Fibrillogenese und Mineralisierung in Knochen : quantitative Analyse und Auswirkungen auf die Gewebselastizität

Abstract

Zsfassung in dt. SpracheExperimentelle Daten von Dehydrierungs-, Demineralisierung- und Deorganifizierungstests wurden über eine Zeitspanne von mehr als 80 Jahren gesammelt. Diese Ergebnisse weisen eine Unzahl an unterschiedlichen chemischen Kompositionen verschiedenster Knochenmaterialien auf. Nach Analyse dieser Daten, bei dem die chemischen Konzentrationen von Hydroxyapatit, Wasser und organischem Material (hauptsächlich Kollagen) in der extrazellulären Knochenmatrix extrahiert wurden, zeigen diese eine erstaunliche Tatsache: Es stellt sich heraus, dass eine eindeutige bilineare Beziehung zwischen der organischen und der mineralischen Konzentration existiert die gültig ist für unterschiedliche Spezien, Organe und Altersgruppen (von früher Kindheit bis Senilität): während dem Organwachstum steigt die Mineralkonzentration linear mit der organischen Konzentration (welche während der Fibrillogenese steigt), wohingegen die mineralische Konzentration während des Erwachsenenalters weiterhin ansteigt und mit einer Verminderung der organischen Konzentration begleitet wird. Diese Beziehungen implizieren ein eindeutiges Massendichte-Konzentrationen-Gesetz für Fibrillogenese und Mineralisierung, welche in Kombination mit einem Mikromechanik Modell eine "universelle" Massendichte-Elastizität-Beziehung in der extrazellulären Knochenmatrix aufweisen. Dies zeigt eine quantitative Reflektion des fein abgestimmten Zusammenspiels zwischen Osteoblasten, Osteoklasten, Osteozyten und deren Vorläuferzellen, welche die chemische Entstehung und durchgehende Transformation der extrazellulären Knochenmatrix kontrollieren. Betrachtungen der zuvor genannten Regeln können einen starken Einfluss auf den potentiellen Erfolg von Gewebszüchtungsstrategien haben, vor allem bei der Umsetzung der Wachstums- und Mineralisierungscharakteristiken in gewebsspezifische Elastizitätseigenschaften.Data from bone drying, demineralization, and deorganification tests, collected over a time span of more than eighty years, evidence a myriad of different chemical compositions of different bone materials.However, careful analysis of the data, as to extract the chemical concentrations of hydroxyapatite, of water, and of organic material (mainly collagen) in the extracellular bone matrix, reveals an astonishing fact: it appears that there exists a unique bilinear relationship between organic concentration and mineral concentration, across different species, organs, and age groups, from early childhood to senility: During organ growth, the mineral concentration increases linearly with the organic concentration (which increases during fibrillogenesis), while from adulthood on, further increase of the mineral concentration is accompanied by a decrease in organic concentration. These relationships imply unique mass density-concentration laws for fibrillogenesis and mineralization, which - in combination with micromechanical models - deliver 'universal' mass density-elasticity relationships in extracellular bone matrix - valid across different species, organs, and ages. They turn out as quantitative reflections of the well-instrumented interplay of osteoblasts, osteoclasts, osteocytes, and their precursors, controlling, in a fine-tuned fashion, the chemical genesis and continuous transformation of the extracellular bone matrix. Considerations of the aformentioned rules may strongly affect the potential success of tissue engineering strategies, in particular when translating, via micromechanics, the aformentioned growth and mineralization characteristics into tissue-specific elastic properties.11