Hailey C. Cunningham

1 Grup de absolvenți în inginerie biomedicală, Universitatea din California Davis, Davis, CA SUA

Daniel W. D. West

2 Departamentul de fiziologie și biologie membranară, Universitatea din California Davis, Davis, CA SUA

Leslie M. Baehr

2 Departamentul de fiziologie și biologie membranară, Universitatea din California Davis, Davis, CA SUA

Franklin D. Tarke

3 Departamentul de Chirurgie Ortopedică, Universitatea din California Davis Medical Center, Lawrence J. Ellison Musculoskeletal Research Center, 4635 2nd Avenue, Suite 2000, Sacramento, CA 95817 SUA

Keith Baar

1 Grup de absolvenți în inginerie biomedicală, Universitatea din California Davis, Davis, CA SUA

2 Departamentul de fiziologie și biologie membranară, Universitatea din California Davis, Davis, CA SUA

4 Departamentul de Neurobiologie, Fiziologie și Comportament, Universitatea din California Davis, Davis, CA SUA

Sue C. Bodine

2 Departamentul de fiziologie și biologie membranară, Universitatea din California Davis, Davis, CA SUA

4 Departamentul de Neurobiologie, Fiziologie și Comportament, Universitatea din California Davis, Davis, CA SUA

Blaine A. Christiansen

1 Grup de absolvenți în inginerie biomedicală, Universitatea din California Davis, Davis, CA SUA

3 Departamentul de Chirurgie Ortopedică, Universitatea din California Davis Medical Center, Lawrence J. Ellison Musculoskeletal Research Center, 4635 2nd Avenue, Suite 2000, Sacramento, CA 95817 SUA

Date asociate

Seturile de date utilizate și/sau analizate în timpul studiului actual sunt disponibile de la autorul corespunzător, la o cerere rezonabilă.

Abstract

fundal

Structura și rezistența oaselor se pierd rapid în condiții de încărcare mecanică scăzută, iar oasele îmbătrânite au o capacitate diminuată de adaptare la o încărcare mecanică crescută. Aceasta este o preocupare pentru pacienții mai în vârstă care au perioade de mobilitate limitată sau repaus la pat, dar efectele acute ale neutilizării asupra oaselor pacienților în vârstă nu au fost descrise în detaliu. Studiile anterioare pe animale au examinat în primul rând efectul descărcării mecanice asupra animalelor tinere. Cei care au studiat animale în vârstă s-au concentrat exclusiv pe pierderea osoasă în timpul descărcării și nu pe recuperarea oaselor în timpul reîncărcării ulterioare. În acest studiu, am investigat efectul scăderii încărcării mecanice și reîncărcării ulterioare pe os folosind un model de descărcare a membrelor posterioare la șobolani masculi adulți (9 luni) și în vârstă (28 luni).

Metode

Animalele din ambele grupe de vârstă au fost supuse la 14 zile de descărcare a membrelor posterioare, urmate de până la 7 zile de reîncărcare. Șobolanii în vârstă au fost supuși la 7 zile de exerciții forțate de rulare în timpul reîncărcării sau la un total de 28 de zile de reîncărcare. Structura osoasă trabeculară și corticală a femurului a fost cuantificată utilizând tomografie micro-computerizată ex vivo (μCT), iar proprietățile mecanice au fost cuantificate cu teste mecanice.

Rezultate

Am constatat că șobolanii adulți au scăzut substanțial fracția de volum osos trabecular (BV/TV) după descărcare (- 27%), în timp ce animalele în vârstă nu au prezentat pierderi osoase semnificative după descărcare. Cu toate acestea, animalele în vârstă au avut BV/TV trabecular mai mic după 3 zile de reîncărcare (- 20% comparativ cu valoarea inițială), în timp ce BV/TV trabecular la șobolani adulți nu a fost diferit de valorile inițiale după 3 zile de reîncărcare. BV/TV trabecular al animalelor în vârstă a rămas mai mic decât animalele de control, chiar și cu exerciții fizice în timpul a 7 zile de reîncărcare și după 28 de zile de reîncărcare.

Concluzii

Aceste date sugerează că osul îmbătrânit este mai puțin receptiv atât la încărcarea mecanică crescută, cât și la scăderea și că perioadele acute de neutilizare pot lăsa subiecții mai în vârstă cu un deficit pe termen lung de masă osoasă trabeculară. Aceste descoperiri indică necesitatea unor strategii terapeutice pentru îmbunătățirea sănătății scheletice a pacienților vârstnici în perioadele de neutilizare.

fundal

Osul suferă o descompunere semnificativă și rapidă în structură și rezistență în absența încărcării mecanice [1-3]. În plus, oasele oamenilor și animalelor în vârstă au o capacitate redusă de adaptare la mediul de încărcare mecanică [4, 5], ceea ce face ca exercițiile fizice sau încărcarea mecanică crescută să fie mai puțin eficiente la construirea masei osoase. Acest lucru este deosebit de important pentru subiecții mai în vârstă care suferă în mod obișnuit perioade de mobilitate limitată sau de neutilizare a scheletului în perioadele de boală sau în urma unei leziuni sau a unei intervenții chirurgicale; capacitatea acestor subiecți de a recâștiga masa osoasă după o perioadă de descărcare poate fi compromisă.

Efectul descărcării mecanice asupra osului a fost studiat pe larg atât la modelele umane, cât și la cele animale. La om, o perioadă prelungită de descărcare scade semnificativ volumul și densitatea osoasă, așa cum se ilustrează prin studiile de repaus la pat și zboruri spațiale [2, 6, 7]. De exemplu, femeile care au participat la repaus la pat de 60 de zile au avut scăderi de 3-4% ale densității minerale osoase (BMD) în osul trabecular al femurului și tibiei [8]. În mod similar, astronauții care au petrecut timp îndelungat în spațiu au experimentat o pierdere de 1-2% trabeculară a DMO în șold și coloană vertebrală pe lună în spațiu [9]. În mod similar, primele modele de descărcare la șoareci și șobolani, inclusiv studii de zboruri spațiale și suspensia cozii, au descoperit că volumul osos trabecular și cortical se pierde rapid în perioadele de neutilizare [2, 10-13]. Au fost raportate pierderi de 20-50% din volumul osului trabecular în tibia proximală după două săptămâni de descărcare a membrelor posterioare la șobolani adulți [11, 14]. În plus, perioadele mai lungi de descărcare (28 de zile) s-au soldat cu mici

5%) scade în DMO corticală [13, 15]. În timp ce efectul descărcării mecanice asupra osului a fost investigat amănunțit, au existat relativ puține studii care au examinat recuperarea structurală a osului în timpul reîncărcării și factorii care afectează această recuperare. Unele studii care examinează reîncărcarea au indicat că recuperarea completă a DMO necesită o perioadă de reîncărcare de două ori mai mare decât perioada de descărcare [13, 16]. În plus, s-a observat la șobolani că, în timp ce volumul osos revine la nivelurile de control în timpul reîncărcării, oasele au încă mai puține osteoblaste și o rată de formare osoasă mai mică [11].

Efectul descărcării mecanice asupra osului îmbătrânit nu este bine stabilit nici la modelele umane, nici la cele animale. Studiile efectuate asupra zborurilor spațiale la om implică cel mai adesea bărbați tineri sănătoși [6, 7] și există puține studii de repaus la pat folosind pacienți mai în vârstă, dintre care majoritatea au investigat efectul asupra mușchilor, mai degrabă decât asupra oaselor [17, 18]. La modelele animale, puține studii au investigat rolul vârstei în adaptarea oaselor la descărcare [12], iar efectul vârstei asupra răspunsului la reîncărcare nu a fost niciodată investigat. Majoritatea studiilor pe rozătoare au folosit fie animale tinere imature la schelet (șobolani de 5-7 săptămâni) [2, 11, 19], fie animale tinere adulte (șobolani de 4-6 luni) [13, 15, 20]. S-a sugerat că osul șobolanilor în vârstă ar putea să nu răspundă deloc la perioadele scurte de descărcare [12], cu toate acestea, acest lucru se bazează pe un singur studiu și nu a existat nicio examinare a animalelor în vârstă în timpul perioadelor mai lungi de descărcare sau reîncărcare pentru examinare efecte pe termen mai lung. Prin urmare, nu se știe dacă osul îmbătrânit nu răspunde complet la descărcarea mecanică sau dacă există un răspuns adaptativ întârziat la descărcarea mecanică și în ce măsură osul îmbătrânit este capabil să se recupereze după orice pierdere osoasă indusă de descărcare în timpul reîncărcării.

Metode

Animale

Acest studiu a utilizat un total de 63 de șobolani masculi Fisher 344 x Brown-Norway (FBN-F1) de la Institutul Național de Îmbătrânire (NIA) Colonia de rozătoare în vârstă (Charles River Laboratories, Wilmington, MA). Șobolanii aveau fie 9 luni („Adult”, n = 23), fie 28 de ani („În vârstă”, n = 40). Toți șobolanii au fost adăpostiți individual. Șobolanii au fost îngrijiți în conformitate cu liniile directoare stabilite de Institutele Naționale de Sănătate (NIH) privind îngrijirea și utilizarea animalelor de laborator. Toate procedurile au fost aprobate de Comitetul instituțional de îngrijire și utilizare a animalelor de la UC Davis.

Grupuri experimentale și proiectarea studiului

pierderea

Proiectare experimentală. Șobolani adulți (9 luni) și vârstnici (28 luni) (n = 63) au fost folosiți pentru acest studiu. Șobolanii de bază au fost eutanasiați în ziua 0. Grupurile rămase au suferit 14 zile de descărcare a membrelor posterioare, cu un grup de șobolani eutanasiați imediat după descărcarea membrelor posterioare. Toți șobolanii rămași au fost readuși la activitatea normală în cușcă. Șobolanii din ambele grupe de vârstă au fost eutanasiați după 3 sau 7 zile de reîncărcare. Un grup suplimentar de șobolani în vârstă au fost eutanasiați după 7 zile de reîncărcare, cu mers pe jos alergat. Două grupuri suplimentare de șobolani în vârstă au fost eutanasiați după 28 de zile de reîncărcare sau la o vârstă echivalentă pentru controlul vârstei (nu au fost supuși descărcării membrelor posterioare)

Descărcarea membrelor posterioare prin suspensia cozii

Șobolanii au fost supuși descărcării membrelor posterioare prin suspensia cozii, așa cum a fost descris inițial de Morey-Holten [1]. Pe scurt, pielea cozii a fost curățată cu ajutorul unui tampon cu alcool, uscată și apoi pulverizată cu un strat ușor de tinctură de benzoină. O fâșie de Skin-Trac la nivelul cozii a fost apoi înfășurată în jurul unei bare metalice și aplicată pe cele două laturi ale cozii. Coada a fost înfășurată cu bandaj de auto-aderență Medi-Rip LF și apoi animalul a fost suspendat prin atașarea barei metalice la un cârlig pivotant deasupra cuștii suspendate. Înălțimea cârligului a fost reglată astfel încât numai membrele din față să poată atinge fundul cuștii. Șobolanii au putut să se rotească liber în toate direcțiile din cușca lor și au avut acces liber la alimente și apă. Greutatea corporală a șobolanilor a fost luată înainte de suspendare și monitorizată pe toată durata descărcării. După descărcare sau reîncărcare, șobolanii au fost eutanasiați și membrele posterioare au fost colectate și depozitate în etanol 70% înainte de analiză. Studiile anterioare au arătat că depozitarea oaselor în etanol are un efect redus asupra proprietăților mecanice ale osului dacă este rehidratat corespunzător înainte de testare [21, 22].

Activitatea în cușcă

Înainte de descărcare și în timpul reîncărcării, activitatea în cușcă a șobolanilor adulți și vârstnici a fost măsurată utilizând sistemul de activitate cu coli de acasă fotobeam (San Diego Instruments). Fiecare șobolan a fost adăpostit individual și activitatea a fost urmărită pe tot parcursul ciclului de întuneric de 12 ore și în prima oră a ciclului de lumină. Datele au fost analizate folosind software-ul Photobeam Activity System.

Analiza micro-computerizată de tomografie a osului trabecular și cortical

Femurele au fost scanate cu tomografie micro-computerizată (μCT 35, Brüttisellen, Elveția) pentru a analiza modificările morfologice ale osului trabecular și cortical în timpul descărcării și reîncărcării. Oasele au fost scanate cu potențial de tub de raze X 55 kVp, intensitate 114 mA, timp de integrare 900 ms, 15 μm dimensiune nominală izotropă a voxelului. Analiza osului trabecular a fost efectuată la metafiza femurală distală pe o regiune de 200 de felii (3 mm), începând imediat adiacentă plăcii de creștere femurală distală. Fracția volumului osului trabecular (BV/TV), numărul trabecular (Tb.N), grosimea trabeculară (Tb.Th), separarea trabeculară (Tb.Sp) și alți parametri structurali au fost calculați utilizând software-ul de analiză 3D al producătorului. Osul cortical a fost analizat cu 200 de felii (3 mm) volume de interes, centrate la 25, 50 și 75% din lungimea diafizei. Zona oaselor (B.Ar), aria secțiunii transversale totale (T.Ar), grosimea corticală (C.Th), momentele maxime și minime de inerție (Imax și Imin) și alți parametri structurali au fost calculați utilizând analiza 3D a producătorului software.

Încercări mecanice de îndoire în 3 puncte

După imagistica μCT, femurele au fost testate mecanic în îndoire în trei puncte utilizând un sistem de testare a materialelor (ELF 3200, TA Instruments, New Castle, Delaware) pentru a determina proprietățile structurale și mecanice ale osului cortical. Femurele au fost scufundate în soluție salină tamponată cu fosfat timp de cel puțin 10 minute înainte de testare pentru rehidratarea țesutului osos într-o soluție izotonică. Punctul mijlociu al fiecărui femur a fost măsurat și marcat și fiecare probă a fost plasată în configurarea de îndoire în 3 puncte, astfel încât punctul mediu al osului să fie direct sub platonul de încărcare. Cele două platouri inferioare erau la o distanță de 13 mm, iar oasele au fost testate cu aspectul posterior al osului în tensiune. O singură încărcare monotonă pentru fractură a fost aplicată la o rată de încărcare lentă (cvasi-statică) de 1 N/sec. Datele de forță și deplasare au fost înregistrate la 100 Hz. Din datele de forță-deplasare rezultate, punctul de randament a fost identificat vizual ca punctul în care sa încheiat porțiunea liniară a curbei. Din aceste date s-au determinat rigiditatea la îndoire (K), forța de curgere (Fy) și forța finală (Fult). Geometria osoasă determinată din scanarea μCT a fost utilizată pentru a calcula modulul de îndoire (E), tensiunea de randament și tensiunea finală.

Metafiză compresie osoasă trabeculară