive Methode zur Darstellung von kleinsten Veränderungen der Knochendichte, Geometrie und Biomechanik am Schenkelhals erwiesen hat. Mit diesem Resultat wird eine wichtige Grundlage für die Weiterentwicklung der computertomographischen Osteoporose-Diagnostik an der Hüfte bereitgestellt. In Zukunft sollte es das Ziel sein, in vivo die Regio intertrochanterica sowie Segmente des Schenkelhalsquerschnittes separat zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass die Knochendichte mit der Buckling Ratio eng korreliert während die Knochendichtewerte keinen Zusammenhang mit der Biegesteifigkeit des Schenkelhalses zeigten. Somit kann die QCT im Gegensatz zur DXA insbesondere durch die genaue Berechnung von Widerstandsmomenten additive Information bereitstellen. QCT erwies sich hier als wertvolles Verfahren mit dem zeitliche Veränderungen in unterschiedlichen Knochenkompartimenten (trabekulär vs kortikal; endosteal vs. periosteal) analysiert werden können. Biomechanische Größen wie Widerstandsmoment und Knicklast können aus QCT Daten ermittelt werden und die biomechanische Kompetenz des Schenkelhalses unter verschiedenen Belastungsmodi umfassend beschreiben. Die Beobachtung von Veränderungen unter TPTD Behandlung erbrachten neue Erkenntnisse, indem gezeigt wurde, dass die 24 monatige Behandlung einer Gruppe von Frauen mit schwerer Osteoporose nicht nur einen BMD Anstieg verursacht, sondern ebenso eine Verbesserung der Strukturparameter für Biegesteifigkeit und unter Axialbelastung bewirkt. Erstmals konnte geklärt werden, dass diese gemessenen Veränderungen am Schenkelhals durch den Anstieg der trabekulären Dichte und endostealer Knochenapposition bewirkt wurden, und nicht durch periostealen Anbau, wie es durch Studien an Mäusen oder am Menschen bei Messungen an anderen Knochen suggeriert worden war. Zudem zeigte sich, dass eine Reduktion der Knochendichte, wie sie bei vorbehandelten Patienten nach 6 Monaten auftritt, nicht mit einer Schwächung der biomechanisch relevanten Parameter einhergeht, und somit die Veränderung der Dichte nicht mit der Veränderung der Bruchfestigkeit gleichgesetzt werden kann.

In der OPUS (Osteoporose und Ultraschall)-Studie wurden zur Evaluierung von Quantitativen Ultraschallverfahren 2837 Frauen in fünf europäischen Zentren auf fünf verschiedenen Geräten untersucht. In dieser Arbeit geht es um die Erstellung von Referenzdaten, die als Grundlage für deren Einsatz zur Diagnostik und Frakturrisikobestimmung erforderlich sind. Dabei wurden auch Qualitätssicherungsmaßnahmen durchgeführt und analysiert. Zur Überprüfung der Langzeitstabilität der Geräte wurden sogenannte Leeds Phantome verwendet, sowie in zwei Zentren Messungen an Probanden. Zur Kreuzkalibrierung zwischen den Zentren wurden Messungen an CIRS bzw. Kiel Phantomen sowie an einem Probanden durchgeführt. Bei der Auswertung der Daten stellte sich heraus, dass die Langzeitmessungen an den Probanden stabile Werte lieferten, die Leeds Phantome aufgrund von zum Teil inkonsistenten Werten sich jedoch als nicht geeignet zeigten, Aussagen zur Messwertstabilität von Quantitativen Ultraschallverfahren zu geben. Bei den Daten der Kreuzkalibrierung zeigte sich ebenfalls, dass die Phantome wegen hoher Präzisionsfehler hierfür nicht geeignet sind und die Messungen an einem Probanden erscheinen zu wenig, um eine valide Kreuzkalibrierung durchzuführen. Bei der Auswertung der Daten der OPUS-Studienpopulation stellten sich insgesamt aber relativ stabile Werte heraus. Ob die beobachteten Drifts in den Durchschnittswerten im Laufe der Studie reale Veränderungen oder populationsbedingt waren, lässt sich ohne validierte Phantome nicht abschließend klären. Bei der Auswertung der Daten der OPUS-Studienpopulation wurden Unterschiede zwischen den einzelnen Zentren in Bezug auf die Frage analysiert, ob es zulässig erscheint, eine gesamte westeuropäische Datenbank zu erheben. Die Auswertung von signifikanten Einflußfaktoren auf Quantitative Ultraschallmesswerte wie Körpergröße und Gewicht ergaben, dass diese morphometrische Unterschiede nicht Grund für bestehende Zentrumsunterschiede sind. Insgesamt differieren bei der postmenopausalen Gruppe die Z-Scores der einzelnen Zentren für die Geräte, die am Calcaneus messen, mit einer Ausnahme um weniger als 0,2 Standardabweichungen vom Gesamtmittelwert, diese Abweichungen scheinen tolerabel, die Daten zu einer gesamten Datenbank zusammenzufügen. Beim Vergleich unserer Referenzdaten mit den Herstellerangaben zeigen sich für zwei Variablen eine gute Übereinstimmung: für die Breitbandamplitudenabschwächung am QUS-2 sowie für die Ultraschallgeschwindigkeit am UBIS 5000. Ansonsten geben die Hersteller für die junge Referenzgruppe außer für Stiffness etwas höhere Werte an; bei den postmenopausalen Gruppen werden an den Geräten, die an der Ferse messen, niedrigere Werteangegeben. Dies ist möglicherweise damit erklärbar, dass die Gerätehersteller tendenziell nicht die Normalbevölkerung untersucht haben, sondern eine etwas osteoporoseverdächtige Subpopulation, die dann auch deutlichere altersbedingte Abfälle der Messwerte zeigt. Die Geräte wurden weiterhin untereinander verglichen. DBM Sonic BP wurde dabei wegen der unterschiedlichen Messregion an der Hand und dadurch zu erwartender unterschiedlicher Werte nicht mit einbezogen. Es zeigte sich, dass der altersabhängige Verlauf der T-Scores - für die Breitbandamplitudenabschwächung und Ultraschallgeschwindigkeit getrennt gesehen - für die postmenopausale Gruppe bei allen Geräten sehr ähnlich ist, das heißt, die Steigung der Variablen verhält sich ähnlich, sie unterscheiden sich nur um eine Konstante. Anhand dieser Daten wurden Standardisierungsformeln erstellt und standardisierte Referenzdaten in Form von T-Scores für alle Calcaneus QUS Geräte angegeben. Mit dieser Arbeit stehen nun populationsbasierte Referenzdaten für QUS Verfahren an Calcaneus und Fingerphalangen zur Verfügung. Um individuelle Gerätefehlkalibrierungen oder -drifts korrigieren zu können, bedarf es weiterer Entwicklungsarbeiten um geeignete Phantome bereitzustellen.

Um die Insulinresistenz des peripheren Gewebes in Abhängigkeit von Genpolymorphismen zu bestimmen, kann der intrazelluläre Triglyzeridgehalt des M. soleus mittels Magnetresonanzspektroskopie bestimmt werden, da dieser mit der Insulinresistenz korreliert.