INTERCONNECTION OF MORPHO-FUNCTIONAL CHANGES AT DIFFERENT LEVELS OF CORTICAL BONE HIERARCHIC ORGANIZATION INAGING



Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

The authors define two groups of levels of cortical bone hierarchic organization. The first three levels (molecular, supra-molecular and tissue) are characterized by age-dependent changes in connections and geometry of collagen fibers, deviations in orientation and interaction between collagen and minerals, increase in crystallinity and size of the latter, resulting in matrix hypermineralization. It causes water and organic fraction displacement, as well as intermolecular space reduction, which provides for lesser amount of matrix deformations under the influence of mechanical forces. At the next three levels (structural-functional, organ-forming structures, organ) adaptation processes contribute to deformation increase due to a greater volume of cavities (Haversian canals and medullar cavity of the diaphysis of long tubular bones). These are due to the fact that osseous tissue cells possess superior and inferior thresholds of deformation perception, and through modeling/remodeling provide for extracellular matrix migration in the direction limited by these thresholds. Bone geometry changes leading to bone mass loss are also caused by age-dependent rise of the inferior threshold of sensitivity to mechanical impulses and decrease of muscle functional activity. Prevention of the described changes may be possible through elaboration of new, pathogenesis-based ways of drug therapy, including 1) osseous tissue mineralization reduction with the help of osteocyte pump regulators for predominant washing out of Ca2+, 2) lowering the threshold of electric impulses initiation arising in the osteocyte network under mechanical deformations.

About the authors

A S AVRUNIN

Russian R.R. Vreden Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopedics, St. Petersburg, Department of Strength/Resistance of Materials, St. Petersburg State Polytechnic University

Russian R.R. Vreden Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopedics, St. Petersburg, Department of Strength/Resistance of Materials, St. Petersburg State Polytechnic University

L K PARSHIN

Russian R.R. Vreden Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopedics, St. Petersburg, St. Petersburg State Polytechnic University

Russian R.R. Vreden Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopedics, St. Petersburg, St. Petersburg State Polytechnic University

A B ABOLIN

Russian R.R. Vreden Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopedics, St. Petersburg, St. Petersburg State Polytechnic University

Russian R.R. Vreden Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopedics, St. Petersburg, St. Petersburg State Polytechnic University

References

  1. Аврунин А.С., Корнилов Н.В. и Аболин А.Б. Остеоцитарное ремоделирование - новая мишень для разработки методов фармакотерапии остеопороза В кн.: Тезисы Российского конгресса по остеопорозу. Ярославль, Литера, 2003, с. 36.
  2. Аврунин А.С., Корнилов Н.В. и Иоффе И.Д. Адаптационные механизмы костной ткани и регуляторно-метебалический профиль организма. Морфология, 2001, т. 120, вып. 6, с. 7-12.
  3. Аврунин А.С., Корнилов Н.В. и Марин Ю.Б. Гипотеза о роли клеток остеоцитарного ряда в формировании стабильной морфологической структуры минералов костного матрикса. Морфология, 2002, т. 122, вып. 6, с. 74-77.
  4. Аврунин А.С., Корнилов Н.В., Суханов А.В. и Емельянов В.Г. Формирование остеопоротических сдвигов в структуре костной ткани (костные органы, структура костной ткани и ее ремоделирование, концепция патогенеза остеопороза, его диагностики и лечения). СПб., Ольга, 1998.
  5. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Аболин А.Б. и Щербак И.Г. Уровни организации минерального матрикса костной ткани и механизмы, определяющие параметры их формирования. Морфология, 2005, т. 127, вып. 2, с. 78-82.
  6. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М., Наука, 1976.
  7. Гомеостаз. Под ред. П.Д. Горизонтова. М., Медицина, 1976.
  8. Давыдовский И.В. Общая патология человека. М., Медицина, 1969.
  9. Dawson-Hughes B. Профилактика. Остеопороз этиология, диагностика, лечение. В кн.: Остеопороз. Этиология, диагностика лечение. СПб., Изд-во БИНОМ «Невский диалект», 2000, с. 363-380.
  10. Dempster D.W. Ремоделирование кости. В кн.: Остеопороз. Этиология, диагностика лечение. СПб., Изд-во БИНОМ «Невский диалект», 2000, с. 85-108.
  11. Денисов-Никольский Ю.И., Жилкин Б.А., Докторов А.А. и Матвейчук И.В. Ультраструктурная организация минерального компонента пластинчатой костной ткани у людей зрелого и старческого возраста. Морфология, 2002, т. 122, вып. 5, с. 79-83.
  12. Дильман В.М. Четыре модели медицины. Л., Медицина, 1987.
  13. Доклад рабочей группы комитета II международной комиссии по радиологической защите. Человек - медико-биологические данные. 1977, Изд. ВОЗ, 247 с.
  14. Докторов А.А. Структурная организация минеральной фазы костной ткани. В кн.: Биомедицинские технологии. Труды науч.-исслед. и учебно-метод. центра биомед. технологий ВИЛАР. М., 1999, вып. 12, с. 42-52.
  15. Козлов А.В., Капитонова З.Д. и Карягина И.Ю. Актуальные методы исследования системы гемостаза. СПб., изд. МАПО, 1993.
  16. Корнилов Н.В. и Аврунин А.С. Адаптационные процессы в органах скелета. СПб., МОРСАР АВ, 2001.
  17. Корнилов Н.В., Аврунин А.С. и Аболин А.Б. Некоторые патогенетические взаимосвязи метаболической активности и структуры костной ткани при диагностике и лечении остеопороза. Мед. академ. журн., 2004, № 2, с. 67-79.
  18. Матвейчук И.В., Денисов-Никольский Ю.И. и Докторов А.А. Изучение особенностей морфогенеза в условиях изменений функциональной нагрузки и его прикладное значение. В кн.: Биомедицинские технологии. Труды Науч.-исслед. и учебно-метод. центра биомед. технологий ВИЛАР. М., 1999, вып. 12, с. 56-70.
  19. Ньюман У. и Ньюман М. Минеральный обмен кости. М., Иностранная литература, 1961.
  20. Риггз Б.Л. и Мелтпон III Л.Д. Предисловие. В кн.: Остеопороз. Этиология, диагностика лечение. СПб., Изд-во БИНОМ «Невский диалект», 2000, с. 3-5.
  21. Sinaki M. Реабилитация скелетно-мышечной системы. Остеопороз этиология, диагностика, лечение. В кн.: Остеопороз. Этиология, диагностика лечение. СПб., Изд-во БИНОМ «Невский диалект», 2000, с. 471-470.
  22. Тиц Н.У. Энциклопедия клинических лабораторных тестов. М., Лабинформ, 1997.
  23. Akkus O., Adar F. and Schaffler M.B. Age-related changes in physicochemical properties of mineral crystals are related to impaired mechanical function of cortical bone. Bone, 2004, v. 34, p. 443-453.
  24. Akkus O., Yeni Y.N. and Wasserman N. Fracture mechanics of cortical bone tissue: a hierarchical perspective. Biomed. Engineering, 2004, v. 32, № 5-6, p. 379-425.
  25. Buhl K.M., Jacobs C.R., Turner R.T. et al. Parallel changes in extracellular matrix protein gene expression, bone formation and biomechanical properties in aging rat bone. J. Musculoskel. Res., 2002, v. 6, № 3-4, p. 157-169.
  26. Copeland J.L. Anabolic hormones in aging women: effects of supplementation vs. physical activity. Can. J. Appl. Physiol., 2004, v. 29, № 1, р. 76-89.
  27. Currey J.D. Mechanical properties of vertebrate hard tissues. Proc. Inst. Mech. Engrs., 1998, v. 212, Part H, p. 399-411.
  28. Frost H. Mathematicial elements of lamellar bone remodelling. Springfield, Thomas books, 1964.
  29. Frost H. The biology of fracture healing (part I). Clin. Orthop., 1989, № 248. p. 283-293.
  30. Frost H. M. From Wolff's law to the Utah paradigm: insights about bone physiology and its clinical applications. Anat. Rec., 2001, v. 262, № 4, p. 398-419.
  31. Frost H. M. A 2003 update of bone physiology and Wolff's law for clinicians. Angle Orthod., 2004, v. 74, № 1, p. 3-15.
  32. Jowsey J. Age changes in human bone. Clin. Orthop., 1960, № 17, p. 210-217.
  33. Kamel H. K. Sarcopenia and aging. Nutr. Rev., 2003, v. 61, № 5, Pt. 1, p. 157-167.
  34. Meema H. E. Menopausal and aging changes in muscle mass and bone mineral content. J. Bone Jt. Surgery, 1964, v. 48-A, № 6, p. 1138-1143.
  35. Okada S., Yoshida S., Ashrafi S.H. and Schraufnagel D.E. The canalicular structure of compact bone in the rat at different ages. Microsc. Microanal., 2002, v. 8, № 2, p. 104-115.
  36. Robinson R.A. and Elliott S.R. The water content of bone. J. Bone Jt. Surgery, 1957, v. 39-A, № 1, p. 167-188.
  37. Smith J.W. Age сhanges in the organic fraction of bone. J. Bone Jt. Surgery, 1963, v. 45-B, № 4, p. 761-769.
  38. Smith J.W. Observation on the water content of bone. J. Bone Jt. Surgery, 1964, v. 46-B, № 3, p. 553-562.
  39. Turner C.H. and Pavalko F.M. Mechanotransduction and functional response of the skeleton to physical stress: the mechanisms and mechanics of bone adaptation J. Orthop. Sci., 1998, v. 3, № 6, p. 346-355.
  40. Turner C.H., Takano Y. and Owan I. Aging changes mechanical loading thresholds for bone formation in rats. J. Bone Miner. Res., 1995, v. 10, № 10, p.1544-1549.
  41. Wang X., Li X., Shen X. and Agrawal CM. Age-related changes of noncalcified collagen in human cortical bone. Ann. Biomed. Engineering, 2003, v. 31, № 1, p. 1-7.
  42. Wang X. and Puram S. The toughness of cortical bone and its relationship with age. Ann. Biomed. Engineering, 2004, v. 32, № 1, p. 123-135.
  43. Zioupos P. and Currey J.D. Changes in the stiffness, strength, and toughness of human cortical bone with age. Bone, 1998, v. 22, № 1, p. 57-66.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2006 Eco-Vector



СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: № 0110212 от 08.02.1993.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies