Studie van het effect van hoog-frequente mechanische belasting op osteoporotisch bot en implantaat osseointegratie

Samenvatting

Postmenopausale osteoporose is een ernstige en vaak onderschatte systeemziekte. De ziekte treedt op als gevolg van een onevenwicht tussen de processen van botaanmaak en botafbraak, waardoor het bot een poreus karakter krijgt en vatbaar is voor fracturen. Meer dan 40% van de vrouwelijke populatie wordt getroffen door deze ziekte. Met een wereldwijd verouderende bevolking neemt dit aandeel gestadig toe. Voor de osteoporotische patiënt, met zijn verhoogd fractuurrisico en ook een vertraagde botgenezing, is er een verlies van mobiliteit en hierdoor een belangrijke veralgemeende achteruitgang van de levenskwaliteit. Osteoporosis dient dus te worden aanzien als een algemeen gezondheidsprobleem met een hoge prevalentie en ernstige gevolgen.  

Anti-resorptie geneesmiddelen zoals bisfosfonaten, calcitonines, selectieve oestrogeen-receptor modulatoren en oestrogenen zijn de gebruikelijke behandelingsopties voor osteoporose. Het werkingsmechanisme van deze geneesmiddelen richt zich op de afname van de botafbraak via het remmen van de osteoclast activiteit en daarmee het beperken van botverlies. In de categorie van de bisfosfonaten is alendronaat het meest gebruikte geneesmiddel voor de behandeling van osteoporose vanwege zijn lage kostprijs in vergelijking met de andere op de markt beschikbare farmaceutische middelen. Alendronaat werkt anti-resorptief via interferentie met celdood, zogenaamde apoptosis. Echter, het succes van de anti-resorptieve middelen ter behandeling van osteoporose is afhankelijk van het tijdstip van diagnose en de progressie van de ziekte. Deze behandelingen zijn immers niet langer effectief tijdens de latere fasen van de ziekte, een tijdstip waarop het risico op fracturen hoog is. Hoewel farmaceutische interventie nog steeds de eerste keus behandeling is voor osteoporose gaat dit bij lange termijn gebruik gepaard met ernstige bijwerkingen. Daarom is er behoefte aan de ontwikkeling van andere, niet-toxische opties voor een effectieve behandeling van osteoporose.

Op basis van het bovenvermelde werd door onze onderzoeksgroep het onderzoek naar de niet-farmaceutische behandeling voor osteoporose gedefinieerd als het hoofddoel van dit doctoraatsonderzoek. Wetende dat mechanische stimulatie van bot kan resulteren in een toenemende botmassa en botkwaliteit (Wet van Wolff, 1892), worden biomechanische therapieën voor de behandeling van osteoporose reeds sinds enkele decennia toegepast. In het bijzonder de mechanische signalen van een belasting aan een hoge frequentie (HF) hebben een duidelijk positief effect op de botsterkte en ook op het terugwinnen van verloren gegane botmassa als gevolg van osteoporose. Het toepassen van op het gehele lichaam overgebrachte trillingen (zogenaamde whole body vibration; WBV) is een voorbeeld van het in vivo tot op het bot overbrengen van stimuli aan hoge frequentie, en werd in het voorliggend doctoraatsonderzoek onderzocht als potentiële behandeling van osteoporose. Analyse van het effect van mechanische en/of farmaceutische interventies op de osteoporotische botstructuur van zowel het kaaksbot als de lange beenderen was het specifieke doel van dit proefschrift. Tevens werd de onderzoeksfocus gelegd op de mate waarop en hoe deze interventies een invloed hebben op de bothermodellering ter hoogte van de bot-implantaat grensvlak. 

In de klinische context is er heel wat aandacht voor het verlies van kaaksbot, in het bijzonder in het deelgebied van orale implantaten en ter vroegtijdige diagnose van osteoporose. Het bestuderen van de micro-architecturale veranderingen in de kaaksbeenderen die optreden ten gevolge van osteoporose is bijgevolg relevant, in het bijzonder de wijzigingen in de kaaksbotstructuur tengevolge van het gebruik van bifosfonaten. Daarom werd in het eerste deel van dit proefschrift de micro-structurele kenmerken van osteoporotisch kaaksbot, al dan niet behandeld met het bifosfonaat alendronaat, onderzocht. Voorzal gaand werd een literatuuroverzicht van dierexperimentele studies (muis; rat) uitgevoerd, waarbij de meest aangewezen kaakregio’s ter bestudering van micro-structurele wijzigingen ten gevolge van experimentele interventies zoals osteoporose, mechanische belasting etc. werden gedistilleerd, met name de molaarregio in de bovenkaak, de onderkaak, de maxillaire tuber regio en de subchondrale regio van de condylus. Het literatuuronderzoek toonde ook aan dat een éénduidige en reproduceerbare methodologie voor het kwantificeren van botveranderingen in de kaak niet beschikbaar is. Niettemin is een sluitende methodologie cruciaal voor het bepalen van eventueel opgetreden trabeculaire en/of corticale botveranderingen in experimenteel onderzoek. Daarom werd, voor de 4 gedefinieerde anatomische kaakregio’s, een protocol ontworpen voor de rat, met semi-automatische en manuele methodiek ter aflijning van het botweefsel. Verder bevatte het protocol richtlijnen voor beeld segmentatie en anatomische referentiepunten en oriëntatievlakken voor het gestandaardiseerd positioneren van de te analyseren regio’s. Dit protocol werd getest op zijn toepasbaarheid via een dierexperimentele studie ter analyse van de micro-structuur van het kaaksbot van de rat en het effect hierop in specifieke experimentele condities zoals bifosfonaat behandeling. De resultaten toon den naan dat, in de bovenkaak, de trabeculaire botstructuur gecompromitteerd is in geval van osteoporose, doch dat alendronaat in staat is dit te remediëren. In de onderkaak blijkt het trabeculaire bot voornamelijk rondom de 1ste en de 3de molaar en ter hoogte van de condylus aangetast in geval van osteoporose, hetgeen wederom teniet gedaan kan worden via een behandeling met alendronaat.

Zoals hoger aangegeven heeft de behandeling van osteoporosis via mechanische belasting met hoog-frequente signalen (HF WBV), in plaats van een behandeling via geneesmiddelen in casu het bifosfonaat alendronaat (ALN), ingang gevonden. Onze vraagstelling was wat het effect van de individuele dan wel de gecombineerde behandeling op de bot micro-structuur is. Daartoe werd in het tweede deel van dit proefschrift een dierexperimentele (rat) studie opgezet waarbij het effect van HF WBV en ALN behandeling op de osteoporosotische botstructuur van de lange beenderen werd onderzocht. De hypothese voor deze studie was dat beide behandelingen synergistisch en anabool (i.e. botstimulerend) werken op de botstructuur. De resultaten van deze studie geven aan dat de botrespons ten aanzien van mechanische belasting varieert naargelang de regio binnenin de lange beenderen. De corticale regio beantwoordde de HF WBV stimuli positief in geval van osteoporose, terwijl de trabeculaire regio dit niet deed. Het verwachtte synergetische HF WBV-ALN effect trad echter niet op en is potentieel te wijten aan de (tè) hoge dosis ALN die werd toegediend en die het synergistische effect maskeerde. Om dit te trachten achterhalen werd een nieuwe dierenstudie opgestart waarbij 2 verschillende dosissen ALN (2mg/kg en 1mg/kg) werden toegediend. Echter, de resultaten van deze studie konden wederom geen synergie aantonen. Gelijktijdig bleek dat de lagere ALN dosis wél een invloed bleek te hebben op het trabeculaire bot (hetgeen niet werd geobserveerd in de voorafgaande studie cf. supra). Hoewel HF WBV een positief effect had op zowel de corticale als de trabeculiare osteoporotische botregio’s, werd geen synergistisch positief effect van de gecombineerde behandeling waargenomen. Om tenslotte de mechanismen die aan de grondslag liggen van het bot-anabole effect van HF WBV en ALN beter tebegrypen werd  een in vitro studie opgestart met focus op de cellulaire en moleculaire reacties, in het bijzonder van AMPK, een aantrekkelijk therapeutisch doelwit in osteoporose. De bevindingen uit deze studie suggereren aan dat er geen in vitro osteogeen effect op of veranderde AMPK expressie van de progenitorcellen afkomstig uit de (niet-)osteoporotische in vivo conditie, kan uitgelokt worden via HF WBV en ALN behandeling. Mogelijks zijn andere cellulaire en moleculaire factoren betrokken in het genereren van de anabolische reactie zoals geobserveerd in vivo.

Omwille van het feit dat er in de literatuur tegenstrijdigheid bestaat betreffende het risicoprofiel van osteoporose voor implantaat osseointegratie, en in het bijzonder voor het vroegtijdig belasten van implantaten, bleek verder onderzoek in dit domein wenselijk. In het laatste deel van dit doctoraatsonderzoek werd het effect van HF WBV op de peri-implantaire botreactie onderzocht in de condities van gezond, osteoporotische en ALN-behandeld osteoporotisch bot. De resultaten van deze in vivo studie, die werd uitgevoerd ter hoogte van de rat tibia, geven aan dat de peri-implantaire botreactie inderdaad minder gunstig is in geval van osteoporose en dit zich voornamelijk manifesteert ter hoogte van het trabeculair botcompartiment in vergelijking met het corticale segment. Ongeacht de botconditie (gezond vs osteoporotisch vs osteoporotisch+ALN) bleken zowel HF WBV als ALN het implantaat osseointegratie proces te stimuleren.

De verschillende studies uitgevoerd in het kader van dit proefschrift hebben de BIOMAT onderzoeksgroep een bredere kennis aangereikt met betrekking tot de impact van HF WBV en ALN op de specifieke bot micro-architectuur van het kaaksbot en van de lange beenderen, op de cellulaire reacties die hierbij betrokken zijn en dit toegepast op het bot-implantaat grensvlaken. Niettemin dienen nieuwe vragen zich aan, die motiveren voor verder onderzoek met als einddoel het optimaliseren van klinische protocollen voor de behandeling van osteoporose en bij de toepassing met orale implantaten.