Bestimmung kortikaler Knochenqualität durch Ultraschallbiomarker - Beziehungen zu Porosität, Elastizität und Bruchfestigkeit

• Antragsteller: Professor Dr. Claus-Christian Glüer; Professor Dr. Kay Raum
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 259151931

Osteoporose (OP) ist eine der bedeutendsten globalen Gesundheitsprobleme unserer alternden Gesellschaft. OP reduziert die Mobilität und Lebensqualität, erhöht die Sterblichkeitsrate und verursacht enorme gesundheitsökonomische Kosten. OP und andere degenerative Knochenerkrankungen werden durch eine Disbalance zwischen Knochenauf- und abbau hervorgerufen, was zu einer Rarifizierung des trabekulären Netzwerks und zu einer Akkumulation von nur teilweise wiederaufgefüllten Basic Multicelluar Units (BMUs) im kortikalen Knochen führt. In der Folge wird die kortikale Wand dünner, die Porosität höher, es kommt zu Veränderungen der Elastizität und letztlich zu einer Reduzierung der Bruchfestigkeit.OP ist ein der am meisten nicht diagnostizierten Erkrankungen. Die etablierte Knochenmineraldichtemessung mit Hilfe der Dual Energy Röntgenabsorptiometrie (DEXA) kann nur ~60% des individuellen Frakturrisikos vorhersagen und eignet sich aufgrund der ionisierenden Strahlung nur bedingt als longitudinale Screening-Methode.Die Fokussierung der Diagnostik der Bruchfestigkeit auf trabekuläre Bereiche hat zu einer Vernachlässigung der Rolle des Knochenverlusts im kortikalen Knochen bei der Pathogenese der Knochenfragilität und der Inzidenz von Frakturen in älteren Menschen (> 65 Jahren) geführt. Neuere Studien deuten darauf hin, daß die Diagnose der Knochendegeneration und die Bestimmung des Frakturrisikos eine genaue Untersuchung des kortikalen Knochens einschließen sollte. Kortikaler Knochenverlust läßt sich mit den etablierten Röntgenbasierten Methoden nur bedingt abschätzen. Neuere innovative Ansätze mit quantitativem Ultraschall nutzen geführte und gestreute Wellen zur Untersuchung von kortikalem Knochen. Verschiedene modellbasierte Ansätze versuchen das inverse Problem zu lösen, d.h. effektive Elastizitätsparameter, intrakortikale Porosität, und kortikale Wanddicke individuell aus den gemessenen Schallparametern abzuschätzen.In diesem Kooperationsprojekt sollen neue Ultraschall-basierte Biomarker für den kortikalen Knochenverlust an Tibia und Femur durch die quantitative Bestimmung von kortikaler Dicke, Elastizität, Porosität mit Hilfe von multidirektionalen geführten und gestreuten Wellen etabliert werden. Diese Biomarker werden mit der lokalen und proximalen Femur-Bruchfestigkeit verglichen. Dazu werden multimodale ex-vivo Untersuchungen in Femur-Tibia Paaren von humanen Spendern durchgeführt. Struktur, elastische und Versagenseigenschaften des nativen kortikalen Gewebes werden mit Hilfe von Akustischer Mikroskopie, Mikrocomputertomographie (µCT), Ultraschallresonanzspektroskopie und mechanischen Bruchtests untersucht. Die proximale Femurbruchfestigkeit wird experimentell und mit Hilfe von CT basierten Finite-Elementanalysen bestimmt. Durch diese Ultraschallbiomarker werden neue Perspektiven für die Diagnose und das Monitoring von degenerativen Knochenpathologien erwartet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Großgeräte: Data Acquisition Box
• Gerätegruppe: 7320 Meßstellenumschaltgeräte, Data-Logger, Multiplexer
• Beteiligte Person: Professor Dr. Quentin Grimal