CRITICAL ANALYSIS OF MECHANOSTAT THEORY PART II. STABILITY OF MECHANO-METABOLIC SKELETON ENVIRONMENT AND HOMEOSTATIC PARAMETERS OF CALCIUM IN ORGANISM

Cover Page

Abstract

Aim: Basing on own and literature date to characterize biological necessity of modification the ability of bone structures to be deformed and carrying capacity of lacunar-channel system to provide the basis for interaction between this pathways and parameters of calcium homeostasis. Results: There are two ways of bone matrix remodeling. The first group of pathways is responsible for slow adaptation of bone structures ability to be deformed within physiological range during weeks, months, years. The second group ensures rapid response of carrying capacity of lacunar-channel system (minutes and ours). This two mechanisms function in conjunction with hierarchically organized calcium metabolism. The first level of the latter is direct two-phase exchange of ionized calcium between extracellular liquid of bone tissue and blood: a) paracellular arrival of ionized calcium from blood into the bone; b) transcellular arrival of ionized calcium from extracellular liquid of bone into blood. The second hierarchical level is remodeling of perilacunar matrix by osteocytes. The third hierarchical level is bone remodeling with collaboration both osteoclasts and osteoblasts.

About the authors

A. S. Avrunin

Vreden Russian Research Institute of Traumatology and Orthopedics

Author for correspondence.
Email: a_avrunin@mail.ru
Russian Federation

L. K. Parshin

Saint-Petersburg State Politechnical University

Email: kafedra@ksm.spbstu.ru
Russian Federation

B. E. Melnikov

Saint-Petersburg State Politechnical University

Email: melnikovboris@mail.ru
Russian Federation

References

  1. Аврунин А.С., Корнилов Н.В., Иоффе И.Д., Емельянов В.Г. Колебания массы минерального матрикса скелета. Гений Ортопедии. 2001; (1): 60-62.
  2. Аврунин А.С., Корнилов Н.В., Иоффе И.Д., Емельянов В.Г. Перестройка минерального матрикса костной ткани. Морфология. 2001; (2):37-40.
  3. Аврунин А.С., Корнилов Н.В., Иоффе И.Д., Корнилов Н.Н. Формирование и перестройка минерального матрикса костной ткани. Остеопороз и остеопатии. 2000; (3):2-4.
  4. Аврунин А.С., Корнилов Н.В., Суханов А.В., 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. 68 с.
  5. Аврунин А.С. Минимально необходимое количество исследований ПМПКТ методом ДЭРА при индивидуальной диагностике остеопороза и мониторинге состояния скелета по дистальному отделу предплечья (предварительные рекомендации). Ортопедия, травматология и протезирование. 2009; (1):49-56.
  6. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Климов А.В. Старение костной ткани. Теоретическое обоснование новых путей оптимизации процесса механотрансдукции. Морфология. 2005; (5):19-28.
  7. Аврунин А.С., Тихилов Р.М. Остеоцитарное ремоделирование костной ткани: история вопроса, морфологические маркеры. Морфология. 2011; (1):86-94
  8. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Шубняков И.И. Динамическая оценка остеоцитарного ремоделирования костной ткани при использовании неинвазивного метода. Морфология. 2009; (2):66-73.
  9. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Шубняков И.И., Емельянов В.Г. Неинвазивный клинический метод оценки остеоцитарного ремоделирования. Новый возможности двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии. Ортопедия, травматология и протезирование. 2008; 2:67-74.
  10. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Шубняков И.И., Емельянов В.Г. Оценивает ли двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия параметры физиологического обмена минерального матрикса? Гений ортопедии. 2008; (1):41-49.
  11. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Шубняков И.И., Емельянов В.Г. Позволяет ли метод двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии выявить быстрые колебания проекционной минеральной плотности костной ткани в поясничном отделе позвоночника? Вестник травматологии и ортопедии им. Н. Н. Приорова. 2008; (3):47-52.
  12. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Шубняков И.И. Медицинские и околомедицинские причины высокого внимания общества к проблеме потери костной массы. Анализ динамики и структуры публикаций по остеопорозу. Гений ортопедии. 2009; (3):59-66.
  13. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Шубняков И.И., Паршин Л.К., Мельников Б.Е. Критический анализ теории механостата. Часть I. Механизмы реорганизации архитектуры скелета. Травматология и ортопедия России. 2012; (2):105-116.
  14. Аврунин А.С., Шубняков И.И. Иерархия структурно-функциональной организации скелета. Остеопатия как система диагностики и лечения. Международная конференция. СПб; 2007. C. 29-34.
  15. Анохин П.К. Теория функциональных систем. Успехи физиол. наук. 1970; 1:19-54.
  16. Берталанфи Л. Общая теория систем - критический обзор. В кн.: Садовский В.Н., Юдин Э.Г. ред. Исследования по общей теории систем. М., 1969. 518 с.
  17. Корнилов Н.В., Аврунин А.С., Синюкова И.В., Каземирский В.Е. Биоритмы обменных процессов в костной ткани и диагностическая ценность двойной фотонной рентгеновской абсорбциометрии. Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 1999; (4):52-56.
  18. Крыжановский Г.Н. Биологические ритмы и закон структурно-функциональной дискретности биологических процессов. В кн.: Биологические ритмы в механизмах компенсации нарушенных функций. М.: 1973. с. 20-34.
  19. Крыжановский Г.Н. Расстройство нервной регуляции. В кн.: Патология нервной регуляции функций. М.: 1987. с. 5-42.
  20. Меерсон Ф.З. Адаптация, стресс, профилактика. М.: Наука; 1981. 278 с.
  21. Меерсон Ф.З. Адаптационная медицина: механизмы и защитные эффекты адаптации. М.: Hypoxia medical ltd; 1993. 331 c.
  22. Ньюман У., Ньюман М. Минеральный обмен кости. М.: Иностранная литература; 1961. 270 с.
  23. Селье Г. Очерки об адаптационном синдроме. М.: Медгиз; 1960. 176 с.
  24. Степанова С.И. Биоритмологические аспекты проблемы адаптации. М.: Наука; 1986. 239 с.
  25. Эшби У.Р. Конструкция мозга. М.: Мир; 1962. 398 с.
  26. Ajubi N.E., Klein-Nulend J., Nijweide P.J., Vrijheid-Lammers T., Alblas M.J., Burger E.H. Pulsating fluid flow increases prostaglandin production by cultured chicken osteocytes - a cytoskeleton-dependent process. Biochem Biophys Res Commun. 1996; 225(1):62-68.
  27. Akhter M.P., Cullen D.M., Gong G., Recker R.R. Bone biomechanical properties in prostaglandin EPX and EP2 knockout mice. Bone. 2001; 29(2):121-125.
  28. Amprino R., Engstrom A. Studies on X-ray absorption and diffraction of bone tissue. Acta Anatomica. 1952; XV, Fasc. /: 1-22.
  29. Baud C.A. Submicroscopic structure and functional aspects of the osteocyte. Clin. Orthop. Relat. Res. 1968; 56:227-236.
  30. Baud C.A., Auil E. Osteocyte differential count in normal human alveolar bone. Acta Anat (Basel). 1971; 78(3):321-327.
  31. Baud, C.A. Morphologie et structure inframicroscopique des osteocytes. Acta anat. 1962; 51(3):209-225.
  32. Belanger L.F., Robichon J. Parathormone-induced osteolysis in dogs. A Microradiographic and alpharadiographic survey. J Bone Joint Surg. Am. 1964; 46:1008-1012.
  33. Borle A.B., Nichols N., Nichols G. Metabolic studies of bone in vitro I. Normal bone. J. Biol. Chem. 1960; 235:1206-1210.
  34. Borle A.B., Nichols N., Nichols G. Metabolic studies of bone in vitro. II. The metabolic patterns of accretion and resorption. J. Biol. Chem. 1960; 235:1211-1214.
  35. Brighton C.T., Fisher J.R., Levine S.E., Corsetti J.R., Reilly T., Landsman A.S., Williams J.L., Thibault L.E. The biochemical pathway mediating the proliferative response of bone cells to a mechanical stimulus. J. Bone Joint Surg. Am. 1996; 78(9):1337-1347.
  36. Brighton C.T., Strafford B., Gross S.B., Leatherwood D.F., Williams J.L., Pollack S.R. The proliferative and synthetic response of isolated calvarial bone cells of rats to cyclic biaxial mechanical strain. J Bone Joint Surg. Am. 1991; 73(3):320-331.
  37. Burr D.B., Martin R.B. Errors in bone remodeling: toward a unified theory of metabolic bone disease. Am J. Anat. 1989; 186(2):186-216.
  38. Dempster, D.W. Ремоделирование кости. В кн.: Риггз Б.Л., Мелтон III Л.Д. ред. Остеопороз. СПб., 2000. с. 85-108. Dempster, D.W. Remodelirovaniye kosti [Bone remodeling]. V kn.: Riggz B.L., Melton III L.D. red. Osteoporoz. SPb., 2000. s. 85-108.
  39. Ejersted C., Andreassen T.T., Hauge E.M., Melsen F., Oxlund H., Parathyroid hormone (1-34) increases vertebral bone mass, compressive strength, and quality in old rats bone. Bone. 1995; 17(6):507-511.
  40. Feng J.Q., Ward L.M., Shiguang Liu, Yongbo Lu, Yixia Xie, Baozhi Yuan, Xijie Yu, Rauch F., Davis S.I., Shubin Zhang, Rios H., Drezner M.K., Quarles L.D., Bonewald L.F., White K.E. Loss of DMP1 causes rickets and osteomalacia and identifies a role for osteocytes in mineral metabolism. Nature Genetics. 2006; 38(11):1310-1315.
  41. Feng J.Q., Ye L., Schiavi S. Do osteocytes contribute to phosphate homeostasis? Curr Opin Nephrol Hypertens. 2009; 18(4):285-291.
  42. Frost H.M. In vivo osteocyte death. J. Bone Joint Surg. Am. 1960. 42-A:138-143.
  43. Frost H.M. Mathematical elements of lamellar bone remodeling. Charlesc Thomas, Publisher. Springfield, Ilinois; 1964.
  44. Frost H.M. Micropetrosis. J. Bone Joint Surg. Am. 1960; 42-A:144-150.
  45. Frost H.M. Muscle, bone, and the Utah paradigm: A1999 overview. Med. Sci Sports Exerc. 2000; 32(5):911-917.
  46. Frost H.M. Seeking genetic causes of "osteoporosis": insights of the Utah paradigm of skeletal physiology. Bone. 2001; 29(5):407-412.
  47. Heller-Steinberg M. Ground substance, bone salts, and cellular activity in bone formation and destruction. Am. J. Anat. 1951; 89(3):347-379.
  48. Imai K., Neuman M.W., Kawase T., Saito S. Calcium in osteoblast-enriched bone cells. Bone. 1992; 13(3):217-223.
  49. Jowsey J. Riggs B.I., Kelly P.J. Mineral metabolism in osteocytes. Mayo Clin. Proc. 1964; 39:480-484.
  50. Lane N.E., Yao W., Balooch M., Nalla R.K., Balooch G., Habelitz S., Kinney J.H., Bonewald L.F. Glucocorticoid-treated mice have localized changes in trabecular bone material properties and osteocyte lacunar size that are not observed in placebo-treated or estrogen-deficient mice. J. Bone Miner. Res. 2006; 21(3):466-476.
  51. Marenzana M., Shipley A.M., Squitiero P., Kunkel J.G., Rubinacci A. Bone as an ion exchange organ: Evidence for instantaneous cell-dependent calcium efflux from bone not due to resorption. Bone. 2005; 37(4):545-554.
  52. Marotti G.A, Ferretti M., Muglia M.A., Palumbo C., Palazzini S. A quantitative evaluation of osteoblast-osteocyte on growing endosteal surface of rabbit tibiae. Bone. 1992; 13(5):363-368.
  53. Martin R.B. On the significance of remodeling space and activation rate changes in bone remodeling. Bone. 1991; 12(6):391-400.
  54. Martin R.B. Toward a unifying theory of bone remodeling. Bone. 2000; 26(1):1-6.
  55. McNamara L.M., Majeska R.J., Weinbaum S., Friedrich V., Schaffler M.B. Attachment of osteocyte cell processes to the bone matrix. Anat Rec (Hoboken). 2009; 292(3):355-363.
  56. Nichols G., Rogers P. Mechanisms for the transfer of calcium into and out of the skeleton. Pediatrics 1971; 47(1). Suppl. 2:211-28.
  57. Palumbo C., Palazzini S., Zaffe D., Marotti G. Osteocyte differentiation in the tibia of newborn rabbit: an ultrastractural study of the formation of cytoplasmic processes. Acta Anat (Basel). 1990; 137(4):350-358.
  58. Parfift A.M. The actions of parathyroid hormone on bone: relation to bone remodeling and turnover, calcium homeostasis, and metabolic bone disease. Part I of IV parts: mechanisms of calcium transfer between blood and bone and their cellular basis: morphological and kinetic approaches to bone turnover. Metabolism. 1976; 25(7):809-844.
  59. Remagen W., Caesar R., Heuck F. Elektronenmikroskopische und mikroradiographische Befunde am Knochen der mit Dihydrotachysterin behandelten Rattel. Virchows Arch A Pathol Pathol Anat. 1968; 345(3):245-254.
  60. Remagen W., Hohling H.J., Hall T.A., Caesar R. Electron microscopical and microprobe observations on the cell sheath of stimulated osteocytes. Calcif Tissue Res. 1969; 4(1):60-68.
  61. Rubinacci A., Covini M., Bisogni C., Villa I., Galli M., Palumbo C., Ferretti M., Muglia M.A., Marotti G. Bone as an ion exchange system: evidence for a link between mechanotransduction and metabolic needs. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2002; 282(4):E851-644.
  62. Scarpace P.J., Neuman W.F. The blood: bone disequilibrium. II. Evidence against the active accumulation of calcium or phosphate into the bone extracellular fluid. Calcif Tissue Res. 1976;(2):151-158.
  63. Schaffler M.B., Burr D.B. Stiffness of compact bone: Effects of porosity and density. J Biomech. 1988; 21(1):13-16; Цитировано по Martin R.B. [1991].
  64. Skerry T.M., Bitensky L., Chayen J., Lanyon L.E. Loading-related reorientation of bone proteoglycan in vivo. Strain memory in bone tissue? J. Orthop. Res. 1988; 6(4):547-551.
  65. Skerry T.M., Suva L.J. Investigation of the regulation of bone mass by mechanical loading: from quantitative cytochemistry to gene array. Cell Biochem. Funct. 2003; 21(3):223-229.
  66. Tami A.E., Schaffler M.B., Knothe Tate M.L., Probing the tissue to subcellular level structure underlying bone's molecular sieving function. Biorheology. 2003;40(6):577-590.
  67. Whitfield J.F., Morley P., Willick G.E. Parathyroid hormone, its fragments and their analogs for the treatment of osteoporosis. Treat Endocrinol. 2002;1(3):175-190.
  68. Whitfield J.F. Primary cilium - is it an osteocyte's strain-sensing flowmeter? J. Cell Biochem. 2003; 89(2):233-237.
  69. Zaman G., Cheng M.Z., Jessop H.L., White R., Lanyon L.E. Mechanical strain activates estrogen response elements in bone cells. Bone. 2000; 27(2):233-239.

Statistics

Views

Abstract: 279

Dimensions

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX


Copyright (c)



This website uses cookies

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

About Cookies