Postnatal Bone Ontogeny

Abstract

Viimeisen vuosikymmenen aikana monet luonnontieteelliset alat ovat olleet murrosvaiheessa uusien entistä hienostuneempien tutkimusmenetelmien kehityttyä. Geenien, molekyylien ja reseptoreiden tutkimisesta on tullut myös luututkimuksen pääsuuntaus. Usein tämä kuitenkin tuntuu tapahtuvan sen kustannuksella, että unohdetaan luuston perustehtävä liikkumisen mahdollistavana tukirankana ja siten sen tärkeimmät ominaisuudet: lujuus ja jäykkyys.

Jo 1800-luvulla osoitettiin, että luulla on erityinen kyky mukautua siihen kohdistuvaan kuormitukseen. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että aktiivisilla, liikkuvilla yksilöillä luut ovat vahvempia ja vuodelevossa olevilla luut ovat heikompia. Luiden ominaisuuksien selvittämiseksi on olemassa monia, lähinnä röntgen-säteilyä hyväksikäyttäviä, tutkimusmenetelmiä. Luun äärettömän monimutkaisen ja hienostuneen rakenteen takia nämä menetelmät eivät pysty antamaan tarkkaa arviota sen lujuudesta. Tästä syystä kokeellisessa luututkimuksessa on käytettävä biomekaanisia testejä, joissa luuta kuormitetaan katkeamiseen saakka.

Tämän väitöstutkimuksen ensimmäisessä osassa tutkittiin biomekaanisten testien käytettävyyttä luututkimuksessa ja kehitettiin uusi biomekaaninen testi rotan reisiluun lujuuden selvittämiseksi. Koe-eläinmallin käyttäminen mahdollisti luiden todellisen lujuuden selvittämisen väitöstutkimuksen toisessa osassa. Tässä tarkasteltiin kasvun, naishormonin (=estrogeenin) ja mekaanisen kuormituksen vaikutuksia luustoon. Tutkimuksen perusteella sisäsyntyiset tekijät riittävät muodostamaan luusta lähes totunnaisen kokoisen, vaikka ulkoista vaikutusta (kuormitusta) ei olisikaan. Sen sijaan kuormitus on välttämätöntä luun ominaisen muodon kehittymisen kannalta. Naishormonin osuus vaikuttaa tutkimuksen perusteella olevan määrällisesti vähäinen mutta tarkoituksenmukainen lisäten mineraalivarantoja luustoon jälkeläistuotannon tarpeisiin.

Murtumat ja siihen altistava osteoporoosi eli luukato ovat yksi kansanterveydellisesti merkittävimmistä haasteista länsimaissa. Ikääntymiseen liittyvän osteoporoosin uskotaan yleisesti johtuvan vanhan luun kykenemättömyydestä mukautua siihen kohdistuvaan kuormitukseen. Tämän seurauksena luuta hajottavat tekijät heikentävät luuta, mikä altistaa murtumille. Ihmisillä tehdyissä tutkimuksissa on osoitettu, että runsas liikunta ikääntyneillä on korkeintaankin luun kuntoa ylläpitävää mutta harvoin luuta vahvistavaa. Tämän tutkimuksen kolmannessa osassa osoitettiin, että vanhan rotan luun mukautumiskyky on yhtäläistä nuorten yksilöiden luihin verrattuna. Onkin ilmeistä, että ihmisillä tehtyjen tutkimusten vaatimattomat tulokset johtuvat pääasiassa siitä, että vanhusten on äärimmäisen vaikeaa kuormittaa luustoaan riittävän voimakkaasti säilyttäen samalla riittävä turvallisuus. Tutkimustulos viittaa siihen, että mikäli turvallisia ja tehokkaita kuormitusmenetelmiä pystyttäisiin kehittämään, ikääntymiseen liittyvän osteoporoosin kehittymiseen saatetaan voida vaikuttaa luonnollisesti kuormituksen avulla.

The objective of this thesis was to gain further insight into the skeletal ontogeny over the life-span, with a focus on the pathogenesis of age-related osteoporosis. A large portion of the thesis relates to the development of new methods as well as the enhancement of the existing methodology used in experimental bone research. First, referring to the extensive literature survey, it was shown that the breaking load remains the preferable trait for analyzing and reporting the mechanical competence of bones in experimental osteoporosis studies, while the utility of stiffness and energy absorption is seriously challenged due to their poor precision. Secondly, it was shown that the functional adaptation of bones to increased loading is direction-specific, occurring virtually exclusively in the mediolateral direction of the rat femoral midshaft. This finding led to the development (introduction and validation) of a novel testing method for assessing the structural rigidity of the rat femur in this particular direction. The test was used in an experimental study aiming to delineate the respective effects and the possible interaction of locomotive loading and estrogen on the normal development of the rat femoral midshaft. It was shown that the longitudinal growth of rat femur is largely irrespective of locomotive loading or estrogen. However, the phenotype of midshaft geometry was interestingly influenced by both locomotive loading and estrogen. The preform circular cross-section obtained its characteristic elliptic shape as a consequence of locomotive loading. The osteogenic effect of estrogen, in turn, occurred at the endosteal surface of the femur, possibly as this is the most efficient site for mineral metabolism. In the final experiment of this thesis, mature and senescent rats were subjected to a treadmill training intervention, to show that even the bones of very old rats are able to respond appropriately to the increased locomotive loading. Thus, it is unlikely that the pathogenesis of age-related osteoporosis is attributable to a failure in the mechano-sensory system. This finding implies that strengthening of senescent human bones may also be possible naturally provided that safe and efficient training methods can be developed for the oldest old.