OCLC: 645776200
Bone mineral density (BMD), a calibrated measure of bone mass, has been identified as the single most important risk factor for osteoporotic fractures and is therefore frequently used as a proxy measure of bone strength. However, bone strength is only partly explained by BMD and many other bone properties contribute significantly to skeletal integrity. Among those determinants for skeletal fragility, bone microarchitecture has been recently established as an important factor for bone strength. Similarly, bone ultrastructure has also been implicated as an important contributor to bone strength. We therefore hypothesized that a better understanding of phenotypes linked to bone ultrastructure will provide new insight in the assessment of bone quality and its contribution to bone strength and fracture risk, and eventually that prediction of bone strength can be improved by including ultrastructural bone tissue properties. Moreover, mouse models have been established over the last few years as a valuable tool to study the relationship between phenotype and genotype. To test this hypothesis, the following specific aims were proposed:
For cellular and vascular imaging of bone, a SR-based local CT method was devised for the assessment of hard tissues in the submicron domain (nCT). As a novelty, the developed CT method overcame present experimental limitations with respect to object size, currently precluding conventional CT methods from hard tissue assessment in the submicron domain. In a next step, several vascular replica protocols were implemented for true three-dimensional (3D), direct, and simultaneous measurement of bone tissue and vasculature using μCT and SR CT. These protocols were successfully applied to murine bone and the vascular morphometry was compared quantitatively with the morphometric results for the canal network within bone obtained from negative imaging, showing good compatibility of the two different techniques.
For the examination of structure function relationships in murine bone, new morphometric indices were introduced in a first study to quantify ultrastructural phenotypes of murine cortical bone assessed by SR CT, namely the canal network and the osteocyte lacunar system. These ultrastructural phenotypes and bone biomechanics were then successfully studied in two genetically distinct mouse strains of a growth hormone (GH) deficient mouse model (little). Although the cannular and lacunar morphometry as well as bone mechanics of the two mouse strains was found to be fundamentally different, a general scaling rule was derived, saying that in the little mouse model cannular morphometry scales with bone size and lacunar morphometry does not. Moreover, there was evidence in one mouse strain that increased cortical bone mass was counterbalanced or even outweighed by a larger canal network, leading to increased porosity and eventually to impaired bone biomechanics. In a second study, interactions between macroscopic, ultrastructural, and mechanical properties of murine bone were identified and evaluated. The relative importance of insulin-like growth factor-I (IGF-I) and GH as the principal modulator of IGF-I expression was determined in an extended mouse model for the little mutation. The absence of the GH/IGF-I axis in this little mouse model removed the asymmetry found in sex-specific macroscopic morphometric parameters and thus, supported the hypothesis that there is an important interaction between sex steroids, IGF-I expression, and bone modeling. The key result of this study was that strong evidence was provided for a significant influence of the cortical canal network on murine bone mechanics. Consequently, the initial hypothesis that prediction of bone strength can be improved by including ultrastructural bone tissue properties could be verified.
In conclusion, a new framework for ultrastructural phenotyping of murine bone was developed using μCT and nCT. In the future, bone ultrastructure may be investigated in human studies, establishing its role with respect to bone fracture risk and incidence of osteoporosis. As a consequence of these findings and as a vision for the future, the results of such human studies may be incorporated in the next consensus statement on osteoporosis prevention, diagnosis, and therapy, indicating ultrastructural bone properties as important determinants for bone strength and skeletal integrity.
Knochenmineraldichte, welche ein kalibriertes Mass für die Knochenmasse darstellt, wurde als wichtigster Risikofaktor für osteoporotische Brüche erkannt und wird deshalb häufig als Näherungsmass für die Knochenstärke verwendet. Jedoch wird die Knochenstärke nur zum Teil durch die Knochenmineraldichte erklärt und viele andere Eigenschaften sind massgeblich an der Knochenstabilität mitbeteiligt. Unter diesen bestimmenden Faktoren für Knochenbrüchigkeit hat sich unlängst die KnochenMikroarchitektur als wichtige Bestimmungsgrösse für die Knochenstärke etabliert. Gleichermassen wurde auch die Knochen-Ultrastruktur als wichtiger Faktor mit der Knochenstärke in Verbindung gebracht. Wir stellten deshalb die Hypothese auf, dass ein besseres Verständnis der Phänotypen, welche mit der Knochen-Ultrastruktur in Verbindung stehen, neue Einblicke in die Bewertung der Knochenqualität und deren Beitrag zur Knochenstärke ermöglichen wird und schliesslich, dass die Vorhersage der Knochenstärke verbessert werden kann, indem ultrastrukturelle Knocheneigenschaften mitberücksichtigt werden. Ferner wurden in den letzten Jahren Mausmodelle als wertvolles Werkzeug für die Untersuchung der Beziehung zwischen Phänotyp und Genotyp etabliert. Um die aufgestellte Hypothese zu überprüfen, wurden folgende Ziele formuliert:
In Bezug auf die zelluläre und vaskuläre Bildgebung von Knochen wurde eine Synchrotronstrahlung (SR)-basierte CT-Methode entwickelt zum Zweck, harte Festkörper im Submikrometer-Bereich zu erfassen. Als ein Novum konnte diese Methode gegenwärtige experimentelle Einschränkungen bezüglich Objektgrösse überwinden, welche herkömmliche CT-Methoden von der Erfassung von harten Festkörpern im Submikrometer-Bereich ausschliesst. Als nächster Schritt wurden mehrere vaskuläre Abdruck-Protokolle für die 3D, direkte und gleichzeitige Messung von Knochen und Vaskulatur realisiert, welche μCT und SR CT basiert waren. Diese Protokolle wurden erfolgreich auf Mäuseknochen angewandt. Zudem wurde die vaskuläre Morphometrie quantitativ mit den morphometrischen Resultaten für das kannuläre Netzwerk innerhalb des Knochens verglichen, welches durch NegativBildgebung erhalten wurde, wobei eine gute Vereinbarkeit der zwei verschiedenen Methoden nachgewiesen werden konnte.
In Bezug auf strukturell-funktionelle Zusammenhänge in Mäuseknochen wurden in einer ersten Studie neue morphometrische Kennzahlen eingeführt, um die ultrastrukturellen Phänotypen von kortikalem Mäuseknochen – namentlich das kannuläre Netzwerk und das System von Osteozyt-Lakunen – quantitativ zu bestimmen, welche mittels SR CT gemessen wurden. Die ultrastrukturellen Phänotypen und die Knochen-Biomechanik wurden dann erfolgreich in zwei genetisch voneinander verschiedenen Inzucht-Mäusestämmen untersucht, welche einem Mausmodell mit fehlendem Wachstumshormon angehörten (little). Obwohl für die beiden Mäusestämme die kannuläre und lakunäre Morphometrie sowie die KnochenBiomechanik grundlegend verschieden waren, wurde eine Skalierungsregel abgeleitet, die besagt, dass im little-Mausmodell die kannuläre Morphometrie mit der Knochengrösse skaliert, die lakunäre Morphometrie jedoch nicht. Darüber hinaus gab es in einem der Mäusestämme Anzeichen dafür, dass die erhöhte kortikale Knochenmasse durch ein vergrössertes kannuläres Netzwerk kompensiert wurde, was zu erhöhter Porosität und letzten Endes zu einer verschlechterten KnochenBiomechanik führen kann. In einer zweiten Studie wurden Wechselbeziehungen zwischen makroskopischen, ultrastrukturellen und mechanischen Eigenschaften von Mäuseknochen bestimmt und ausgewertet. Der relative Einfluss des insulin-ähnlichen Wachstumsfaktors I (IGF-I) und des Wachstumshormons (als hauptsächlicher Regulator der IGF-I-Ausprägung) wurde in einem erweiterten Mausmodell für die littleMutation ermittelt. Die Abwesenheit der Wachstumshormon/IGF-I-Achse in diesem little-Modell hat die nachgewiesene geschlechtsspezifische Asymmetrie der makroskopischen morphometrischen Kennzahlen aufgehoben. Dieses Resultat unterstützt die Hypothese, dass es eine wesentliche Wechselwirkung zwischen Geschlechts-Steroiden, IGF-I-Ausprägung und Knochenmodellierung gibt. Das Schlüsselresultat dieser Studie war der klare Nachweis eines wesentlichen Einflusses des kannulären Netzwerkes auf die Mäuseknochen-Biomechanik. Folglich konnte die ursprüngliche Hypothese verifiziert werden, dass die Voraussage der Knochenstärke verbessert wird, falls ultrastrukturelle Knocheneigenschaften miteinbezogen werden.
Zusammengefasst wurde ein Rahmen für die Bestimmung von ultrastrukturellen Phänotypen von Mäuseknochen geschaffen, der auf μCT und SR CT basiert ist. In der Zukunft sollte die Knochen-Ultrastruktur auch in Humanstudien untersucht werden, um dessen Beitrag zum Knochenbruch-Risiko und dem Auftreten von Osteoporose zu ermitteln. Als Folgerung dieser Ergebnisse und als Vision für die Zukunft wäre es wünschenswert, wenn die Resultate solcher Humanstudien in die nächste KonsensusStellungnahme bezüglich Prävention, Diagnose und Therapie von Osteoporose Eingang finden würden und somit die ultrastrukturellen Knocheneigenschaften als wesentliche Bestimmungsgrösse für die Knochenstärke und Knochenintegrität gekennzeichnet würden.