Nanostructural and microarchitectural bone properties of human femoral neck : implications for age-related bone fragility in women

Abstract

Background: Hip fractures are among the most important health problems in elderly population worldwide, particularly in elderly women. However, despite extensive research on age-related bone fragility, the factors leading to decreased bone strength in advanced age are not yet clear enough. Indeed, in clinical settings bone mineral density (BMD) assessed by dual energy X-ray absorptiometry has been used as an indicator of hip fracture risk. However, as it has been already pointed out that age-related decrease in BMD fails to fully explain the high increase in hip fracture risk with aging, other bone features also account for age-related deterioration in bone strength. Since bone is a hierarchically organized structure, it can be hypothesized that its strength depends on various features from nano-scale to macro-scale. Although numerous studies addressed macro- and microstructural basis of bone fragility, so far the direct data at microarchitectural level have been scarce. Moreover, nanostructure of the bone mineralized matrix has received insufficient attention with regard to effects of aging and its relation to bone fragility. Hypotheses: Our hypotheses were that region-dependant worsening of bone microarchitecture in elderly women leads to increased femoral neck fragility, and that - besides the microarchitectural deterioration - the age-related nanostructural changes at the bone matrix level contribute to increased bone fragility in elderly women. Material and methods: To test these hypotheses, we analyzed bone specimens from the femoral neck region obtained at autopsy in young and elderly women without hip fracture as well as in a group of postmenopausal women who sustained a hip fracture. Following sectioning process, micro-computed tomography was performed to assess bone microarchitectural properties. Bone nanostructure was analyzed via Topography and Phase modes of Atomic Force Microscopy (AFM), while chemical evaluation of bone material composition encompassed energy dispersive X-ray spectroscopy, quantitative backscatter electron imaging, inductively coupled plasma optical emission spectroscopy and direct current argon arc plasma optical emission spectrometry...

Увод: Преломи кука су један од најзначајнијих здравствених проблема код старих особа широм света, а посебно код старијих жена. Међутим, упркос многобројним истраживањима узрока фрагилности скелета код старијих особа, још увек се врло мало зна о чиниоцима који доводе до смањене чврстоће кости у старости. Минерална густина кости (bone mineral density, BMD) утврђена применом дензитометријске методе (dual energy X-ray absorptiometry, DXA) је дуго сматрана главним показатељем коштане чврстоће и до данас коришћена у клиничкој процени коштане фрагилности и ризика за прелом кука. Међутим, будући да је више аутора указало на податак да старосни пад BMD не може потпуно објаснити значајни пораст ризика oд преломa кука код старијих особа, неопходно је испитати и допринос других коштаних карактеристика смањењу коштане чврстоће са старењем. Како је кост хијерархијски организована структура, може се претпоставити да њена чврстоћа зависи од различитих елемената коштане грађе од нанометарске до макро-скале. Премда су се многобројне студије усредсредиле на испитивање макроструктурне и микроструктурне основе коштане фрагилности, још увек недостају директни подаци о микроархитектури костију код особа са преломом кука. Поред тога, старосним променама наноструктурних параметара самог материјала од кога је кост изграђена није посвећена одговарајућа пажња, као ни њиховом значају за коштану фрагилност. Хипотеза: Нашe хипотезе су биле да регион-зависно погоршање коштане микроархитектуре код старијих жена повећава њихов ризик за прелом кука, као и да се, осим микроструктурних промена, са старењем јављају и наноструктурне промене на нивоу коштаног матрикса које такође доприносе повећаној коштаној фрагилности код старијих жена...