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Therapie mit Bisphosphonaten ohne  Nebenwirkungen auf das Knochenmaterial von Kindern mit Glasknochenkrankheit

Österreichisch-Deutsch-Kanadisches Forscherteam untersucht Materialeigenschaften in Knochenbiopsien von Kindern mit Glasknochenkrankheit vor und nach Behandlung mit Bisphosphonaten. Es findet eine deutliche Zunahme der Knochenmasse ohne Beeinträchtigung der Knochenmaterialqualität statt.

Wissenschaftler des Ludwig-Boltzmann-Instituts für Osteologie im Hanusch-Krankenhaus der WGKK und im Unfallkrankenhaus Meidling der AUVA in Wien haben zusammen mit Kollegen der Universität Leoben, des Max-Planck-Instituts für Kolloid und Grenzflächenforschung in Potsdam (Deutschland), sowie mit einem Ärzteteam aus dem Schriners Hospital für Kinder in Montreal (Kanada) die Auswirkung einer neuen Bisphosphonat-Therapie auf die Eigenschaften des Knochenmaterials auf mikroskopischer Ebene erforscht. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass durch die Behandlung die Materialeigenschaften nicht verändert wurden, die Knochenmasse jedoch erhöht und damit die Häufigkeit der Knochenbrüche gesenkt werden konnte. Die entscheidende Bedeutung dieser Ergebnisse liegt darin, dass auch bei Langzeitbehandlung keine negative Wirkung auf das Knochenmaterial zu erwarten ist.

Die Glasknochenkrankheit (Osteogenesis Imperfecta) ist eine durch einen genetischen Defekt verursachte erbliche Erkrankung des Bindegewebes, die einerseits  zu einer Störung der Knochenneubildung und anderseits zu sprödem und brüchigem Knochenmaterial führt. Die betroffenen Patienten leiden, je nach Schweregrad der Krankheit, unter häufigen Knochenbrüchen, Wachstumsstörungen und Deformationen des Skeletts und Schmerzen. Bis vor wenigen Jahren gab es für diese Erkrankung keine wirksame medikamentöse Therapie. In den späten achtziger Jahren wurde zum ersten Mal beobachtet, dass bei Patienten eine deutliche Verbesserung festzustellen war, wenn sie mit  so genannten Bisphosphonaten behandelt wurden, das sind Hemmer des Knochenabbaus, die auch in der Osteoporosetherapie eingesetzt werden.

In den folgenden Jahren wurde in klinischen Studien gezeigt, dass die Bisphosphonattherapie eine Erhöhung der Knochenmasse bewirkt und dadurch zur Verminderung der Bruchhäufigkeit bei Kindern mit Glasknochenkrankheit führt. Vollkommen ungeklärt blieb jedoch die Frage, inwieweit die ohnehin schon krankhaften  Materialeigenschaften, die zur hohen Sprödigkeit und Brüchigkeit des Knochens führen, durch die Behandlung verändert und womöglich noch weiter verschlechtert werden. In der Tat könnte eine verminderte Materialqualität längerfristig zur einer erhöhten Bruchhäufigkeit und daher nach einigen Jahren zu einem negativen Effekt der Behandlung führen.

In der vorliegenden Studie haben die Forscher bei erkrankten Kindern vor und nach der Bisphosphonattherapie Knochenbiopsien aus dem Beckenknochen gewonnen und mit modernen Methoden aus der Materialphysik untersucht. Das Knochenmaterial wurde im submikroskopischen Bereich auf Mineralgehalt, -verteilung und Materialzusammensetzung (Elektronenrückstreuungmessungen im Rasterelektronenmikroskop), sowie auf seine mechanischen Eigenschaften (Nano-Indentierung im Atomkraftmikroskop) hin analysiert und die Resultate mit jenen von gesunden Kindern verglichen. Alle Ergebnisse zeigen, dass das Knochenmaterial durch die Behandlung mit Bisphosphonaten unverändert bleibt. Daher kann man vermuten, dass die Therapie auch in der Langzeitbehandlung sicher ist und eine deutlich verbesserte Lebensqualität für die betroffenen Patienten mit Glasknochenkrankheit herbeiführt. Die Originalarbeit über diese Ergebnisse ist als elektronisches Dokument (DOI: 10.1016/j.bone.2006.02.071) im Internet zu finden und wird in den nächsten Monaten in der internationalen Fachzeitschrift BONE im Druck erscheinen (Autoren: Weber M, Roschger P, Fratzl-Zelman N, Schöberl T, Rauch F, Glorieux FH, Fratzl P, Klaushofer K).

Ludwig Boltzmann-Institut für Osteologie
im Hanusch-Krankenhaus der WGKK und
Unfallkrankenhaus Meidling der AUVA
4. Medizinische Abteilung, Hanusch-Krankenhaus
Heinrich Collin-Str. 30
A-1140 Wien
www.osteologie.at

From brittle to ductile fracture of bone

H. PETERLIK (1), P. ROSCHGER (2), K. KLAUSHOFER (2) and P. FRATZL (3)

(1) Institute of Materials Physics, University of Vienna, A-1090 Vienna, Austria
(2) Ludwig-Boltzmann Institute of Osteology at the Hanusch Hospital WGKK and AUVA Trauma Centre Meidling, 4th Medical Department, Hanusch Hospital, A-1140 Vienna, Austria
(3) Max-Planck Institute of Colloids and Interfaces, D-14424 Potsdam, Germany

Toughness is crucial to the structural function of bone. Usually, the toughness of a material is not just determined by its composition, but by the ability of its microstructure to dissipate deformation energy without propagation of the crack. Polymers are often able to dissipate energy by viscoplastic flow or the formation of non-connected microcracks. In ceramics, well-known toughening mechanisms are based on crack ligament bridging and crack deflection. Interestingly, all these phenomena were identified in bone, which is a composite of a fibrous polymer (collagen) and ceramic nano-particles (carbonated hydroxyapatite). Here, we use controlled crack-extension experiments to explain the influence of fibre orientation on steering the various toughening mechanisms. We find that the fracture energy changes by two orders of magnitude depending on the collagen orientation, and the angle between collagen and crack propagation direction is decisive in switching between different toughening mechanisms.

Nature Materials 2006, Vol 5:52-55

 



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