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In der vorliegenden Arbeit sollte die Fragestellung untersucht werden, inwieweit bei der Durchführung einer intradiscalen elektrothermischen Therapie (IDET) neurale Strukturen thermisch geschädigt werden könnten. Für die Generierung der Fragestellung wurde die Tatsache herangezogen, dass während einer IDET-Behandlung gezielt Temperaturen appliziert werden, welche für sich genommen potentiell zu Gewebeschäden führen können (Maximum: 90°C). Zur Untersuchung der Hypothese einer thermischen Schädigung wurde ein realitätsnaher, experimenteller Versuchsaufbau gewählt, bei dem ein gängiges Operationsgerät der Firma Smith&Nephew zur Anwendung kam. Bei den durchgeführten Experimenten wurden standardisierte IDET-Therapien an humanen postmortalen Lendenwirbelkörpersegmenten durchgeführt. An den Orten wichtiger benachbarter neuraler Strukturen (im Bereich des Rückenmarks, der Neuroforamina an der Bandscheibe sowie an der medialen Ventralseite der Bandscheibe) wurde die jeweilige Temperaturentwicklung bestimmt. Um dabei eine Annäherung an die in vivo Bedingungen der IDET-Therapie zu erzielen, wurde ein physiologischer Blut- und Liquorfluss in temperaturkonstanter, isotoner Kochsalzlösung (37,0 +/- 1,0°C) simuliert. Zusätzlich wurde die Oberflächentemperaturentwicklung eines weiteren Wirbelkörpersegmentes während IDET mithilfe einer Wärmebildkamera erfasst. Als wichtigstes Untersuchungsergebnis kann festgehalten werden, dass sowohl an der Hinterkante der vermessenen Wirbelkörpersegmente, als auch von diesem 2 mm in den Spinalkanal hineinreichend, Temperaturentwicklungen mit einem kurzfristigen Maximalwert Tmax von 45,2°C aufgezeichnet wurden. Im Anschluss kam es zu einem raschen Temperaturabfall. Die über die Zeit aufgetragene Temperaturentwicklung der zehn Messungen korrelierte übereinstimmend mit der Aufzeichnung der Hitzeentwicklung mittels der Wärmebildkamera an einer einzelnen Bandscheibe. Hierbei wurde das Maximum der Hitzeentwicklung 14-16 Minuten nach Behandlungsbeginn erreicht. In der Zusammenschau der beiden Untersuchungsverfahren lässt sich daher die Schlussfolgerung ziehen, dass die im benachbarten Gewebe freiwerdenden Temperaturen bei der IDET-Therapie mit zunehmender Entfernung zur Bandscheibe abnehmen. Wenngleich der gemessene Spitzenwert von 45,2°C als potentiell gewebeschädigend einzustufen ist, wurde während der durchgeführten IDET-Eingriffe eine mit 2 Minuten so kurze Gesamteinwirkdauer erfasst, dass angenommen werden kann, dass diese keinen oder nur geringen thermischen Schaden verursachen würde. Damit sollte für die standardisierte, sachgerechte Durchführung einer IDET-Behandlung das Risiko einer thermischen Denervation im Bereich des Rückenmarkes und weiterer benachbarter nervaler Strukturen als gering gewertet werden.

Als zentrales Achsenorgan des menschlichen Skelettes und aufgrund ihrer wesentlichen Bedeutung für die aufrechte Körperhaltung des Menschen sind Morphologie, Funktion und Degenerationserscheinungen oder Verletzungen der Wirbelsäule seit Jahrzehnten von besonderem Interesse in der medizinischen Forschung. Um den Kraftfluss durch Wirbelkörper und Bandscheiben bei Gesunden zu untersuchen, werden bis heute verschiedenste Studienmodelle entwickelt. Diese präsentieren jedoch meist nur begrenzte Ergebnisse, weil aufgrund der Komplexität der Bewegungen, der Zusammensetzung aus vielen Einzelgelenken und nicht zuletzt des Einflusses durch Muskeln und Bändern der Kraftfluss nicht realitätsnah dargestellt werden kann. Ausgehend von der Tatsache, dass die Verteilung der subchondralen Mineralisierung das biologische Korrelat der Langzeitbeanspruchung einer Gelenkfläche darstellt, war das Ziel dieser Studie, individuelle Mineralisierungsmuster der einzelnen Wirbelkörperendplatten der gesamten Wirbelsäule beim gesunden Menschen darzustellen und den jeweiligen Kalziumgehalt einer Endplatte zu bestimmen, um dann auf die Beanspruchung rückschließen zu können. Zu diesem Zweck wurden 10 möglichst gering degenerierte Wirbelsäulen von Leichen entnommen. Mit Hilfe der CT-Osteoabsorptiometrie (CT-OAM) wurde die subchondrale Mineralisierungsverteilung der Deck- und Grundplatten dargestellt und in standardisierten kartographischen Ansichten die Lage der Dichtemaxima dargestellt. Mittels quantitativer CT-OAM (qCT-OAM) wurde der Kalziumgehalt der Endplatten ermittelt und durch Einbeziehung der Endplattenfläche der relative Kalziumgehalt berechnet, wodurch intra- und interindividuelle Vergleiche möglich wurden. Der absolute Kalziumgehalt der Endplatten nahm – ebenso wie die Endplattenfläche – von kranial nach kaudal zu, woraus sich ein annähernd gleichbleibender relativer Kalziumgehalt in Hals-, Brust- und Lendenwirbelsäule ergab. Dies galt für alle untersuchten Wirbelsäulen gleichermaßen, obwohl es deutliche interindividuelle Unterschiede hinsichtlich des Kalzifizierungsgrades gab. Der Kalziumgehalt der Deck- und Grundplatte des Einzelwirbelkörpers unterschied sich bei Brust- und Lendenwirbelkörpern – im Gegensatz zu den Halswirbelkörpern – signifikant. Innerhalb des Wirbelkörpers fanden wir eine Zunahme der Mineralisierung. Im Gegensatz dazu fanden wir in thorakalen und lumbalen Bewegungssegmenten eine signifikante Mineralisierungsabnahme: die kranial einer Bandscheibe gelegene Grundplatte ist geringer mineralisiert als die kaudal gelegene Deckplatte. Wir vermuten, dass die Zunahme der Mineralisierung innerhalb des Wirbelkörpers u.a. durch zusätzliche Lastaufnahme über die in den Wirbelkörper einstrahlenden Wirbelpedikel entsteht. Diese sind je nach Körperhaltung und Durchstoßpunkt der Kraftresultierenden am Kraftfluss durch die Wirbelsäule beteiligt. Die Abnahme der Mineralisierung über eine Bandscheibe hinweg resultiert vermutlich aus deren Verformung bei Belastung. Im Falle degenerierter Bandscheiben konnten wir zeigen, dass diese Last offensichtlich unvermindert an kaudale Wirbelkörper weitergeleitet wird, wodurch es zu einer Mineralisierungszunahme der kaudal gelegenen Deckplatte kommt. Die differenten Ergebnisse der Halswirbelsäule könnten auf dem konvexbogigen Aufbau der Endplatten und der bereits in jungen Jahren ausgebildeten Uncovertebralgelenke durch Spaltenbildung der Bandscheiben beruhen, weshalb keine Lastminderung durch Verformung der Bandscheiben erfolgt. Die flächenhafte Mineralisierung, dargestellt in den Densitogrammen der CT-OAM, zeigte charakteristische Häufungen der Stellen höherer Mineralisierung. Die Endplatten der Halswirbelsäule wiesen vor allem posterolateral eine höhere Mineralisierung auf. In der Brustwirbelsäule dominierten gleichmäßig zirkuläre Mineralisierungsmaxima, während lumbal überwiegend dorsal Stellen höherer Mineralisierung lokalisiert waren. Die Übergänge zwischen Hals-, Brust- und Lendenwirbelsäule waren fließend. Weil sich die Lage des jeweiligen Rotationszentrums einer Bewegung aus dem Winkel der Wirbelpedikel zum Wirbelkörper und aus der variablen Belastung der Bandscheibe ergibt, unterscheiden sich die Hauptbelastungszonen der Endplatten je nach Lage in der Wirbelsäule. Aufgrund der zusätzlichen Einflussnahme der unterschiedlichen Bewegungsgrade der einzelnen Wirbelsäulenabschnitte konnten wir nachweisen, dass es charakteristische regionale (zervikal – thorakal – lumbal) Verteilungsmuster der Hauptbelastungszonen der Wirbelkörperendplatten gibt. Entsprechend der beschriebenen Mineralisierungsmuster verläuft eine Achse der Hauptbeanspruchung durch die Wirbelsäule. Diese verändert sich fließend von dorsolateral im Halsbereich nach gleichmäßig zirkulär auf Höhe der Brustwirbelsäule und schließlich wieder dorsolateral im lumboskralen Bereich. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen zeigen, dass es beim Lebenden charakteristische Beanspruchungsmuster der Wirbelsäule gibt, welche nur durch Berücksichtigung aller am Achsenorgan beteiligten Strukturen verstanden werden können. Die klinische Erfahrung, dass bevorzugt Deckplatten der Hals- und Lendenwirbelsäule frakturieren können wir erstmals morphologisch begründen.

Osteoporotische Wirbelkörperfrakturen stellen ein großes sozioökonomisches Gesundheitsproblem dar. Klinisch wird derzeit zur Diagnosestellung der Osteoporose nach WHO-Empfehlung die lumbale DXA-Messung hinzugezogen. Die osteoporotischen Wirbelkörperfrakturen ereignen sich jedoch hauptsächlich in der thorakalen Wirbelsäule und im thorakolumbalen Übergangsbereich. Diese Areale sind jedoch der nicht-invasiven DXA-Messung aufgrund von Überlagerung anderer knöcherner Strukturen nicht zugänglich. In der vorliegenden Studie wurde die Hypothese untersucht, dass die auf der DXA basierende Vorhersage der Versagenslasten in der thorakalen Wirbelsäule durch a) die skelettale Heterogenität zwischen der lumbalen und thorakalen Wirbelsäule und b) durch die Artefakte bei der Bestimmung des lumbalen Knochenmineralgehaltes beeinflusst wird. Hierzu wurden die Korrelationen zwischen den in- und ex-situ erhobenen DXA-Parametern und den Versagenslasten bei älteren Individuen untersucht. Insgesamt wurden die Wirbelsäulen von 119 Präparate (76 Frauen, 82 ± 9 Jahre und 43 Männer, 77 ± 11 Jahre) untersucht. Nach der lumbalen DXA-Messung der Wirbelsäule unter In-situ Bedingungen in anterior-posteriorer (AP) Projektion erfolgte die Ex-situ – Messung in AP und in laterater Projektion. Anschließend wurden in einem axialen Kompressionsversuch, nach der Dreisegment-Methode, die Versagenslasten der Brustwirbelkörpersegmente (BWK) 5–7, 9–11 und dem Lendenwirbelkörpersegment (LWK) 2–4 bestimmt. Der Korrelationskoeffizient zwischen den Versagenslasten der beiden thorakalen Segmente betrug r = 0,85, die Versagenslasten der beiden thorakalen Segmente korrelierte mit dem lumbalen Segment nur moderat (BWK 6 vs. LWK 3 r = 0,61; BWK 10 vs. LWK 3 r = 0,68). Die laterale Ex-situ – DXA-Messung erbrachte signifikant höhere Korrelationen (p < 0,05) mit den Versagenslasten der lumbalen Wirbelsäule als die In-situ – DXA-Messung in AP-Projektion (r = 0,85 vs. 0,71). Die Korrelationen der thorakalen Versagenslasten mit der lateralen Ex-situ – DXA-Messung und der In-situ – DXA-Messung in AP-Projektion waren jedoch gleich (r = 0,69 vs. 0,67 für BWK 10 und r = 0,61 vs. 0,65 für BWK 6). Diese Ergebnisse demonstrieren eine substantielle Heterogenität der mechanischen Kompetenz innerhalb der Wirbelsäule älterer Individuen. Das mechanische Versagen der Lendenwirbelsäule kann am besten aus der lateralen DXA-Messung an explantierten Knochen vorhergesagt werden, somit scheint die lumbale In-situ – AP-Messung einer nicht unbedeutenden Beeinflussung durch die posterioren Element zu unterliegen, die die Vorhersagekraft der Messung reduzieren. Für die Vorhersage der Versagenslasten in der thorakalen Wirbelsäule und den thorakolumbalen Übergangsbereich ist die klinische In-situ – Messung der Lendenwirbelsäule in anterior-posteriorer Projektion der Ex-situ – Messung in beiden Projektionen jedoch nicht unterlegen. Somit scheint die lumbale In-situ – DXA in anterior-posteriorer Projektion ein mechanisch bedingtes Frakturrisiko für die thorakale und lumbale Wirbelsäule in gleicher Weise vorhersagen zu können. Die Artefaktbeeinflussung der lumbalen In-situ – AP-Messung scheint für die Vorhersage eines Frakturrisikos in der thorakalen Wirbelsäule eine eher untergeordnete Rolle zu spielen. Die klinische DXA-Messung der Lendenwirbelsäule in anterior-posteriorer Projektion kann daher als nicht-invasive Methode Aussagen über ein mögliches Frakturrisiko treffen und dazu beitragen Risikopatienten zu diagnostizieren und einer adäquaten, antiresorptiven Therapie zu unterziehen.

In der vorliegenden Studie ist anhand von weiblichen Fischer-344-Ratten tierexperimentell erforscht worden, welche Applikationsform von Calcitriol (1,25(OH)2D3), die per subkutaner Injektion, die per Schlundsonde oder die oral über das Futter, den stärksten knochenanabolen Effekt erzielt und die stärkste Suppression der PTH-Sekretion zur Folge hat. In einem weiteren Tierexperiment wurde der Frage nachgegangen, in welchem Umfang die PTH-Suppression eine Rolle bei der antiresorptiven Wirkung von Calcitriol spielt, und ob diese antiresorptive Wirkung von Calcitriol als direkter oder indirekter Effekt am Knochen zu verstehen ist. Im ersten Versuch sind 72 weibliche, sechs Monate alte Fischer-344-Ratten in acht Gruppen eingeteilt und mit Vehikel, 0.05 oder 0.10 µg/kg KG Calcitriol entweder oral über das Futter, oral über Schlundsonde oder über subkutane Injektion zwei Wochen lang behandelt worden. Für den zweiten Versuch wurden sechs Monate alte weibliche Fischer-344-Ratten scheinoperiert (n = 24) oder parathyreoidektomiert (n = 48). Der Erfolg der Parathyreoidektomie ist über die Messung des ionisierten Kalziums im Blut einen Tag post operationem überprüft worden. Einem Teil der parathyreoidektomierten Tiere (n = 24) wurde über osmotische Minipumpen Ratten-PTH (1-34) mit konstanter Rate infundiert, um bei diesen PTX-Tieren eine Normalisierung der Blutkalziumspiegel und PTH-Blutspiegel zu generieren. Alle drei Tiergruppen (SHAM, PTX und PTX+PTH) bekamen oral über das Futter zwei Wochen lang täglich Vehikel, 0.05 oder 0.10 µg/kg KG Calcitriol. Am 5. und 1. Tag vor den Versuchenden erhielten alle Tiere eine Flourochrom-Doppelmarkierung mit Calcein. Die statische und dynamische histomorphometrische Auswertung der Semidünnschnitte, die von unentkalkt in Methylmetacrylat eingebetteten Knochen gewonnen wurden, erfolgte über halb- und vollautomatische Analyseverfahren. Mit der peripheren quantitativen Computertomographie (pQCT) sind weitere Knochenparameter, darunter die Knochenmineraldichte an Tibia und Lendenwirbelkörper bestimmt worden. Aus dem Serum und dem Urin der Ratten sind knochenrelevante Parameter mit in die Beurteilung der Experimente einbezogen worden. Die Applikation von Calcitriol über die drei verschiedenen Wege zeigte unterschiedliche Wirkungen auf den Knochenstoffwechsel, so war die Bone Formation Rate (BFR) in der oral über das Futter behandelten Gruppe am stärksten ausgeprägt. Die Calcitriol-Fütterung bewirkte am Lendenwirbelkörper, nicht aber an der proximalen Tibiametaphyse, eine deutlich gesteigerte Zunahme der gesamten Knochenfläche, der Bone Area. Die gesamte Knochenmineraldichte erfuhr, verglichen mit den Kontrolltieren, in allen behandelten Gruppen eine Zunahme. Eine verminderte Knochenresorption bewirkte allerdings nur die orale Gabe von Calcitriol über das Futter. Die scheinoperierten Ratten im zweiten Tierexperiment haben bezüglich der ausgewerteten Knochenparameter gute Übereinstimmung mit der Fütterungsgruppe aus dem ersten Experiment gezeigt. Der Vergleich der parathyreoidektomierten Tiere ohne PTH-Substitution zu denen mit PTH-Substitution ergab, dass der antiresorptive Effekt von Calcitriol, gemessen Anhand der Deoxypyridinolin-Ausscheidung über die Nieren, unter der Aufrechterhaltung eines konstanten Blut-PTH-Spiegels deutlich erkennbar war. Diese Feststellung weist auf einen direkten antiresorptiven Effekt von Calcitriol am Knochen hin. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie lassen erkennen, dass die Applikationsart einen wichtigen Einfluss auf die durch Calcitriol induzierten Effekte am Knochen bei der Ratte besitzt. Der antiresorptive Effekt von Calcitriol ist nicht allein über die Suppression der PTH-Sekretion vermittelt, sondern auch über einen direkten antiresorptiven Effekt von Calcitriol am Knochen.

Anhand von 15 unfixierten Präparaten von Lendenwirbelkörpern wurde in dieser Arbeit an 56 Wirbelsegmenten die Darstellbarkeit der hyalinen Knorpelabschlussplatte mit der hochauflösenden Magnetresonanztomographie untersucht. Die Präparate wurden von Leichen entnommen und sofort tiefgefroren. Es wurden Sägeschnitte von 3 mm Dicke mit einer Bandsäge an den tiefgefrorenen Präparaten durchgeführt. Dadurch konnten die Messergebnisse korreliert und auf Validität entsprechend der magnetresonanztomographischen Schnittführung überprüft werden (coronar beziehungsweise sagittal). Zur Dokumentation wurden sämtliche Präparate fotografiert und Kontaktradiographien hergestellt. Segmente mit Modellcharakter oder besonderen Pathologien wurden fixiert, gefärbt und histologisch untersucht. Trotz der nur geringen Knorpeldicken von 0,8 cm im Durchschnitt bei den Präparaten ließen sich diese durch die hochauflösende Magnetresonanztomographie gut darstellen. Bei den T1 gewichteten MRT-Bildern konnte man gut die hyaline Knorpelabschlussplatte als signalärmeren Bereich vom Diskus intervertebralis und signalreicheren Bereich von der knöchernen Abschlussleiste differenzieren. Bei den T2- und Protonendichte-gewichteten Bildern ließ sich diese Knorpelplatte hingegen nur erahnen. Gute Darstellungen der Knorpelplatte wurden mit den Gradientenechosequenzen erzielt. Bilder von Gradientenechosequenzen mit dreidimensionaler Bildgebung waren hinsichtlich der Darstellung der Knorpelplatte der zweidimensionalen überlegen. Beste Ergebnisse wurden mit der DESS Sequenz mit einem Anregungswinkel α 40° erzielt. Bei dieser Sequenz konnte die Knorpelplatte an insgesamt 84 Prozent der Messpunkte nachgewiesen werden. Bei den untersuchten Präparaten konnten Normvarianten zahreiche Pathologien gesehen und beschrieben werden: Bei 14 der 96 untersuchten Deck- und Grundplatten der Wirbelkörper fand sich ein Cupid’s bow Phänomen. An den untersuchten Präparaten jeder Altersgruppe konnten degenerative Prozesse der Bandscheibe, der hyalinen Knorpelplatte und der knöchernen Abschlussplatte nachgewiesen werden: Bei den insgesamt 96 untersuchten Deck- und Grundplatten der einzelnen Wirbelsegmente waren 29 Schmorl’sche Knoten nachweisbar. Desweiteren sah man als Prozeß der degenerativen Bandscheibenerkrankungen die erosive intervertebrale Osteochondrose. Es konnte gezeigt werden, dass die Defekte der Erosionen durch Knorpelproliferate von Faser- und Hyalinknorpel aufgefüllt sind. Im Falle der erosiven Osteochondrose wurde ein besonderer Prozess beobachtet, und zwar die Proliferation von Knorpelgewebe in die osseären Erosionen. Es scheint sich um einen unspezifischen Reparaturmechanismus im Finalstadium der Bandscheibendegeneration zu handeln. Dieser entwickelt sich, nachdem der Faserknorpel des Diskus intervertebralis, die hyaline Knorpelplatte und die knöcherne Abschlussplatte vollständig destruiert sind. Die histologisch nachgewiesenen Knorpelproliferate wurden auf MRT-Bildern entdeckt. Der genaue Mechanismus der Knorelproliferation ist noch unbekannt. Für die Klinik dürfte aber dessen Kenntnis und die eventuelle Reproduzierbarkeit enorme Bedeutung haben.