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Measurements of mineralization density profiles in bone formation sites
a novel tool for diagnosis of disturbances in primary mineralization of bone
Sonja Andrea Pfeffer
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Paul Roschger
DOI
10.25365/thesis.5544
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29319.15701.867055-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Der Mineralisationsgrad der Knochenmatrix stellt eine Schlüsselrolle in der Feinabstimmung von Steifigkeit, Festigkeit und Härte des Knochens dar und ist ein wichtiger Faktor für die Knochenqualität. Reife trabekuläre und osteonale Knochen setzen sich aus einzelnen unterschiedlich mineralisierten Knochenstruktureinheiten (BSU) zusammen, die eine charakteristische Knochenmineralisationsdichteverteilung (BMDD) erzeugen. Die jungen, neu gebildeten BSU’s sind noch nieder mineralisiert, während die alten BSU’s den höchsten Mineralisationsgrad aufweisen. Das genaue Wissen um den zugrundeliegenden Mineralisationsprozess ist noch unvollständig.
Man konnte zeigen, dass der Mineralgehalt in einer neugeformten Knochenmatrix (Osteoid) innerhalb von nur wenigen Tagen auf 70% des Endwertes ansteigt, sobald der Mineralisationsprozess gestartet wurde. Diesen Vorgang bezeichnet man als primäre Mineralisation. Bis die restlichen 30% Mineralgehalt erreicht werden, dauert es dann Monate bis Jahre und man bezeichnet diesen Vorgang als sekundäre Mineralisation. In dieser Arbeit lag der Fokus auf der Ermittlung des Kalziumgehalts, der den Übergang von der schnellen zur langsamen Mineralisation beschreibt. Dieser Punkt wurde von uns als CaTURN bezeichnet. Durch diese Analysen könnten Knochenerkrankungen detektiert werden, deren Auswirkungen den primären Mineralisationsprozess betreffen, und es könnte ein Beitrag zur Entwicklung therapeutischer Strategien, die direkt in den Mineralisationsprozess einwirken, geleistet werden.
Zu diesem Zweck wurden humane Beckenkammbiopsien (n=72) in Polymethylmethacrylate eingebettet. Angeschnittene Knochenflächen wurden mittels quantitativer Rückstreuelektronenmethode (qBEI) mit einer Bildauflösung von 0,5µm Pixelgröße im Rasterelektronenmikroskop untersucht. Für die Analyse wurden BSU’s mit einer sichtbaren Mineralisationsfront ausgesucht und im rechten Winkel zur Mineralisationsfront quer durch das frisch angebaute Knochenpaket ein Mineralisationsdichteprofil (BM-Profil) aufgenommen. Die erhaltenen Diagramme konnten durch zwei lineare Fits mit unterschiedlichen Anstiegen dargestellt werden. Der Schnittpunkt der beiden Geraden bestimmte den Wert des CaTURN.
Biopsie-Ergebnisse von Kindern mit der genetischen Erkrankung Osteogenesis Imperfecta (OI-Typ I, n=5 and OI-Typ VII, n=4) wiesen einen erhöhten CaTURN-Wert gegenüber der Kinder-Kontrollgruppe auf. Im Gegensatz dazu zeigten Kinder mit einer autosomal dominanten Hypokalzämie (ADH), einer vererbten Form des Hypoparathyreoidismus, die durch eine Mutation am Calcium Sensing Receptor (CaR) (n=3) verursacht wird, einen verminderten CaTURN-Wert. Biopsie-Ergebnisse von postmenopausalen osteoporotischen Frauen (n=9), behandelt mit Kalzium und Vitamin D, hatten einen CaTURN, der sich nicht von der Erwachsenen- Kontrollgruppe (n=8) unterschied. Jedoch bei allen PatientInnen mit Knochenerkrankungen unklarer Differentialdiagnose (n=10) zeigte sich ein reduzierter CaTURN-Wert. Korreliert man die Parameter der Knochenmineralisationsdichteverteilung (BMDD) mit dem CaTURN-Parameter, so ergab sich beim CaMEAN (BMDD-Parameter) und beim CaPEAK (charakteristischer Kalziumgehalt des gesamten spongiösen Knochenkompartiments) eine eindeutig lineare Korrelation bei den Kindern mit genetischen Veränderungen während innerhalb der Erwachsenen-Patientengruppe keine Korrelation festgestellt wurde.
Die Ergebnisse zeigen, dass der primäre Mineralisationsprozess bei den untersuchten genetisch erkrankten PatientInnen negativ beeinflusst wird, und dass der endgültige Kalziumgehalt, den die Knochenmatrix erreichen kann, abhängig vom primären Mineralisationsprozess ist. Diese neuen Untersuchungsergebnisse geben Evidenz, dass ein pathologischer Grad der Mineralisierung des Knochens das Resultat eines veränderten Knochen-Turnovers und / oder eines veränderten Knochenmineralisationsprozesses sein kann.
Tatsächlich scheinen die Veränderungen im BMDD bei PatientInnen mit genetischen Erkrankungen wie Osteogenesis Imperfekta oder Calcium Sensing Receptor Mutationen vorwiegend die Folge der Veränderung im primären Mineralisationsprozesses zu sein, während die Effekte, die bei den Erwachsenen-PatientInnen gefunden wurden, hauptsächlich Folgen der Änderungen im Knochen-Turnover zu sein scheinen.
Abstract
(Englisch)
The degree of bone matrix mineralization is playing a pivotal role in tuning stiffness, strength and toughness of bone and is therefore an important determinant of bone quality. Mature trabecular and osteonal bone is composed by bone structural units (BSU) mineralized up to different degrees of mineral content, which generates a characteristic bone mineralization density distribution (BMDD). Young BSUs have the lowest and old BSUs the highest degree of mineralization. The exact knowledge of the underlying mineralization process is still lacking, but it could be shown that once mineralization has been started in the newly formed bone matrix (osteoid) the mineral content is rapidly increasing within few days up to 70 % of its final value and is referred as primary mineralization. The last 30% of increase in mineral content occurs only slowly in a time scale of month to years and is referred as secondary mineralization. The present work focuses on the measurement of the Ca-content where the transition from fast to slow mineralization occurred, which had been designated by us as CaTURN. Such measurements would allow us to detect bone diseases affecting the primary mineralization process and to contribute in the development of therapeutic strategies directly targeting the mineralization process.
For this purpose sectioned bone areas of human transiliac biopsies embedded in polymethylmethacrylate were imaged with a pixel resolution of 0.5 µm by quantitative backscattered electron imaging (qBEI). BSUs exhibiting a mineralization front were selected for analyses of mineralization density profiles (BM-profiles) perpendicular across the mineralization front. The obtained data plots could be described by two linear fits of different slopes, an initial steep slope followed by a flat one. The intersection point of the two lines determined the value of CaTURN.
Biopsies from children with a genetic disorders like osteogenesis imperfecta (OI-type I, n=5 and OI-type VII, n=4) showed an increased CaTURN, while children with an autosomal dominant hypocalcemia (ADH) an inherited form of hypoparathyroidism caused by an activating mutation of calcium sensing receptor (CaR) (n=3) exhibited a decreased CaTURN , compared to healthy children (n=13). Biopsies from patients with postmenopausal osteoporosis (n=9) treated with Ca and Vit D had a CaTURN not different from that of adult controls (n=8), while patients with an unclear differential diagnosis of bone diseases (n=10) exhibited all a reduced CaTURN. When the CaTURN parameter where correlated with parameters of bone mineralization density distribution (BMDD) describing the average (CaMEAN) or the typical (CaPEAK) Ca-content of the entire cancellous bone compartment a strong positive linear correlation was revealed for the children with genetic disorders, while no such correlations were found for the adult patients.
The data suggest that the investigated genetic disorders are affecting the primary mineralization process, and that the final amount of Ca-content the bone matrix is reaching, is some how predetermined by the primary mineralization process. This new findings also proves the concept that a pathological altered mean degree of mineralization of bone can be a result of altered bone turnover and / or intrinsic bone mineralization process. Indeed, the changes seen in BMDD of OI and CaR mutated patients seem to be predominantly an effect of changes in the primary mineralization process, while the effects seen in the adult patient group with metabolic bone diseases seems to be mainly due to changes in bone turnover.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
bone matrix mineralization bone minereralization density distribution quantitative backscattered electron imaging
Schlagwörter
(Deutsch)
Knochenmatrix Mineralisation Knochenmineralisationsdichteverteilung quantitative Rückstrahlelektronenmethode
Autor*innen
Sonja Andrea Pfeffer
Haupttitel (Englisch)
Measurements of mineralization density profiles in bone formation sites
Hauptuntertitel (Englisch)
a novel tool for diagnosis of disturbances in primary mineralization of bone
Paralleltitel (Deutsch)
Die Analyse von Mineralisationsprofilen an Knochenneubildungszonen ; ein neues Diagnoseverfahren für Störungen der primären Knochenmineralisation
Publikationsjahr
2009
Umfangsangabe
IV, 76 S., [9] Bl. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Wolfgang Högler ,
Herwig Peterlik
AC Nummer
AC05041190
Utheses ID
4970
Studienkennzahl
UA | 091 | 439 | |