Biomarker der Knochengewebemodellierung zur präoperativen Beurteilung der Knochenqualität – eine prospektive Untersuchung der 3D-Knochenmikrostruktur und der Kollagenmodifikationen im humanen Knochengewebe

Abstract-Text deutsch

Einleitung: Effektive Methoden zur präoperativen Bewertung der Knochenqualität sind limitiert und die Standardmethode zur Bestimmung der Knochenqualität erfordert eine invasive Biopsie. Daher wäre eine nicht-invasive und präoperativ verfügbare Methode zur Bewertung der Knochenqualität von relevantem klinischem Nutzen. Ziel unserer Studie ist es, den Zusammenhang zwischen Biomarkern des Knochenaufbaus, der Knochen alkalischen Phosphatase (BAP) im Serum, und dem Knochenresorptionsmarker, dem kollagenvernetzten N-Telopeptid (uNTX) im Urin, und 1) der volumetrischen Knochendichte (vBMD), 2) den fluoreszierenden advanced glycation endproducts (fAGEs) und 3) der Knochenmikroarchitektur zu untersuchen.

Methoden: Es wurde eine Querschnittsanalyse mit prospektiven Daten von Patienten durchgeführt, die sich einer lumbalen Wirbelsäulenfusion unterzogen haben. BAP und uNTX wurden präoperativ erhoben. An der Lendenwirbelsäule wurde eine quantitative Computertomographie (QCT) durchgeführt (vBMD≤120mg/cm3 osteopen/osteoporotisch). Knochenbiopsien aus der hinteren oberen Darmbeinwirbelsäule wurden entnommen und mit Multiphotonen-Fluoreszenzmikroskopie für fAGEs und Mikrocomputertomographie (μCT) für die Knochenmikroarchitektur analysiert. Die Korrelationen zwischen BAP/uNTX und 1) vBMD, 2) fAGEs und 3) μCT-Parametern wurden mit Spearman's ρ evaluiert. Eine ROC-Analyse (Receiver Operating Characteristic) bewertete BAP und uNTX als Prädiktoren für Osteopenie/Osteoporose. Multivariable lineare Regressionsmodelle mit Anpassungen für Alter, Geschlecht, BMI, Ethnie und Diabetes Mellitus ermittelten Zusammenhänge zwischen BAP/uNTX und fAGEs.

Ergebnisse: 127 prospektiv eingeschlossene Patienten (50,4% weiblich, 62,5 Jahre, BMI 28,7 kg/m2) wurden analysiert. uNTX (ρ=-0,331,p<0,005) und BAP (ρ=-0,245,p<0,025) nahmen mit den kortikalen fAGEs ab, und uNTX (ρ=-0,380,p<0,001) nahm mit den trabekulären fAGEs ab. BAP und uNTX zeigten keine signifikante Korrelation mit vBMD. Die ROC-Analyse für BAP und uNTX ergab eine Differenzierung von osteopenem/osteoporotischen und normalen Knochen mit einer AUC von 0,477 bzw. 0,561. In der multivariablen Analyse nahm uNTX mit zunehmenden trabekulären fAGEs nach Anpassung von Einflussfaktoren ab (β=0,923;p=0,031).

Schlussfolgerung: Diese Studie zeigte einen inversen Zusammenhang zwischen Biomarkern der Knochengewebemodellierung und fAGEs. Sowohl uNTX als auch BAP konnten Osteopenie/Osteoporose an der Wirbelsäule nicht vorhersagen. uNTX spiegelt Kollageneigenschaften des Knochens wider und könnte als nicht-invasives Instrument zur Beurteilung der Knochenqualität in der Wirbelsäulenchirurgie eine ergänzende Rolle zu vBMD einnehmen.

Abstract-Text englisch

Background: Effective tools to evaluate bone quality preoperatively are scarce and the standard method to determine bone quality requires an invasive biopsy. Therefore, a non-invasive, and preoperatively available method for bone quality assessment would be of clinical value. The aim of our study is to investigate the associations of bone formation marker, serum bone alkaline phosphatase (BAP), and bone resorption marker, urine collagen cross-linked N-telopeptide (uNTX) to 1) volumetric bone mineral density (vBMD), 2) fluorescent advanced glycation endproducts (fAGEs) and 3) bone microarchitecture.

Methods: A cross-sectional analysis using prospective data of patients undergoing lumbar spinal fusion was performed. BAP and uNTX were preoperatively collected. Quantitative computed tomography (QCT) was performed at the lumbar spine (vBMD≤120mg/cm3 osteopenic/osteoporotic). Bone biopsies from the posterior superior iliac spine were obtained and evaluated with multiphoton fluorescence microscopy for fAGEs and microcomputed tomography (μCT) for bone microarchitecture. Correlations between BAP/uNTX to 1) vBMD, 2) fAGEs and 3) μCT parameters were assessed with Spearman"s ρ. Receiver operating characteristic (ROC) analysis evaluated BAP and uNTX as predictors for osteopenia/osteoporosis. Multivariable linear regression models with adjustments for age, sex, BMI, race and diabetes mellitus determined associations between BAP/uNTX and fAGEs.

Results: 127 prospectively enrolled patients (50.4% female, 62.5 years, BMI 28.7 kg/m2) were analyzed. uNTX (ρ=-0.331,p<0.005) and BAP (ρ=-0.245,p<0.025) decreased with cortical fAGEs, and uNTX (ρ=-0.380,p<0.001) decreased with trabecular fAGEs. BAP and uNTX revealed no significant correlation with vBMD. ROC analysis for BAP and uNTX discriminated osteopenia/osteoporosis with an AUC of 0.477 and 0.561, respectively. In the multivariable analysis, uNTX decreased with increasing trabecular fAGEs after adjusting for covariates (β=0.923;p=0.031).

Conclusion: This study demonstrated an inverse association of bone turnover markers and fAGEs. Both uNTX and BAP could not predict osteopenia/osteoporosis in the spine. uNTX reflects collagen characteristics and might have a complementary role to vBMD, as a non-invasive tool for bone quality assessment in spine surgery.