A Multimodal Analysis of Cement Lines in Human Osteonal Bone

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Mineralization and Mechanical Insights of Cement Lines in Human Osteonal Bone

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Biomechanics and mechanobiology of mineralized fibrocartilage at the tendon-bone attachment

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Combining high-resolution imaging techniques to reveal the structure and function of fibrocartilage at the tendon-bone insertion

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Der Effekt mechanischer Belastung auf die Knochenkrankheit in einem Modell des multiplen Myeloms

Multiple myeloma is a cancer of white blood cells which migrate to the bone marrow. In the bone marrow cavity these malignant cells interact with the present bone cells and over activate osteoclasts while simultaneously suppressing osteoblasts. These interactions lead to catastrophically bone loss, visible in radiographs as characteristic lesions within the cortex of bone. This progressed disease state is called multiple myeloma bone disease. While there are anti-resorptive therapies for the bone disease, till this day there is no anabolic treatment. A promising nonpharmacological therapy to prevent bone loss or even form new bone and therefore decrease fracture risk are physical stimuli such as exercise. While exercise is known to be beneficial to bone in healthy patients, it is largely unknown how physical stimuli effect multiple myeloma bone disease and if it is a valid therapeutic approach. Moreover, it is unknown how physical stimuli in the presence of multiple myeloma and even multiple myeloma itself influence the material quality of bone. The overall aim of this work was to investigate how controlled in vivo loading affects the bone mass, the microstructure, bone formation and resorption and the material quality in the presence of multiple myeloma. To obtain these answers, a wide range of material characterisation techniques were used. An axial compressive loading model was used to apply super-physiological loads to the tibiae of young, tumor bearing mice. The first aim was to study the effect of additional mechanical loading on the cortical and trabecular bone mass, microstructure and bone formation and resorption in the metaphyseal region of tumor injected tibia. The obtained results showed that in vivo loading can counteract the deleterious effects of the tumor. In tumor injected loaded mice, the cortical and trabecular bone mass was maintained as well as the microstructure in comparison to the nonloaded tumor injected mice. Furthermore, bone formation was increased in response to loading in those tumor bearing mice, while the resorption was not influenced. An interesting result was that the injection of either the tumor cells or a phosphate buffered saline solution led to a healing response in the tibia and subsequently to higher bone formation. However, loading did not seem to influence the material quality of bone. All parameters measure in loaded tumor bearing mice did not differ from nonloaded tumor bearing mice. Thus, the tumor does not alter the quality of the newly formed cortical bone, since no significant differences have been found in bone composition. However, the injection itself altered the material composition of bone, foremost in increased matrix mineralization and crystal size of the hydroxyapatite crystals in the bone matrix. The reason for this effect remains unclear, since the injected solution or the healing response of bone could cause such changes in material quality. Taken together, the presented results provide a broader understanding of the influence of additional mechanical stimuli in the presence of multiple myeloma. It can be concluded that mechanical stimulation can counteract the bone disease and therefore diminish or mitigate the deleterious bone loss. Furthermore, newly formed bone does not seem to lack quality. Therefore, mechanical stimulation could be a viable option as an adjuvant therapy in patients suffering from multiple myeloma bone disease.Das multiple Myelom beschreibt bösartig entartete antikörperproduzierende Zellen, welche ins Knochenmark wandern und dort ihre Nische finden. Diese entarteten Zellen interagieren mit den dort präsenten Knochenzellen und hyperaktivieren Osteoklasten bei gleichzeitiger Suppression der Osteoblasten. Diese Interaktionen führen zu einem katastrophalen Knochenverlust, sichtbar in Röntgenaufnahmen als charakteristische Läsionen im Kortex der befallenen Knochen. Die so vorangeschrittene Krankheit wird mit antiresorptiven Medikamenten behandelt, aber bis zum heutigen Tag gibt es keine Behandlung zum Wiederaufbau des Knochens. Eine vielversprechende nicht-medikamentöse Therapie, um Knochenverlust vorzubeugen oder neuen Knochen aufzubauen und dementsprechend das Frakturrisiko zu senken, ist mechanische Stimulation. Es ist bekannt, dass sportliche Betätigung bei Gesunden positive Auswirkung auf die Knochenmasse hat. Es ist jedoch unklar, ob dies auch für Patienten mit multiplen Myelom gilt und ein therapeutischer Ansatz sein könnte. Weiterhin ist es unklar, inwiefern physikalische Stimuli die Materialqualität des Knochens bei Patienten mit multiplem Myelom beeinflussen. Das vorrangige Ziel dieser Arbeit war zu untersuchen, wie die kontrollierte mechanische Belastung in vivo die Knochenmasse, -mikrostruktur, -formation und -resorption und die Materialeigenschaften des Knochens bei gleichzeitiger Präsenz eines multiplen Myeloms beeinflusst. Dafür wurden verschiedene Methoden zur Materialcharakterisierung angewandt. Ein mechanisches Belastungsmodell mit axialer Kompression wurde benutzt, um superphysiologische Belastung in der Tibia von jungen, tumortragenden Mäusen zu induzieren. Als erstes wurde der Effekt der zusätzlichen mechanischen Belastung auf kortikale und trabekuläre Knochenmasse, -mikrostruktur und Knochenformation und -resorption in der Metaphyse der tumortragenden Tibia untersucht. Die in vivo Ergebnisse zeigen, dass die mechanische Belastung den schädlichen Auswirkungen des Tumors entgegenwirken kann. Im Vergleich zu nicht mechanisch belasteten tumorinjizierten Mäusen, war die kortikale und trabekuläre Knochenmasse erhalten und die Mikrostruktur erheblich verbessert. In diesen mechanisch belasteten tumorinjizierten Mäusen war die Knochenformation erhöht. Ein Einfluss auf die Knochenresorption konnte nicht nachgewiesen werden. Dass durch die direkte Injektion von Tumorzellen oder Phosphatlösung in die Tibia ein Heilungsprozess im Knochen ausgelöst wurde, was auch zu einer erhöhten Knochenmasse führte, ist ein überraschendes Ergebnis. Weitere materialcharakteristische Untersuchungen zeigten, dass mechanische Belastung nicht zu Veränderungen in der Materialqualität von kortikalem Knochen führten. Alle in tumorinjizierten und mechanisch belasteten Mäusen untersuchten Parameter waren nicht verändert im Vergleich zu mechanisch nichtbelasteten tumorinjizierten Mäusen. Der Tumor beeinflusste also nicht die Qualität von neugebildetem kortikalem Knochen. Die Injektion als solche aber beeinflusste die Materialzusammensetzung des Knochens. Hauptsächlich konnte eine Erhöhung der Mineralisierung der Knochenmatrix sowie der Dicke der Hydroxyapatitkristalle nachgewiesen werden. Die Mechanismen dieser Veränderung bleiben unklar, jedoch könnte der beobachtete Heilungsprozess zu solchen Veränderungen in der Materialzusammensetzung führen. Zusammenfassend ermöglichen die präsentierten Ergebnisse ein besseres Verständnis des Einflusses mechanischer Belastung auf Knochen mit präsentem multiplen Myelom. Es kann geschlussfolgert werden, dass mechanische Stimulation dem schädlichen Einfluss des multiplen Myeloms auf den Knochen und damit auch dem Knochenverlust entgegenwirken kann. Weiterhin scheint der neugebildete Knochen nicht kompromittiert. Daher könnte mechanische Stimulation eine mögliche adjuvante Therapieoption bei Patienten mit multiplem Myelom darstellen

Mineral Content and Mechanical Properties of Cement Lines in Human Osteonal Bone

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In Vivo and In Vitro Mechanical Loading of Mouse Achilles Tendons and Tenocytes—A Pilot Study

Mechanical force is a key factor for the maintenance, adaptation, and function of tendons. Investigating the impact of mechanical loading in tenocytes and tendons might provide important information on in vivo tendon mechanobiology. Therefore, the study aimed at understanding if an in vitro loading set up of tenocytes leads to similar regulations of cell shape and gene expression, as loading of the Achilles tendon in an in vivo mouse model. In vivo: The left tibiae of mice (n = 12) were subject to axial cyclic compressive loading for 3 weeks, and the Achilles tendons were harvested. The right tibiae served as the internal non-loaded control. In vitro: tenocytes were isolated from mice Achilles tendons and were loaded for 4 h or 5 days (n = 6 per group) based on the in vivo protocol. Histology showed significant differences in the cell shape between in vivo and in vitro loading. On the molecular level, quantitative real-time PCR revealed significant differences in the gene expression of collagen type I and III and of the matrix metalloproteinases (MMP). Tendon-associated markers showed a similar expression profile. This study showed that the gene expression of tendon markers was similar, whereas significant changes in the expression of extracellular matrix (ECM) related genes were detected between in vivo and in vitro loading. This first pilot study is important for understanding to which extent in vitro stimulation set-ups of tenocytes can mimic in vivo characteristics

Prevention of Bone Destruction by Mechanical Loading Is Not Enhanced by the Bruton’s Tyrosine Kinase Inhibitor CC-292 in Myeloma Bone Disease

Limiting bone resorption and regenerating bone tissue are treatment goals in myeloma bone disease (MMBD). Physical stimuli such as mechanical loading prevent bone destruction and enhance bone mass in the MOPC315.BM.Luc model of MMBD. It is unknown whether treatment with the Bruton’s tyrosine kinase inhibitor CC-292 (spebrutinib), which regulates osteoclast differentiation and function, augments the anabolic effect of mechanical loading. CC-292 was administered alone and in combination with axial compressive tibial loading in the MOPC315.BM.Luc model for three weeks. However, neither CC-292 alone nor its use in combination with mechanical loading was more effective in reducing osteolytic bone disease or rescuing bone mass than mechanical stimuli alone, as evidenced by microcomputed tomography (microCT) and histomorphometric analysis. Further studies are needed to investigate novel anti-myeloma and anti-resorptive strategies in combination with physical stimuli to improve treatment of MMBD

NOTCH Signaling Is Activated through Mechanical Strain in Human Bone Marrow-Derived Mesenchymal Stromal Cells

Skeletal development and remodeling of adult bone are critically controlled by activated NOTCH signaling in genetically modified mice. It is yet unclear whether NOTCH signaling is activated by mechanical strain sensed by bone cells. We found that expression of specific NOTCH target genes is induced after in vivo tibial mechanical loading in wild-type mice. We further applied mechanical strain through cyclic stretching in human bone marrow-derived mesenchymal stromal cells (BMSCs) in vitro by using a bioreactor system and detected upregulation of NOTCH target gene expression. Inhibition of the NOTCH pathway in primary BMSCs as well as telomerase-immortalized human BMSCs (hMSC-TERT) through the gamma-secretase inhibitor GSI XII blocked mechanotransduction and modulated actin cytoskeleton organization. Short-hairpin RNA gene silencing identified NOTCH2 as the key receptor mediating NOTCH effects on hMSC-TERT cells. Our data indicate a functional link between NOTCH activation and mechanotransduction in human BMSCs. We suggest that NOTCH signaling is an important contributor to molecular mechanisms that mediate the bone formation response to mechanical strain