Knochenmineraldichte und Mikroarchitektur verändern sich während des Skelettwachstums bei Seehunden (Phoca vitulina) an der deutschen Küste

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 7196 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Über alle Arten hinweg hat das Skelettsystem gemeinsame Funktionen, einschließlich des Schutzes innerer Organe, der strukturellen Grundlage für die Fortbewegung und der Funktion als endokrines Organ, und ist daher von zentraler Bedeutung für das Überleben. Allerdings sind die Erkenntnisse über die Skeletteigenschaften von Meeressäugern, insbesondere über das wachsende Skelett, begrenzt. Seehunde (Phoca vitulina) sind weit verbreitete Meeressäugetiere der Nord- und Ostsee und geeignete Indikatoren für den Zustand ihres Ökosystems. Hier analysierten wir die flächenhafte Knochenmineraldichte (aBMD) des gesamten Körpers mittels Dual-Energy-Röntgenabsorptiometrie (DXA) und die Lendenwirbel mittels hochauflösender peripherer quantitativer Computertomographie (HR-pQCT) bei neugeborenen, jugendlichen und erwachsenen Seehunden . Entlang des Skelettwachstums ging ein Anstieg der zweidimensionalen aBMD durch DXA mit einem dreidimensionalen volumetrischen BMD durch HR-pQCT einher, was auf eine zunehmende Trabekeldicke bei konstanter Trabekelzahl zurückgeführt werden konnte. Es wurden starke Zusammenhänge zwischen Körpermaßen (Gewicht und Länge) und aBMD und trabekulärer Mikroarchitektur beobachtet (R2 = 0,71–0,92, alle p < 0,001). Um die Ergebnisse der DXA-Messung (d. h. der weltweit verwendeten Standardmethode zur Diagnose von Osteoporose beim Menschen) zu validieren, führten wir lineare Regressionsanalysen mit den dreidimensionalen Messungen der HR-pQCT-Methode durch, die starke Assoziationen zwischen den beiden bildgebenden Verfahren ergaben (z. B. aBMD und Tb.Th: R2 = 0,96, p < 0,0001). Zusammenfassend unterstreichen unsere Ergebnisse die Bedeutung systematischer Skelettuntersuchungen bei Meeressäugetieren während des Wachstums und veranschaulichen die hohe Genauigkeit von DXA in diesem Zusammenhang. Unabhängig von der begrenzten Probengröße dürfte die beobachtete Trabekelverdickung ein deutliches Muster der Wirbelknochenreifung darstellen. Da sich unter anderem Unterschiede im Ernährungszustand wahrscheinlich auf die Gesundheit des Skeletts auswirken, erscheint es unerlässlich, routinemäßig Skelettuntersuchungen bei Meeressäugetieren durchzuführen. Wenn die Ergebnisse in den Kontext der Umweltexposition gestellt werden, könnten wirksame Maßnahmen zum Schutz ihrer Bevölkerung möglich sein.

Seehunde (Phoca vitulina) sind häufige Meeressäugetiere an der deutschen Küste und kommen in der Nord- und Ostsee vor. Da sie Spitzenprädatoren und langlebige Meeressäugetiere sind (20–25 Jahre für Männchen und 30–35 Jahre für Weibchen) und ein kleines Verbreitungsgebiet haben, sind sie ein geeigneter Indikator für den Zustand ihres Ökosystems1,2,3. Mehrere Studien berichten über unterschiedliche anthropogene Einflüsse und deren Auswirkungen auf das Immun-, Hormon- und Fortpflanzungssystem von Seehunden in der Nord- und Ostsee2,4,5,6. Allerdings haben nur wenige Studien das Skelettsystem und mögliche Veränderungen aufgrund verschiedener Stressfaktoren untersucht7,8.

Trotz grundlegender Umweltunterschiede, beispielsweise zwischen Meer und Land, hat das Skelettsystem bei allen Arten ähnliche Funktionen. Es können mindestens fünf gemeinsame Merkmale des Skeletts definiert werden, darunter die Bereitstellung der strukturellen Grundlage für die Fortbewegung, der Schutz innerer Organe, der Hauptspeicher für Kalzium, Knochen als endokrines Organ und die Schallübertragung beim Hören9,10. Der Knochenumbau erfolgt lebenslang durch ein Gleichgewicht zwischen Knochenbildung und -resorption, das eng miteinander verbunden ist und von zwei verschiedenen Knochenzelltypen durchgeführt wird, nämlich knochenbildenden Osteoblasten und knochenresorbierenden Osteoklasten11. Neben diesen beiden Zelltypen (d. h. Osteoblasten und Osteoklasten) stellen in der Matrix eingebettete mechanosensitive Osteozyten den am häufigsten vorkommenden Zelltyp dar, der den Umbauprozess durch verschiedene Prozesse koordiniert, einschließlich der Produktion von Signalproteinen und Hormonen12,13. Spezifische Veränderungen der Osteozyteneigenschaften, nämlich eine geringere Anzahl von Osteozytenlücken pro Knochenbereich als unterer Lückenbereich, wurden zuvor bei Pottwalen im Vergleich zu anderen Walarten nachgewiesen, da tiefes Tauchen mit einer verringerten Lebensfähigkeit der Osteozyten verbunden sein kann14. Der Umbauprozess reagiert sehr empfindlich auf Umweltveränderungen und wird daher auch von mehreren Faktoren beeinflusst, wie unter anderem Vitaminen, Hormonen, Nährstoffen und Schadstoffen15,16,17. Darüber hinaus können Störungen oder Veränderungen der Knochenqualität erhebliche Auswirkungen auf die allgemeine Gesundheit oder Physiologie eines Menschen haben18.

In der Humanmedizin wird die Knochendichtemessung zur Diagnostik und Therapieüberwachung von Knochenerkrankungen im klinischen Alltag eingesetzt, wobei die Dual-Energy-Röntgenabsorptiometrie (DXA) das Goldstandardverfahren darstellt19. Die flächenhafte Knochenmineraldichte (aBMD) wird beim Menschen zur Definition von Osteoporose und zur Beurteilung des Frakturrisikos verwendet20. Allerdings wird ein relevanter Anteil der Personen mit für Osteoporose charakteristischen Fragilitätsfrakturen nicht durch DXA identifiziert, sondern durch die Bewertung der Knochenmikroarchitektur mittels hochauflösender peripherer quantitativer Computertomographie (HR-pQCT)21. HR-pQCT wurde als In-vivo-Nachfolger von Micro-CT22 entwickelt, um dessen auf kleinere Ex-vivo-Proben beschränkte Analysefähigkeit zu umgehen, und hat seitdem einen erheblichen Mehrwert in der klinischen Routinepraxis und in der Skelettforschung gezeigt23. In diesem Sinne ermöglichen dreidimensionale HR-pQCT-Analysen die Beurteilung von Parametern der Knochenmikroarchitektur wie der Trabekeldicke (Tb.Th) oder der dreidimensionalen Trabekelknochenmineraldichte (Tb.BMD), die bisher auf Ex-vivo-Bewertungen wie z B. Knochenhistomorphometrie oder quantitative Rückstreuelektronenbildgebung (qBEI).

Wildtierstudien zum Skelett sind vergleichsweise begrenzt, aber in den letzten Jahren ist ein deutlicher Anstieg der Zahl der Berichte zu verzeichnen8,15,24,25. Eine Meeresart ist der Große Große Tümmler (Tursiops truncatus), bei dem aBMD in verschiedenen Altersstufen gemessen wird17,23. Die Autoren zeigten, dass die aBMD von Großen Tümmlern mit zunehmendem Alter zunimmt, obwohl eine erhebliche Varianz der aBMD festgestellt wurde23. DXA wurde hauptsächlich zur Messung der aBMD bei verschiedenen Tierarten und zur Untersuchung verschiedener Knochenzustände eingesetzt15,26,27, da diese Methode weltweit verfügbar ist und eine ausgezeichnete Validität aufweist. Solche Untersuchungen sind wichtig, da zahlreiche verschiedene Umwelt- und anthropogene Stressfaktoren (z. B. Schadstoffe oder Überfischung) den Gesundheitszustand von Meeressäugetieren beeinflussen. Eine Studie an Ringelrobben (Pusa hispida) zeigte kritische Auswirkungen von Schadstoffen auf aBMD14. Meeressäugetiere stehen am Ende der Nahrungskette und können daher auch auf mögliche gesundheitliche Auswirkungen für den Menschen hinweisen. Darüber hinaus sind Meeressäugetiere Schlüsselarten für ihre Ökosysteme, da sie eine wichtige Rolle bei der Strukturierung des Ökosystems, in dem sie leben, spielen. Diese kombinierten Aspekte machen sie zu guten Gesundheitsindikatoren1,28. Insbesondere das Skelett kann analysiert werden, um relevante Informationen über Wachstum, Blutproduktion, Fortpflanzung sowie Mineral- und Energiespeicherung abzuleiten29. In diesem Sinne haben frühere Knochenuntersuchungen entscheidende Informationen über Einzelpersonen ergeben, wie etwa eine verringerte Knochenmasse oder pathologische Veränderungen wie eine erhöhte Porosität bei ostgrönländischen Eisbären, baltischen Kegelrobben und Florida-Pumas27,30,31,32 oder sogar traumatische Veränderungen wie z Brüche bei Schweinswalen33. Allerdings ist die Diagnose von Osteoporose bei Meeressäugern (einschließlich Seehunden) noch nicht standardisiert. Daher scheint es von entscheidender Bedeutung zu sein, diese Technologien auf die Wildtierforschung und den Naturschutz zu übertragen.

Da das Skelett während des Wachstums eine bemerkenswerte Entwicklung durchläuft, einschließlich eines schnellen Wachstums in den ersten Lebensjahren von Säugetieren34, könnte die Definition altersspezifischer Merkmale von Seehunden von zentraler Bedeutung sein. Während eine Studie altersbedingte Veränderungen in der Mikroarchitektur des Unterkiefers von Seehunden an der deutschen Küste untersuchte8, liegen keine Berichte über vertebrale aBMD oder Parameter der Knochenmikroarchitektur vor. Da die Wirbelsäule für die funktionelle Integrität des Skeletts und damit für das Überleben des Tieres von Bedeutung ist, untersuchten wir in dieser Studie neun Seehunde aus drei verschiedenen Altersgruppen mittels DXA und HR-pQCT, um die Skelettmerkmale und deren Zusammenhang mit dem Alter zu bestimmen .

Die Proben stammen von Seehunden, die von Jägern an den deutschen Küsten tot, beigefangen oder eingeschläfert wurden, weil sie unter Bedingungen lebten, die nicht mit dem Überleben vereinbar waren, darunter völlige Apathie, leichte bis starke Husten- und Atemgeräusche, manchmal auch eine blutige Nase (Abb. 1A). Fünf der neun untersuchten Seehunde wurden tot aufgefunden, während die anderen Säugetiere eingeschläfert werden mussten (Tabelle 1). Um eine geschlechtsspezifische Verzerrung der Skelettparameter zu verhindern15, wurden nur weibliche Tiere einbezogen. Es wurde eine Stichprobe von neun Seehunden untersucht, jeweils drei für eine Altersgruppe. Länge und Körpergewicht einschließlich Speck wurden bei den Tieren gemessen und ihr Ernährungszustand wurde anhand der Dicke des Specks, gemessen am Hals (dorsal und ventral) und des Zustands der Muskeln bestimmt35,36. In diesem Sinne wurde es als schlecht (5–20 mm), mäßig (21–30 mm) oder gut (31–50 mm) definiert. Auf diese Weise wurden sie in Neugeborene (≤ 8 Wochen nach der Geburt), Jugendliche (8 Wochen bis 5 Jahre) oder Erwachsene (über 5 Jahre) eingeteilt. Die Obduktionen von Robben basieren auf den internationalen Richtlinien für Wale36. Sieben der neun Tiere wurden aus der Nordsee, zwei aus der Ostsee gesammelt. Alle Tiere wurden zwischen 2018 und 2021 gesammelt. Die Tiere wurden das ganze Jahr über gefunden, einschließlich der Brut- und Häutungssaison. Das genaue Alter von fünf Tieren wurde anhand der gezählten Wachstumsschichten im Zement der Eckzähne bestimmt, wie von Lockyer et al.37 beschrieben, da bei Tieren, die jünger als 1,5 Jahre sind, die Wachstumsschichten im Zement nicht leicht sichtbar sind. Die Altersbestimmung neugeborener Seehunde basierte auf äußeren Merkmalen, darunter der Jahreszeit, in der sie gefunden wurden, und der bekannten Geburtszeit. Die Einteilung in die Altersklassen (Neugeborene, Jugendliche und Erwachsene) erfolgt anhand der Körperlänge36. In dieser Studie wurden keine lebenden Tiere verwendet.

Karte der untersuchten Seehunde und Bildgebungsmethodik. (A) Das Dreieck zeigt die Neugeborenen, die Kreise zeigen die Jungtiere und die Sterne sind die erwachsenen Seehunde. Die Karte wurde mit der ArcGIS-Software (ArcMap Version 10.6.1) erstellt. (B) Dreidimensionale Rekonstruktion segmentierter Lendenwirbel (oberes linkes Feld), gescannt mit HR-pQCT und einer sagittalen Ansicht, um das gescannte interessierende Volumen anzuzeigen (VOI, weiß konturiert).

Zur Beurteilung der aBMD wurde eine Dual-Energy-Röntgenabsorptiometrie (DXA, Lunar Prodigy iDXA; GE Healthcare, Madison, WI, USA) durchgeführt. Das DXA-Gerät wurde täglich mit einem vom Hersteller bereitgestellten Phantom kalibriert, um die Gültigkeit des Scans sicherzustellen. Für die Analyse wurde das gesamte Tier auf den Tisch des Scanners gelegt und ein Ganzkörperscan durchgeführt. Anschließend wurde der aBMD mit der Software des Herstellers (enCORE-software v15-GE Healthcare Lunar, Buckinghamshire, UK) berechnet, die den BMD in Gramm pro Quadratzentimeter (g/cm2) ermittelte15. Jeder Scan wurde manuell auf korrekte Knochensegmentierung überprüft. Für nachfolgende Analysen wurden Gesamtkörper-aBMD-Werte verwendet.

Nach der Autopsie35 wurden die Lendenwirbel in 3,7 % Formaldehyd fixiert. Zur Beurteilung der trabekulären Knochenmikroarchitektur wurden HR-pQCT-Messungen (XtremeCT II®, Scanco Medical AG, Brüttisellen, Schweiz) am gesamten Wirbel unter Verwendung eines vom Hersteller bereitgestellten Ex-vivo-Protokolls (60 kVp, 900 µA, 100 ms) durchgeführt Integrationszeit, Voxelgröße von 42 µm, Abb. 1B). Die Datenkonsistenz wurde durch die tägliche Verwendung des Kalibrierungsphantoms sichergestellt. Während des Scans wurden die Proben in speziellen Abgüssen fixiert. Innerhalb eines standardisierten zylindrischen Volumens von Interesse (VOI) zwischen den Epiphysen der Wirbel (Abb. 1B) wurde ein dreidimensionaler mikroarchitektonischer Datensatz erstellt und trabekuläre Parameter berechnet, einschließlich der trabekulären volumetrischen Knochenmineraldichte (Tb.BMD, mgHA/ cm3), Knochenvolumen pro Gewebevolumen (BV/TV), Trabekeldicke (Tb.Th, mm) und Trabekelzahl (Tb.N, 1/mm)23.

Die statistische Analyse wurde mit GraphPad Prism (Version 8.4.0, GraphPad Software, Inc., La Jolla, CA, USA) durchgeführt. Die Normalverteilung der Daten wurde mit dem Shapiro-Wilk-Test getestet. Da alle Daten normalverteilt waren, wurden für den Vergleich der drei Gruppen eine einfache ANOVA und wiederholte Messungen mit Tukey-Korrektur durchgeführt. Zur Analyse eines Zusammenhangs zwischen DXA-Werten, Körperlänge oder -gewicht und Parametern der Knochenmikroarchitektur wurden lineare Regressionsanalysen durchgeführt und das Bestimmtheitsmaß R2 sowie die Regressionssteigungen mit Konfidenzintervallen (CIs) berechnet. Die Ergebnisse werden als absolute Werte oder als Mittelwert ± Standardabweichung (SD) angegeben. Die gestrichelten Linien der abgeschnittenen Violindiagramme stellen den Median und die Quartile dar. Das Signifikanzniveau wurde als p < 0,05 definiert. Exakte p-Werte werden angegeben, es sei denn, p < 0,0001.

Das Institut für terrestrische und aquatische Wildtierforschung (TAW) wurde vom MEKUN (Ministerium für Energiewende, Klimaschutz, Umwelt und Natur) autorisiert, Gesundheitsüberwachungen für tote oder gestrandete Tiere durchzuführen und verfügt über alle dafür erforderlichen Genehmigungen.

Der Ernährungszustand variierte zwischen den Säugetieren. Bei allen Neugeborenen wurde Abmagerung (d. h. schlechter Ernährungszustand) diagnostiziert, während der Ernährungszustand bei zwei der drei Jungtiere als mäßig und bei den übrigen Tieren als gut eingestuft wurde. Alle neugeborenen Seehunde starben an Kachexie aufgrund der Trennung von der Mutter. Eines der Jungtiere hatte eine Bronchopneumonie mit Endoparasitose, während bei den anderen beiden Jungtieren die Todesursache nicht eindeutig geklärt werden konnte (Tabelle 1). Die drei Erwachsenen starben an verschiedenen Krankheiten: Ein Tier hatte eine Gastritis mit einer hochgradigen Parasitose des Magens, bei einem Tier wurde eine Darmverdrängung festgestellt und das letzte Tier starb an den Folgen einer Fehlgeburt mit Uterusruptur und inneren Blutungen, was u. a Sepsis und ein damit verbundener Schock.

Zur Beurteilung der Skelettmerkmale haben wir die DXA-Messungen nach Altersgruppen ausgewertet. Bemerkenswerterweise wurde ein Anstieg der aBMD mit zunehmendem Alter beobachtet, mit signifikanten Unterschieden zwischen Erwachsenen und Neugeborenen sowie zwischen Erwachsenen und Jugendlichen, nicht jedoch zwischen Neugeborenen und Jugendlichen (Abb. 2A). Ebenso war die aus HR-pQCT abgeleitete Tb.BMD bei Erwachsenen im Vergleich zu Neugeborenen und Jugendlichen signifikant höher (Abb. 2B). Bei der Analyse dreidimensionaler Parameter der Knochenmikroarchitektur wurden signifikante Unterschiede von BV/TV (Abb. 2C) zwischen den einzelnen Altersgruppen beobachtet, die auf einen Anstieg von Tb.Th (Abb. 2D) zurückgeführt werden konnten. Für Tb.N wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen den Altersgruppen beobachtet (p = 0,247, Abb. 2E).

Skelettparameter zwischen den verschiedenen Altersgruppen. (A) DXA-abgeleitete flächenhafte Knochenmineraldichte (aBMD) und (BE) HR-pQCT-abgeleitete trabekuläre Knochenmikroarchitektur einschließlich (B) trabekulärer BMD (Tb.BMD), (C) Knochenvolumen pro Gesamtvolumen (BV/TV) , (D) Trabekeldicke (Tb.Th) und (E) Trabekelzahl (Tb.N). Für die paarweisen Vergleiche werden nur signifikante p-Werte (< 0,05) angegeben. Neonaten, Juv-Jugendliche, Adu-Erwachsene.

Bei der Bewertung des Zusammenhangs zwischen Gewicht und densitometrischen oder mikroarchitektonischen Parametern wurden für alle Parameter starke Zusammenhänge beobachtet (Abb. 3A, B). Insbesondere zeigten sich die stärksten Regressionen zwischen Körpergewicht und aBMD sowie Tb.Th (R2 = 0,92, p < 0,0001 bzw. R2 = 0,87, p = 0,0003). Vergleichbar starke Assoziationen wurden zwischen Körperlänge und aBMD als BV/TV festgestellt, wohingegen dreidimensionale Tb.BMD mäßige bis starke Assoziationen mit Körpergewicht (R2 = 0,75, p = 0,003) und Länge (R2 = 0,71, p = 0,005, Abb. 3C,D). Interessanterweise wurde für Tb.N kein Zusammenhang mit Körpergewicht und Körperlänge beobachtet (R2 = 0,028, p = 0,669 bzw. R2 = 0,099, p = 0,408).

Zusammenhang zwischen Körpergewicht oder -länge und Skelettparametern. Lineare Regressionsanalyse des Körpergewichts und (A) der DXA-abgeleiteten Flächenknochenmineraldichte (aBMD) und (B) der HR-pQCT-abgeleiteten trabekulären Knochenmikroarchitektur einschließlich trabekulärer BMD (Tb.BMD), Knochenvolumen pro Gesamtvolumen (BV/TV). ) und Trabekeldicke (Tb.Th). Lineare Regressionsanalyse der Körperlänge und (C) aBMD und (D) trabekulärer Knochenmikroarchitektur.

Da die HR-pQCT-Analyse nicht so allgemein verfügbar ist wie die DXA-Analyse, wollten wir schließlich die Ergebnisse der DXA- und HR-pQCT-Messungen vergleichen, um die Frage der Übertragbarkeit auf die klinische Routine zu beantworten. Bemerkenswert ist, dass starke positive Assoziationen zwischen der zweidimensionalen aBMD und den meisten dreidimensionalen Parametern der Knochenmikroarchitektur zwischen den beiden Bildgebungsmodalitäten beobachtet wurden (Abb. 4). In diesem Sinne zeigten aBMD und volumetrische BMD (d. h. Tb.BMD) starke Assoziationen (R2 = 0,87, p = 0,0002), vergleichbar mit BV/TV (R2 = 0,86, p = 0,0003), die von Tb.Th übertroffen wurde (R2 = 0,96, p < 0,0001). Interessanterweise wurde kein Zusammenhang zwischen aBMD und Tb.N beobachtet, der unabhängig vom Anstieg der aBMD stabil blieb (R2 = 0,047, p = 0,577).

Zusammenhang zwischen Skelettparametern, die aus DXA- und HR-pQCT-Messungen abgeleitet wurden. aBMD flächenhafte Knochenmineraldichte, Tb.BMD trabekuläre Knochenmineraldichte, BV/TV-Knochenvolumen pro Gesamtvolumen, Tb.Th Trabekeldicke, Tb.N Trabekelzahl.

Trotz der Bedeutung der Skelettgesundheit für das Überleben von Meeressäugetieren sind Erkenntnisse über die Eigenschaften der Knochenmineraldichte und insbesondere der Knochenmikroarchitektur während des Wachstums rar. Da Seehunde (Phoca vitulina) entlang der deutschen Küste häufig vorkommen und eine vergleichsweise lange Lebensdauer haben, wurden sie bereits früher als geeigneter Indikator für das jeweilige Ökosystem herangezogen2. Die Ergebnisse der Autopsien zeigten unterschiedliche Zustände, die bei den neun Seehunden zum Tod führten, und variierten zwischen den Altersgruppen sowie dem Ernährungszustand36. Alle festgestellten Todesursachen kommen bei dieser Art in deutschen Gewässern häufig vor und sind daher repräsentative Befunde.

Da die Wirbelsäule von zentraler Bedeutung für die funktionelle Integrität des Skeletts und damit für das Überleben des Tieres ist38, erscheint die Erweiterung des Wissens über die individuellen Eigenschaften verschiedener Arten, die unterschiedlichen Umweltbedingungen und Fortbewegungsarten ausgesetzt sind, von großer wissenschaftlicher und klinischer Relevanz. Bisher beschränkten sich eingehende Skelettuntersuchungen bestimmter anatomischer Stellen bei Seehunden auf das Kiefergelenk39,40. Insbesondere zeigte ein Bericht mit HR-pQCT eine Zunahme der Kortikalisdicke, aber eine Abnahme von BV/TV und Tb.Th während des Wachstums für einen Teil des Unterkieferkorpus8. Über altersbedingte Veränderungen der Wirbelkörper-ABMD und der Mikroarchitektur von Seehunden ist jedoch wenig bekannt. Die Beurteilung der vertebralen aBMD entspricht dem klinischen Standard in der Humanmedizin und ist möglicherweise der am besten geeignete Ort, um relevante Schlussfolgerungen wie das Frakturrisiko zu ziehen. Darüber hinaus konzentrierten sich frühere Studien an Meeressäugetieren, die aBMD-Merkmale untersuchten, hauptsächlich auf die Auswirkungen von Umweltschadstoffen17,32, nicht jedoch auf altersgruppenbedingte Veränderungen.

Mit dieser ersten Studie dieser Art an Seehunden konnten wir zeigen, dass sich mit Ausnahme von Tb.N die Wirbelparameter der aBMD und der Knochenmikroarchitektur mit dem ontogenetischen Skelettwachstum ändern. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die Basis für das knöcherne Gerüst oder Skelett bereits in sehr jungem Alter entwickelt und durch eine vergleichsweise hohe Anzahl an Trabekeln gekennzeichnet ist, die mit fortschreitender Entwicklung zunehmend mineralisiert werden und an Dicke zunehmen. In diesem Zusammenhang wurde auch bei menschlichen Kindern mit zunehmendem Alter eine Verdickung der Trabekel beobachtet41. Es muss jedoch beachtet werden, dass sowohl DXA als auch HR-pQCT nicht in der Lage sind, nicht mineralisierte Knochenmatrix (d. h. Osteoid) zu erkennen, was wahrscheinlich zu niedrigen Strukturparametern in jungen Jahren führt.

Da anerkannt ist, dass eine geringere mechanische Belastung mit einer Verschlechterung der Skeletteigenschaften verbunden ist42 und insbesondere Kachexie infolge eines schlechten Ernährungszustands wahrscheinlich die Knochenmineraldichte beeinflusst43,44, neigen die gemessenen Parameter solcher Neugeborenen dazu, im Vergleich zu bedingt schlechter zu sein Seehunde im gleichen Alter, aber in gutem Ernährungszustand. Dies gilt in geringerem Maße auch für die Jungrobben, von denen zwei einen mäßigen Ernährungszustand aufwiesen. Daher sind zukünftige Studien zur Untersuchung von aBMD in verschiedenen Altersgruppen erforderlich, um diese Ergebnisse in den Kontext gesunder Tiere zu stellen. Trotz des potenziellen Einflusses des Ernährungszustands scheint es wahrscheinlich, dass der starke Zusammenhang zwischen demografischen und Skelettparametern bestehen bleibt und sich möglicherweise nur das Ausmaß der Beziehung ändern würde. Langfristig planen wir, weitere Tiere mittels DXA zu untersuchen und durch Routinemessungen Referenzwerte zu ermitteln, um eine standardisierte Diagnose von Osteoporose zu ermöglichen. Darüber hinaus scheint eine Bewertung der Skelettmerkmale bei Tieren mit Kachexie im Vergleich zu Tieren ohne Kachexie von weiterem Interesse zu sein.

Unabhängig von der geringen Anzahl an Proben zeigte die Auswertung eines Zusammenhangs zwischen Körpergewicht oder -länge und Skelettparametern bemerkenswert positive lineare Zusammenhänge für aBMD, Tb.BMD und Tb.Th, was das Kennzeichen der Knochenentwicklung zusammen mit der zunehmenden Knochenmineralisierung darstellt. Diese trabekuläre Verdickung mit zunehmendem Alter wurde auch in der nicht entkalkten Histomorphometrie beobachtet. Interessanterweise zeigte Tb.N einen Trend zu einem negativen Zusammenhang mit dem Alter, was die hypothetische Zunahme der Mineralisierung früh gebildeter Trabekel stützt. Ebenso wurde zuvor auch beim Menschen über eine geringere Anzahl von Knochenbälkchen während des Skelettwachstums berichtet41.

Neben der Neuheit dieser Studie müssen einige Einschränkungen erwähnt werden, beispielsweise die begrenzte Stichprobengröße. Da wir, wie oben erwähnt, Daten verstorbener Tiere analysierten, hatte der Ernährungszustand der neugeborenen Säugetiere möglicherweise Auswirkungen auf die in unserer Studie gemessene Knochenqualität. Daher ist beim Vergleich der präsentierten Ergebnisse mit gesunden Tieren gleichen Alters Vorsicht geboten. Darüber hinaus wurde keine standardisierte Bewertung chemischer Schadstoffe durchgeführt, was eine offene Frage darstellt, die in zukünftigen Studien untersucht werden sollte. Darüber hinaus wurden nur Frauen einbezogen, um eine geschlechtsspezifische Verzerrung der Skelettparameter zu vermeiden. Die Individuen wurden das ganze Jahr über gefunden, einschließlich der Brut- und Häutungssaison. Daher sollten die Tiere einen guten Überblick über das gesamte Jahr mit unterschiedlichem Ernährungsstatus und möglichen Unterschieden in der BMD während der Brut- und Häutungssaison geben. Allerdings könnte die Einbeziehung der Männchen zusätzliche Vergleichsdaten liefern, da sich auch die Knochenarchitektur der Weibchen aufgrund ihres Zuchtstatus ändern könnte. Dies sollte durch zukünftige Studien angegangen werden. Schließlich ist eine Angabe des Säugetieralters für Meeressäugetiere, insbesondere für sehr junge Tiere, nicht möglich. Daher lagen objektive Daten nur für Körperlänge und -gewicht vor. Da die Altersbestimmung jedoch in erster Linie auf diesen Variablen basiert, halten wir es für sinnvoll zu spekulieren, dass die Ergebnisse altersspezifische Merkmale darstellen.

Zusammenfassend haben wir hier die altersspezifischen Merkmale der durch DXA abgeleiteten Ganzkörper-aBMD und der Mikroarchitektur der Wirbelknochen durch HR-pQCT bei Seehunden aus der Ostsee und der Nordsee demonstriert. Durch die Kombination der beiden Techniken wurde ein deutliches Muster der Wirbelknochenreifung hervorgehoben, das durch eine Trabekelverdickung gekennzeichnet ist. Angesichts der starken Assoziation von DXA-Parametern und Knochenmikroarchitektur durch HR-pQCT sollte bei Meeressäugetieren eine routinemäßige Hochdurchsatz-Skelettuntersuchung mittels DXA durchgeführt werden, um das Wissen über Skeletteigenschaften sowie Gesundheit und Krankheit zu erweitern und insbesondere den Einfluss der Umwelt zu untersuchen Faktoren und unterschiedliche Ernährungszustände.

Die Daten werden in den Diagrammen in den Abbildungen dargestellt und können daraus extrahiert werden. 2, 3 und 4 und Tabelle 1.

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Wir danken allen Robbenförstern und Umweltorganisationen in Schleswig-Holstein für die Sammlung der Kadaver. Wir danken Dr. Bianca Unger für die Gestaltung der Karte und den Kollegen des ITAW für die Durchführung der Autopsien und das Einsammeln der Kadaver.

Open-Access-Förderung ermöglicht und organisiert durch Projekt DEAL. Diese Open-Access-Publikation wurde gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – 491094227 „Open-Access-Publikationsförderung“ und die Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Julian Delsmann und Britta Schmidt.

Abteilung für Osteologie und Biomechanik, Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Lottestr. 59, 22529, Hamburg, Deutschland

Julian Delsmann, Ralf Oheim & Michael Amling

Abteilung für Orthopädie, Klinik für Unfall- und Orthopädische Chirurgie, Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Martinistr. 52, 20246, Hamburg, Deutschland

Julian Delsmann & Tim Rolvien

Institut für terrestrische und aquatische Wildtierforschung, Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover, Werftstr. 6, 25746, Büsum, Deutschland

Britta Schmidt & Ursula Siebert

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JD, BS, RO, TR und US generierten und sammelten die Daten und führten die Analyse durch. JD, BS und TR haben das Manuskript verfasst. RO, MA und US haben wesentliche konzeptionelle und redaktionelle Beiträge zu diesem Manuskript geleistet. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Ursula Siebert.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Delsmann, J., Schmidt, B., Oheim, R. et al. Knochenmineraldichte und Mikroarchitektur verändern sich während des Skelettwachstums bei Seehunden (Phoca vitulina) an der deutschen Küste. Sci Rep 13, 7196 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33911-8

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Eingegangen: 15. Januar 2023

Angenommen: 20. April 2023

Veröffentlicht: 03. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33911-8

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