Wirkungen von Hyperbarer Sauerstofftherapie auf die Differenzierung und Mineralisation von Knorpel- und Knochenzellen in vitro

Abstract

Seit über 60 Jahren ist die Hyperbare Sauerstofftherapie eine anerkannte und oft lebensrettende Therapie für die Behandlung der Dekompressionskrankheit und der Gasembolie. Unter anderem erfolgt der Einsatz von HBO auch bei therapieresistenten Knochenerkrankungen, wie der Osteomyelitis und der Osteoradionekrose(UHMS, 1998 und 2003; Moon et al., 1996; Frey et al., 1998). Dass eine Heilung von Knochen durch den Einfluss von hyperbarem Sauerstoff beschleunigt werden kann, wurde vielfach beobachtet (Yablon und Cruess, 1968; Marx und Ames, 1982; Nilsson et al., 1988; Granström et al., 1992; Sawai et al., 1996; Lar-sen, 1997), wobei die Ergebnisse in vivo häufig auf die verbesserte Neovaskularisation unter HBO zurückgeführt wurden. Die Mineralisation von Matrix ist im Vorgang der Knochenheilung ein unverzichtbarer Bestandteil. Wie sich HBO auf die Mineralisation auswirkt, wurde bisher kaum untersucht. Mit dieser Arbeit wurde der Einfluss von HBO und seinen Bestandteilen Sauerstoff und Druck auf die desmale und enchondrale Mineralisation untersucht. Zusätzlich wurde die Höhe der Mineralisation quantifiziert. Es wurden Organoidkulturen aus fetalen Mäusecalvarien und Mäuseepiphysen eingesetzt. Die Mineralisation wurde durch die Messungen von Calcium in den Kulturen und durch Aktivitätsbestimmungen von Alkalischer Phosphatase quantifiziert. Ausgewertet wurde das Mineralisationsverhalten von Kulturen, die mit HBO, nur mit Sauerstoff oder nur mit Druck behandelt worden waren. In der Untersuchung konnte gezeigt werden, dass die desmale Ossifikation in Kulturen von fetalen Mäusecalvarien durch den Einsatz von HBO, von Sauerstoff und auch Druck allein verstärkt wird, am ausgeprägtesten durch eine alleinige rezidivierende Behandlung mit Sauerstoff. Eine einmalige Behandlung mit Sauerstoff und HBO führte zunächst zu einer Mineralisationsverminderung. Hierfür wurden Sauerstoffradikale verantwortlich gemacht, die zu Zellschäden führten. Die Zellen bauten vermutlich erst nach der ersten Behandlung einen oxidativen Schutz auf (Gutteridge, 1994; Rothfuss et al., 1998). Hier wären weitere Untersuchungen interessant. Bei der enchondralen Kalzifizierung wirkte sich vor allem der Einfluss von Druck steigernd auf die Mineralisation aus und zwar auch erst nach einer rezidivierenden Behandlung von mindestens 5 Tagen. Kürzere Behandlungsserien vermindern die Mineralisation. Ursachen für diese Beobachtungen konnten in dieser Arbeit nicht aufgezeigt werden, auch hier sind weitere Untersuchungen notwendig. HBO und Sauerstoff wirken sich kaum steigernd auf die Kalzifizierung aus. Insgesamt lässt sich der positive Einfluss von HBO auf die Knochenheilung demnach nicht nur auf eine Unterstützung der Neovaskularisation zurückführen, sondern auch auf eine direkte Steigerung der Mineralisation sowohl im Rahmen der desmalen Ossifikation von Calvarienzellkulturen als auch der enchondralen Kalzifizierung von Epiphysenzellkulturen.

For more than 60 years, hyperbaric oxygen therapy is a lifesaving therapy for de-compression sickness and air embolism. Among other indications HBO2 is useful for osteomyelitis and mandibular radiation necrosis (UHMS, 1998 and 2003; Moon et al., 1996; Frey et al., 1998). Hyperbaric oxygen therapy accelerates the healing of bone (Yablon and Cruess, 1968; Marx and Ames, 1982; Nilsson et al., 1988; Granström et al., 1992; Sawai et al., 1996; Larsen, 1997). This acceleration is mostly attributed to an angiogenesis during the therapy with HBO2. For healing of bone the process of mineralization is necessary. At present it is not clear how HBO2 influences the mineralization. This thesis analyses influences of HBO2, O2 and pressure in the enchondral and intramembranous mineralization. Organoid cultures of fetal mice calvaria and epiphyses were used for this examina-tion. The amount of mineralization was measured by calcium and the alkaline phos-phatase activity in the cultures. The results are showing that the intramembranous ossification in fetal mice calvarial cultures is increased by HBO2, O2 and pressure. The most significant mineralization was measured in the cultures that were only affected by O2. A singular treatment with O2 and HBO2 initially induces a decrease in mineralization, probably by the develop-ment of damaging free radicals. After the singular treatment, the cells begin to gener-ate an oxidative defence (Gutteridge, 1994; Rothfuss et al., 1998). The mineralization in the enchondral ossification was significantly increased by recur-rent pressure. A singular treatment or treatments for less than 5 days induced a de-crease in mineralization. Until now there is no rationale found for this observation. Hyperbaric oxygen therapy accelerates the healing of bone by inducing an angio-genesis, but the therapy additionally increases the mineralization in the intramem-banous and enchondral ossification in fetal mice organoid cultures.