Characterization and Optimization of Sheep as an Animal Model of Osteoporosis Follow-up of Bone Turnover Markers, Bone Mineral Density and Mechanical Properties and Bone Remodelling After Osteoporosis Induction

PhD Thesis in Veterinary Sciences - Clinic

Osteoporosis is a skeleton alteration characterized by a decrease of bone mass and strength, resulting in an increased of bone fragility and consequently fractures. This patology is the most common metabolic disorder, with a prevalence the 200 million of women worldwide affected. Therefore, osteoporosis is a global public health problem associated with a high cost to national health services. The main diagnostic tool is dual X-ray absorptiometry (DXA) or namely bone densitometry. This method allows to monitor bone mineral density (BMD) status, which can be normal, osteopenic, osteoporotic or severe osteoporotic, but not characterizing the early stages of bone loss. Thus, bone turnover markers (BTMs), which can be classified into formation, resorption and osteoclast regulatory protein, are aim of research for decades to assess the early bone remodelling. However, the high biological variability among individuals associated to analytical variability introduced by the different assay techniques is the main limitation to their clinical use due to the difficulty to establish reference ranges for serum and urinary BTM levels. Thereby, the main purpose of this work (Chapter VI) was the characterization and optimization of sheep (Portuguese Serra da Estrela breed) as an animal model of osteoporosis through the follow-up of BTMs during osteoporosis induction, and assess of BMD and mechanical properties and also bone remodelling after osteoporosis induction. In conclusion, biomarkers showed to be reliable in determining bone remodelling. However, the combination method ovariectomy (OVX) and glucocorticoid to induce osteoporosis resulted in limited trabecular alteration in vertebrae. And finally, it was verified that fouth (L4), sixth (L6) and seventh lumbar vertebrae (L7) are the most useful for further studies of vertebral augmentation or spinal fusion. Additionally, a review of the literature (Chapter III) was undertaken to summarize research on the use of sheep and goats as large animal models of human osteoporosis for preclinical and translational studies. The available data established that, the majority of studies is perfomed by isolated ovariectomized (OVX) or combined treatment with glucocorticoids (GCs) in sheep, while goat model present a limited use in these type of studies. With the knowledge acquired about the pathophysiological mechanisms, studies with sheep model should be carried out with greater confidence in obtaining transposable results for humans. A second literature review (Chapter IV) aimed to compile the available information on the use of BTMs in studies on small ruminants, specially highlighting the clinical effectiveness of BTMs in pre-clinical or translational experimental orthopaedic research and reporte a variability influence on BTMs. With a systematic literature search was demonstrated, BTMs are effective to determine the bone remodelling in small ruminants, however, the variability may be a limitation. Posteriorly, another study (Chapter V) aimed to generate a reference range for a bone resorption biomarker, tartrate-resistant acid phosphatase in sheep and validate the already published data. The data represents a useful tool in clinical orthopedic research studies and any variation verified in this marker can be explained by the well-known physiology. In summary, the work presented under the scope of this Thesis consolidates investigation in the field of BTMs in small ruminants and contributed to the characterization of the GCtreated OVX osteoporotic sheep model for pre-clinical and translational studies in orthopaedic research.

A Osteoporose é uma alteração do esqueleto caracterizado por uma diminuição da massa e força óssea, resultando num aumento da fragilidade óssea e consequentemente das fraturas. A patologia é reconhecidamente a mais frequente doença metabólica óssea, com uma estimativa de prevalência de 200 milhões de mulheres em todo o mundo. Resultando assim numa significativa questão de saúde pública agregado ao alto custo aos Serviços Nacionais de Saúde. A principal ferramenta de diagnóstico é absorciometria por duplo feixe de raio-X (DEXA) ou densitometria óssea. Este método permite mensurar a densidade mineral óssea (BMD), classificando a BMD em normal, osteopénica, osteoporótica ou osteoporose severa, não caracterizando o estágio inicial de diminuição da massa óssea. Assim, há mais de uma década os biomarcadores de remodelaçao ósseos (BTMs) têm sido estudados como meio de avaliar precocemente a remodelação óssea, sendo geralmente subdivididos em marcadores de formação, marcadores de reabsorção e proteínas reguladoras da função osteoclástica. Contudo a aplicação clínica dos BTMs é limitada devido à elevada variabilidade inter-individual associada a variabilidade analítica causada por diferentes métodos analíticos, dificultando a elaboração de um intervalo de referência para os níveis séricos e urinários. Desta forma, objetivo principal deste estudo (Capítulo VI) foi caracterizar e otimizar o modelo ovelha (raça portuguesa da Serra da Estrela), monitorizando diferentes BTMs durante a indução da osteoporose e avaliar BMD, propriedades mecânicas e remodelação óssea após a indução da osteoporose. Concluindo que os biomarcadores monstraram-se sensíveis para determinar a remodelação óssea. Contudo o método de indução de osteoporose através de glucocorticóides associado a ovariectomia (OVX) resultou em limitada alteração trabecular em vértebras. E finalmente, verificou-se que a quarta (L4), sexta (L6) e sétima vértebras lombares (L7) são as mais adequadas para futuros estudos associados a fusão espinhal e verterbroplastia. Este estudo teve adicionalmente uma revisão de literatura (Capítulo III) com o propósito de sintetizar as informações disponíveis sobre o uso de pequenos ruminantes nomeadamente ovinos e caprinos como modelo animal de osteoporose para estudos préclínicos e translacionais. Os dados disponíveis estabeleceram que a maioria dos estudos são realizados por meio de ovariectomia (OVX) ou por tratamento combinado com glucocorticóides (GCs) em ovelhas, enquanto que o número de estudos utilizados o modelo caprino é limitado. E com o conhecimento dos mecanismos patofisiológicos adquiridos, estudos com o modelo ovino deveriam ser desenvolvidos com maior confiança com o propósito da obtenção de resultados transponíveis para humanos. Uma segunda revisão de literatura (Capítulo IV) objetivou compilar informações disponíveis sobre uso de BTMs em estudos com pequenos ruminantes, com atenção à eficácia clínica de BTMs em estudos ortopédicos pré-clínicos e translacionais e sobre a influência da varialibilidade sobre os BTMs. Após uma pesquisa sistemática da literatura científica, ficou demonstrado que os BTMs são adequados para determinar a remodelação óssea em pequenos ruminantes, entretanto a variabilidade pode ser um factor limitante. Posteriormente foi conduzido outro estudo (Capítulo V) com o objetivo de gerar um intervalo de referência a um biomarcador de reabsorção óssea, a fosfatase ácida resistente ao tartarato em ovelhas, e deste modo validar com dados publicados. Os dados obtidos representam uma ferramenta útil em estudos clínicos de pesquisa ortopédica, e toda a variação verificada no marcador pode ser explicada pela fisiologia conhecida. Assim, o trabalho apresentado no âmbito desta Tese consolida a investigação no campo dos BTMs em pequenos ruminantes e contribui para a caracterização do modelo ovino osteoporótico após OVX e administração de GCs para estudos pré-clínicos e translacionais em pesquisas ortopédicas