Das juvenile Schaf als Modelltier für orthopädische Studien

In der humanmedizinischen Forschung wird das Schaf häufig als Modelltier für orthopädische Fragestellungen eingesetzt. Für Studien über das wachsende Skelett werden juvenile Tiere eingesetzt werden. Zur Definition von pathologischen Situationen müssen zunächst die physiologischen Veränderungen während des Wachstums bekannt sein. Im adulten Individuum gelten Sehnen, Bänder, Meniskus und Gelenkknorpel im Allgemeinen als wenig aktive Gewebe. Sie sind in Aufbau und Zusammensetzung den mechanischen Belastungen angepasst. Zwar wird die vorhandene Matrix laufend durch neue ersetzt (Erhaltungsumsatz), es handelt sich dabei jedoch um Aktivitäten auf niedrigem Niveau. Ziel dieser Studie war es, die postnatale Entwicklung von Sehne, Kreuzband, Meniskus und Gelenkknorpel beim Schaf in den ersten 40 Lebenswochen darzustellen. Immunhistochemisch und molekularbiologisch wurde insbesondere die Produktion von Wachstumsfaktoren und Strukturproteinen untersucht. Die untersuchten Gewebe stammten von Tieren im Alter von einer, acht, 18, 22, 28 und 40 Wochen. Histologisch wurde eine qualitative Auswertung und histomorphometrische Analyse durchgeführt. Unterschiede in der Zelldichte, Zell- und Kernmorphologie, Blutgefäßdichte sowie der Struktur der extrazellulären Matrix konnten identifiziert werden. Der grundsätzliche Aufbau der Gewebe war schon bei einem einwöchigen Tier gegeben. Die Zell- und Gefäßdichte nahm in allen Geweben ab. Der Entwicklungsprozess des Knorpels zeigte deutliche Veränderungen in der Struktur, von einem wenig geordneten, hyperzellulären Gewebe zu einem komplexen Gefüge mit vier differenzierbaren Zonen. Die wenigsten Veränderungen wies der Meniskus auf. Die Differenzierung in drei Zonen war im einwöchigen Tier schon deutlich und über die Zeit zeigten sich kaum Veränderungen. Vergleiche zu exitierenden Daten vom Menschen, lassen eine ungefähre Korrelation eines 18 Wochen alten Schafes mit den Geweben eines 6-10 jährigen Kindes zu. Mittels immunhistochemischer Methoden konnte ein Nachweis von α-smooth muscle actin (ASMA), vascular endothelial growth factor (VEGF) und transforming growth factor-β (TGF-β) in den gesunden Geweben der wachsenden Schafe erbracht werden. Im Knorpel war weder VEGF noch TGF-β detektierbar. VEGF und ASMA zeigten im einwöchigen Tier das deutlichste Auftreten. In den älteren Tieren nahm die Dichte der positiv markierten Zellen ab. Je nach Gewebe und Antigen variierte die Abnahme im Verlauf des Wachstums. Der Nachweis von TGF-β in der Sehne und dem Kreuzband konnte konstant in jedem Alter auf geringem Niveau erbracht werden. Zur Genexpressionsanalyse mit der qRT-PCR wurden Assays für die Wachstumsfaktoren VEGF, TGF-β, platelet-derived growth factor (PDGF), fibroblast growth factor (FGF2) und bone morphogenetic growth factor 2 (BMP2) sowie für die Strukturproteine Kollagen Typ I-III und ASMA etabliert. Mit den entwickelten Assays konnte die cDNA jedes Zielgens erfolgreich und spezifisch amplifiziert werden. Die höchste Expression der Mehrzahl der Wachstumsfaktoren war während der ersten acht Lebenswochen zu ermitteln. Mit wenigen Ausnahmen zeigten die untersuchten Zielgene mit zunehmendem Alter eine sinkende Tendenz der Expression. Die VEGF und FGF2 Expression in der Sehne und dem Kreuzband blieb weitgehend konstant, während die Expression von BMP2 im Kreuzband und von TGFB2 in der Sehne anstieg. Die biomechanischen Eigenschaften des femoralen Gelenkknorpels wurden von Schafen im Alter von 22, 28 und 40 Wochen mittels der Indentationsmessung ermittelt. Aus den ermittelten Werten für die Kompression im Equilibrium und der Knorpeldicke wurde der Elastizitätsmodul errechnet. Daraus ergaben sich Werte von 0,633±0,172, 0,686±0,216 bzw. 0,9±0,146 MPa für die 22, 28 bzw. 40 Wochen alten Tiere. Die 22 und 28 Wochen Gruppe unterschieden sich damit nicht signifikant. Der Knorpel der 40 Wochen Gruppe war aber signifikant steifer als der Knorpel der 22 Wochen Gruppe (p=0,013) und der 28 Wochen Gruppe (p=0,029). Die Steifigkeit des Knorpels nahm somit während des Wachstums zu. Die Ergebnisse der hier vorgenommenen Untersuchungen ermöglichen einen Vergleich der histologischen, molekularbiologischen und biomechanischen Gegebenheiten mit denen anderer Tierspezies und des Menschen während des Wachstums. Die Wahl eines Modelltieres und der passenden Altersstufe für zukünftige Studien an wachsenden Individuen kann damit erleichtert und die Vergleichbarkeit der Untersuchungen unterstützt werden.