Computertomographisch gestützte Morphometrie der Wirbelsäule des Göttingen Minipig® zur Erstellung eines anatomischen Katalogs im Sinne der 3R

Abstract

Erkrankungen der Wirbelsäule und des muskuloskelettalen Systems stellen in Deutschland und weltweit eine der häufigsten Ursachen für Arbeits- und Erwerbsunfähigkeit dar. Da es zur Erforschung häufig an Präparaten humanen Ursprungs mangelt, werden besonders geeignete Modelltiere benötigt. Unter diesen nimmt das Hausschwein aufgrund seiner u.a. anatomisch und physiologisch großen Ähnlichkeit zum Menschen eine herausragende Position ein. In den letzten Jahren hat man sich jedoch aus Gründen der Praktikabilität und Kosten vermehrt dem Modelltier Minipig, speziell dem Göttingen Minipig®, zugewandt. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die in humanmedizinischen Studien am häufigsten eruierten anatomischen und morphometrischen Parameter der Wirbelsäule zu identifizieren und für das Göttingen Minipig® zu ermitteln. Anhand dieser wurde ein anatomischer Katalog erstellt sowie eine Gegenüberstellung mit Literaturdaten von Hausschwein und Mensch durchgeführt. Hierfür wurden die Prinzipien der 3R nach Russell und Burch für einen ethischen Umgang mit Versuchstieren, u.a. durch den Einsatz der Computertomographie als Beitrag zu einem Refinement, angewendet. Im Sinne einer Umsetzung der Punkte Replacement und Reduction wurde für die vorliegende Arbeit ein existenter Datenpool von 17 weiblichen Göttingen Minipigs® im Alter von 12, 17 und 21 Monaten analysiert. Hinsichtlich der Anzahl der Wirbel je Wirbelsäulenabschnitt weist das Göttingen Minipig® eine gegenüber dem Hausschwein anatomisch größere Analogie mit dem Menschen auf. Die Einordnung des Göttingen Minipig® in einen konkreten Altersstatus wird u.a. anhand der Einteilung nach Körpermasse sowie Zeitpunkten des Schlusses der Epiphysenfugen kritisch diskutiert. Die untersuchten Tiere weisen zwischen 17 und 21 Lebensmonaten die stärkste Zunahme des Körpergewichts auf. Ein Schluss der Epiphysenfugen erfolgt hingegen hauptsächlich zwischen 12 und 17 Lebensmonaten. In einem Alter von 17 Monaten kann dabei ein Schluss bis einschließlich des Wirbels T9 sowie im Alter von 21 Monaten bis einschließlich des Wirbels T12 festgestellt werden. Aufgrund dessen ist für diese Wirbel eine Einordnung in den Adultstatus zu den genannten Zeitpunkten vorstellbar. Bei einem Vergleich der untersuchten Altersklassen lässt sich im Alter von 12 bis 17 Monaten insbesondere ein Längenwachstum der Wirbelsäule des Göttingen Minipig® beobachten. Die Halswirbelsäule ist in diesem Zeitraum den stärksten morphometrischen Modifikationen unterworfen. Im Gegensatz hierzu weisen die untere Brust- und Lendenwirbelsäule lediglich geringe wachstumsbedingte Veränderungen im untersuchten Zeitraum auf. In der Altersgruppe 17 bis 21 Monate kann das stärkste Wachstum in der Wirbelsäule des Göttingen Minipig® für den gesamten Untersuchungszeitraum von 12-21 Monaten festgestellt werden. Dies betrifft alle Abschnitte der Wirbelsäule. Starke morphometrische Veränderungen lassen sich dabei insbesondere in der Lendenwirbelsäule beobachten. Den geringsten wachstumsbedingten Änderungen ist in diesem Zeitraum die untere Brustwirbelsäule unterworfen. Über den gesamten Untersuchungszeitraum von 12 bis 21 Lebensmonaten lässt sich das stärkste Wachstum für die Halswirbelsäule der untersuchten Tiere beobachten. Die geringsten wachstumsbedingten Veränderungen weist hingegen die untere Brustwirbelsäule auf. In Abhängigkeit von der Fragestellung können diese Abschnitte der Wirbelsäule somit von besonderem Interesse für zukünftige Forschungsvorhaben sein. Bei einem Vergleich mit der Spezies Hausschwein kann für das Göttingen Minipig® in einem Alter von 21 Monaten insbesondere eine absolute Vergleichbarkeit der oberen und unteren Brustwirbelsäule festgestellt werden. In einem Alter von 17 Monaten weisen die relevanten Strukturen der untersuchten Tiere die höchste relative Vergleichbarkeit mit der unteren Brustwirbelsäule und Lendenwirbelsäule des Hausschweines auf. Der Vergleich des Göttingen Minipig® mit dem Menschen zeigt eine Unabhängigkeit der absolute Vergleichbarkeit der Daten vom Alter der untersuchten Tiere. Das Maximum der relativen Vergleichbarkeit der Daten weisen die untersuchten Tiere in einem Alter von 17 Monaten auf. Insgesamt ist jedoch nur ein geringer Einfluss des Alters auf die Ergebnisse des Vergleichs erkennbar. Damit kann eine Nutzung des Göttingen Minipig® als Modelltier für den Menschen bereits ab einem Alter von 12 Monaten empfohlen werden. Den Ansprüchen an eine Optimierung des Versuchsvorhabens durch Kostenreduktion infolge eines kürzeren Haltungszeitraumes kann somit gerecht werden. Die größtmögliche Eignung ergibt sich dabei für die Brust- und Lendenwirbelsäule. Anhand der inhomogenen Entwicklung der untersuchten Merkmale zeigt sich die Komplexität der Thematik, insbesondere der Einordnung des Göttingen Minipig® in einen Altersstatus. Im Sinne einer Umsetzung der Prinzipien der 3R nach Russell und Burch sollte sich als Fazit für zukünftige Versuchsplanungen eine Einteilung des Göttingen Minipig® in Altersgruppen an dem zu untersuchenden Organsystem orientieren. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit können dabei als morphometrische Grundlage auf dem Gebiet der Wirbelsäule dienen. Hierfür können sowohl die Vergleiche nach Alter, Abschnitt der Wirbelsäule und Spezies als auch ein erstmals für das Göttingen Minipig® systematisch erstellter Katalog der häufigsten anatomischen Dimensionen der Wirbelsäule einen wichtigen Beitrag für zukünftige Forschungsvorhaben leisten

Diseases of the spine and musculoskeletal disorders represent the most frequent causes for incapacitation for work and disability. Due to the lack of human specimens, appropriate animal models are required for spinal research. The pig has unique position as an animal model, due to the fact that its anatomy and physiology are very similar to those of human beings. In recent years, the importance of the minipig, especially the Göttingen Minipig®, as an animal model has greatly increased. The small size, low body weight and quiet character are advantages in keeping and handling this breed. The aim of the present thesis is to identify those human anatomical and morphometric parameters that are most frequently referred in spinal research, and investigate them in the spine of the Göttingen Minipig®. These data are used to create a systematic, morphometric database and compared with porcine and human literature. According to the principles of the 3R by Russell and Burch, non-invasive computer tomography is used as a contribution to the concept of refinement with respect to ethical responsibility towards laboratory animals. In keeping with the concepts of replacement and reduction, an existing data pool of 17 female Göttingen Minipigs® at the age of 12, 17 and 21 months was analysed. In terms of the number of vertebrae in every section of the spine, the Göttingen Minipig® shows a higher comparability to the human spine than to the porcine one. It is controversial to classify the Göttingen Minipig® in age groups divided by weight and epiphyseal closure. In my own investigations, a peak in weight gain can be observed at the age of 17 to 21 months, whereas most epiphyseal closures can be detected at the age of 12 to 17 months. At the age of 17 months, epiphyseal closure can be observed up to vertebra T9, whereas at the age of 21 months, epiphyseal plates are closed up to vertebra T12. Therefore, concerned vertebrae can be considered anatomically mature at these points in time. When comparing the study groups of the Göttingen Minipig®, at the age of 12 to 17 months, longitudinal growth of the spine can be detected. The cervical spine recorded the highest growth during this time period. In contrast, the lower thoracic and lumbar spine present only slight morphometric modifications. At the age of 17 to 21 months, a growth spurt takes place in every section of the spine, particularly in the lumbar spine. The lowest morphometric changes are seen in the lower thoracic spine. During the entire investigation period, most morphometric changes due to growth are seen in the cervical spine at an age of 12 to 21 months. In contrast, little morphometric modifications take place in the lower thoracic spine. The 21 -month-old Göttingen Minipigs`® higher and lower thoracic spine shows the best absolute comparability to the porcine spine. At the age of 17 months, the examined animals exhibit the best relative comparability in the lower thoracic and lumbar spine. In contrast, comparing Göttingen Minipig® and human spine. Best relative comparability to human spine can be detected for the 17-month- old Göttingen Minipig® spine. Altogether, age does only seem to have a small impact on the results of the comparison. Therefore, utilisation of the Göttingen Minipig® as an animal model can be suggested from the age of 12 months, which entails a reduction in costs as the animals are younger. Based on these findings, the thoracic and lumbar spine of the Göttingen Minipig® are most suitable as an animal model for the human spine. The complex nature of the purpose of this study, particularly with regard to age classification, can be recognised in the inhomogeneous development of the examined and analysed parameters. According to the principles of the 3R, a prospective classification in age groups should be based on the organ system to be examined. The present results can serve as a morphometric database for the design of future studies of the spine. Therefore, the quantitative database provided in this thesis can present an important contribution to future research.