Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4511
Main Title: The influence of age and mechanical loading on bone structure and mechanical properties
Translated Title: Einfluss von Alter und mechanischer Belastung auf Struktur und Materialeigenschaften des Knochens
Author(s): Aido, Marta Isabel Fernandes do
Advisor(s): Fratzl, Peter
Referee(s): Fleck, Claudia
Fratzl, Peter
Lauster, Roland
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Knochen bestehen nicht nur aus dynamischem, lebendem Gewebe, sie stellen auch ein Verbundmaterial mit komplexer, hierarchischer Struktur dar, welches für die erstaunliche Funktionalität von Knochen verantwortlich ist. Dennoch führt hohes Alter zu reduzierter Knochenmasse und verringerter Materialqualität, und mündet häufig in Osteoporose, einer der am weitesten verbreiteten Erkrankungen des Knochens. Körperliche Betätigung stellt eine vielversprechende, nicht-pharmazeutische Vorbeugungsmaßnahme gegen altersbedingten Knochenabbau dar. Während körperliche Betätigung allgemein als vorteilhaft für den Körper angesehen wird, ist der Effekt von mechanischer Belastung auf den Knochen und die Veränderung der Anpassungsfähigkeit des Knochens im Alter, insbesondere im Hinblick auf die Materialqualität (welche sowohl die Mineral-Partikel, als auch Eigenschaften der organischen Matrix beinhaltet), bisher wenig erforscht. Osteozyten, die Zellen, die im Knochen für die Anpassung an mechanische Belastung verantwortlich sind, detektieren und übermitteln mechanische Stimuli und sind Teil des lakuno-kanalikulären Netzwerks (LKN).Das Ziel dieser Arbeit war es, unter Verwendung eines materialwissenschaftlichen Ansatzes die Auswirkung des Alterungsprozesses auf Knochenmasse, Knochenstruktur und Materialqualität nach physiologischer und kontrollierter mechanischer in vivo Belastung zu erforschen. Dazu kam ein axiales Druckbelastungsmodell zum Einsatz, um zusätzliche Belastung auf die Tibiae von weiblichen, jeweils jungen, adulten und alten Mäusen auszuüben. Das primäre Ziel war es, die Auswirkung von zusätzlicher mechanischer Belastung auf die kortikale Knochenmasse, Geometrie und Materialeigenschaften zu untersuchen. Zusätzlich sollte erforscht werden, wie sich das Alter auf die Fähigkeit des Knochens auswirkt, auf mechanische Belastung zu reagieren. Die im Rahmen dieser Arbeit erlangten Ergebnisse zeigen, dass die Auswirkung von zusätzlicher mechanischer Belastung abhängig vom Alter der Tiere variiert. Während bei jungen, und in geringerem Maße bei erwachsenen Mäusen ein positiver Effekt auf Knochenmasse und -struktur zu verzeichnen war, trug die zusätzliche in vivo Belastung bei alten Tieren lediglich dazu bei, die Knochenmasse zu erhalten. Andererseits zeigten sich bei den Eigenschaften von Mineral- und Knochenmatrix in erster Linie bei älteren Tieren Veränderungen, wo sowohl eine erhöhte Kollagenquervernetzung, als auch ein höherer Grad an Mineralisierung zu verzeichnen waren. Interessant war, dass das neu geformte Gewebe, welches unter zusätzlicher in vivo Belastung entstand, ähnliche Mineral- und Matrixeigenschaften zeigten wie jenes, welches durch normale physiologische Belastung entstand. Des Weiteren unterschieden sich die Materialeigenschaften des neu gebildeten Knochengewebes regional, abhängig davon, ob sich das neue Gewebe an der periostalen oder endocorticalen Oberfläche des Knochens gebildet hat, welche unterschiedliche biologische und mechanische Umgebungen darstellen. Pilotstudien haben ergeben, dass die mechanische Belastung Auswirkungen auf die Topologie des Osteozyten LKN hat, was auf Mechanismen hindeuten könnte, die mit dem altersbedingten Verlust des Reaktionsvermögens auf mechanische Einwirkungen im Zusammenhang stehen. Das zweite Ziel dieser Arbeit war die Analyse der Auswirkung von Tier- und Gewebealter auf die kortikale Knochenmasse, Geometrie und Materialeigenschaften während physiologischer Belastung. Bei den physiologisch belasteten Tibiae führte fortgeschrittenes Alter zu verringerter kortikaler Fläche und Dicke. Auch Mineral- und Matrixeigenschaften stellten sich während der physiologischen Belastung als abhängig von Tier- und Gewebealter heraus, die Veränderungen waren jedoch weniger ausgeprägt als jene der Knochenmasse und Geometrie. Schließlich zeigten unerwartete Ergebnisse, dass sich Calcein-Fluoreszenzfarbstoffe möglicherweise nicht nur mit mineralisierenden Oberflächen verbinden, sondern sich auch hemmend auf das Mineralwachstum des Knochens auswirken. Des Weiteren stellten sich Mineralpartikel in der Nähe von Blutgefäßen als dünner und weniger gleichmäßig ausgerichtet dar.Die im Rahmen dieser Arbeit erlangten Ergebnisse liefern ein tiefergehendes Verständnis der Anpassungsfähigkeit von Knochen an mechanische Belastung und darüber, inwieweit das Alter damit im Zusammenhang steht. Interessanterweise zeigte sich, dass das neu entstandene Knochengewebe sowohl bei zusätzlicher Belastung als auch bei physiologischer Belastung ähnliche Materialeigenschaften aufweist, und dass sich zusätzliche mechanische Belastung insbesondere bei älteren Mäusen positiv auf die Materialeigenschaften auswirkt. Die Daten weisen also darauf hin, dass, trotz gewisser Unterschiede bezüglich des Alterungsprozesses von Knochen zwischen Menschen und Mäusen, physische Aktivität eine vielversprechende, nicht-invasive Behandlungsmethode zur Verbesserung der Knochenqualität und zur Erhaltung der Knochenmasse darstellt.
Bone is not only a dynamic living tissue, but also a composite material with a complex hierarchical structure, responsible for bone’s remarkable functionality. However, advanced age leads to a decrease in bone mass and compromised material quality, which can result in osteoporosis, the most prevalent skeletal disease. A promising nonpharmacological therapy against age-related bone loss and fragility is physical exercise. Although exercise is known to be beneficial to the body, the effect of mechanical loading on bone and how bone’s adaptive response changes with age, in particular in terms of its material quality (which includes the properties of mineral particles and collagen matrix) is largely unknown. The cells, essential in bone adaptation to mechanical loading, are the osteocytes. These cells sense and transduce mechanical stimuli, and are part of a largely interconnected lacuno-canalicular network (LCN).The overall aim of this work was to investigate using a materials science approach how aging influences bone mass, geometry and material quality after physiological and controlled in vivo mechanical loading. An axial compressive loading model was used to apply additional loads to the tibia of female young, adult and elderly mice. The first aim was to study the effect of additional mechanical loading on cortical bone mass, geometry and material properties and how age modulates the adaptive response of bone to additional loading. The results obtained revealed that the effect of additional mechanical loading varied with animal age. In young mice and to a lesser extent in adult mice, additional mechanical loading enhanced bone mass and geometry, while in elderly mice additional in vivo loading only maintained bone mass. However, the effect of loading on bone mineral and matrix properties was predominately observed in the elderly mice, where an enhancement of collagen maturity and degree of mineralization was detected. Interestingly, the new tissue formed with additional in vivo loading showed similar mineral and matrix properties to new tissue formed with physiological loading. Furthermore, the mineral and matrix properties of new bone tissue differed regionally, according to whether bone was formed on the periosteal or endocortical surface of the bone, which corresponds to different biological and mechanical environments. Pilot studies revealed that mechanical loading had an impact on the topology of the osteocyte LCN, suggesting clues to possible mechanisms responsible for age-related decreases in mechanoresponsiveness. The second aim of this work was to analyze the effect of animal age and tissue age on cortical bone mass, geometry and material properties during physiological loading. Mineral and matrix properties were shown to be animal age and tissue age dependent during physiological loading. However, the changes in bone mass and geometry with animal aging were more pronounced than the changes in mineral and matrix properties. Finally, unexpected results showed that calcein fluorochrome labels might not only bind to mineralizing surfaces, but also stunt bone’s mineral growth. Additionally, the mineral particles in the proximity of blood vessels were shown to be thinner and less aligned.The obtained results provided a broader understanding of how bone adapts to mechanical loading and how these changes are modulated by age. Interestingly, new tissue formed in response to additional loading and physiological loading was shown to have similar bone material properties and additional loading was shown to enhance bone material properties in elderly mice. Therefore, despite some differences in skeletal aging between mice and humans, these data suggest that physical activity is a promising noninvasive treatment to enhance bone quality and maintain bone mass in individuals suffering from age-related bone loss.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-67798
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4808
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4511
Exam Date: 23-Mar-2015
Issue Date: 10-Jul-2015
Date Available: 10-Jul-2015
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Anpassungsfähigkeit des Knochens
Kompression der Tibia
Alterung
Materialqualität des Knochens
Synchrotron SAXS
Bone adaptation
tibial compression
aging
bone quality
synchrotron SAXS
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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