Залежність від віку втрати та відновлення кісткової тканини під час розвантаження задніх кінцівок та подальшого перевантаження у щурів

Хейлі К. Каннінгем

1 Група випускників біомедичної інженерії, Каліфорнійський університет, Девіс, Девіс, Каліфорнія, США

Даніель В. Д. Вест

2 Кафедра фізіології та мембранної біології, Каліфорнійський університет, Девіс, Девіс, Каліфорнія, США

Леслі М. Баер

2 Кафедра фізіології та мембранної біології, Каліфорнійський університет, Девіс, Девіс, Каліфорнія, США

Франклін Д. Тарк

3 Кафедра ортопедичної хірургії, Каліфорнійський університет, Медичний центр Девіса, Лоренс Дж. Еллісон, Дослідницький центр опорно-рухового апарату, 4635 2nd Avenue, Suite 2000, Сакраменто, Каліфорнія, 95817 США

Кіт Баар

1 Група випускників біомедичної інженерії, Каліфорнійський університет, Девіс, Девіс, Каліфорнія, США

2 Кафедра фізіології та мембранної біології, Каліфорнійський університет, Девіс, Девіс, Каліфорнія, США

4 Кафедра нейробіології, фізіології та поведінки, Каліфорнійський університет, Девіс, Девіс, Каліфорнія, США

Сью К. Бодін

2 Кафедра фізіології та мембранної біології, Каліфорнійський університет, Девіс, Девіс, Каліфорнія, США

4 Кафедра нейробіології, фізіології та поведінки, Каліфорнійський університет, Девіс, Девіс, Каліфорнія, США

Блейн А. Крістіансен

1 Група випускників біомедичної інженерії, Каліфорнійський університет, Девіс, Девіс, Каліфорнія, США

Пов’язані дані

Набори даних, використані та/або проаналізовані під час поточного дослідження, доступні у відповідного автора на обґрунтований запит.

Анотація

Передумови

Структура та міцність кісток швидко втрачаються в умовах зниженого механічного навантаження, а старі кістки мають знижену здатність пристосовуватися до збільшеного механічного навантаження. Це турбує пацієнтів старшого віку, які переживають періоди обмеженої рухливості або постільного режиму, але гострі наслідки відсутності використання на кістках літніх пацієнтів докладно не описані. Попередні дослідження на тваринах насамперед вивчали вплив механічного розвантаження на молодих тварин. Ті, хто вивчав вікових тварин, зосереджувались виключно на втраті кісткової маси під час розвантаження, а не на відновленні кісток під час подальшої перезавантаження. У цьому дослідженні ми досліджували вплив зменшеного механічного навантаження та подальшого перевантаження на кістки за допомогою моделі розвантаження задніх кінцівок у дорослих (9 місяців) та вікових (28 місяців) самців щурів.

Методи

Тварин з обох вікових груп піддавали 14-денному розвантаженню задніх кінцівок з подальшим перевантажуванням до 7 днів. Додаткові старі щури піддавались 7-денному примусовому тренуванню на біговій доріжці під час перезавантаження або загальному 28-денному перезавантаженню. Трабекулярну та коркову кісткову структуру стегнової кістки визначали кількісно за допомогою мікро-комп’ютерної томографії ex vivo (μCT), а механічні властивості визначали кількісно за допомогою механічного тестування.

Результати

Ми виявили, що у дорослих щурів суттєво зменшилась об'ємна частка трабекулярної кістки (BV/TV) після розвантаження (- 27%), тоді як у вікових тварин після розвантаження не спостерігалася значної втрати кісткової маси. Однак у вікових тварин рівень трабекулярного BV/TV був нижчим після 3 днів перезавантаження (- 20% порівняно з вихідним рівнем), тоді як трабекулярний BV/TV дорослих щурів не відрізнявся від вихідних значень після 3 днів перезавантаження. Трабекулярний BV/TV вікових тварин залишався нижчим, ніж контрольні тварини, навіть при фізичному навантаженні протягом 7 днів перезавантаження та після 28 днів перезавантаження.

Висновки

Ці дані свідчать про те, що постаріла кістка менш реагує як на збільшене, так і на зменшене механічне навантаження, і що гострі періоди невикористання можуть призвести до тривалого дефіциту трабекулярної кісткової маси у людей старшого віку. Ці висновки вказують на необхідність терапевтичних стратегій для поліпшення здоров'я скелета пацієнтів похилого віку в періоди відсутності.

Передумови

Кістка зазнає значного і швидкого занепаду за структурою та міцністю за відсутності механічного навантаження [1–3]. Крім того, кістки людей похилого віку та тварин мають знижену здатність пристосовуватися до механічного навантажувального середовища [4, 5], роблячи фізичне навантаження або підвищене механічне навантаження менш ефективними при нарощуванні кісткової маси. Це особливо важливо для людей старшого віку, які зазвичай переживають періоди обмеженої рухливості або порушення роботи скелета у періоди хвороби або після травми чи операції; здатність цих суб'єктів відновлювати кісткову масу після періоду розвантаження може бути порушена.

Вплив механічного розвантаження на кістки широко вивчався як на людях, так і на моделях тварин. У людей тривалий період розвантаження значно зменшує об’єм і щільність кісткової тканини, як показано на підставі досліджень режиму постільного режиму та космічного польоту [2, 6, 7]. Наприклад, у жінок, які брали участь у 60-денному постільному режимі, зниження мінеральної щільності кісткової тканини (МЩКТ) у трабекулярній кістці стегнової та гомілкової кісток зменшилось на 3-4% [8]. Подібним чином астронавти, які проводили тривалий час у космосі, зазнавали 1-2% трабекулярної втрати МЩКТ у стегнах та хребті на місяць у космосі [9]. Подібним чином, ранні моделі вивантаження на мишах і щурах, включаючи дослідження космічного польоту та підвіску хвоста, виявили, що об'єм трабекулярної та коркової кісток швидко втрачається під час періодів відсутності [2, 10–13]. Повідомлялося про втрати 20–50% об’єму трабекулярної кістки в проксимальній частині гомілки після двох тижнів розвантаження задніх кінцівок у дорослих щурів [11, 14]. Крім того, довші напади розвантаження (28 днів) призвели до невеликих (