Original paper
Anpassung der Knochenstruktur an mechanische Beanspruchung
[Adaptation of bone structure to mechanical stress]
Amtmann, E.; Doden, E.
Zeitschrift für Morphologie und Anthropologie Band 72 Heft 1 (1981), p. 1 - 21
27 references
published: Mar 16, 1981
ArtNo. ESP168007201000, Price: 19.00 €
Kurzfassung
Zur Analyse des multifaktoriellen Zusammenhanges zwischen mechanischer Beanspruchung und Wachstumsanpassungen im Knochen wurde eine Serie von Experimenten an Inzuchtstämmen von Ratten und Hunden durchgeführt. Die Tiere wurden mittels Zentrifugen einer erhöhten Beschleunigung oder mittels eines Laufrades einem Laufradtraining unterworfen. Die Ergebnisse mehrerer Maximum-Likelihood-Faktorenanalysen lassen sich zu einem Wachstumsmodell des Rattenfemurs zusammenfassen. Ein von der mechanischen Beanspruchung unabhängiger Wachstumsfaktor stimuliert postnatal und altersparallel das Längenwachstum des Femurs, den periostalen Knochenanbau, die Mineralisation und Festigung des Knochengewebes. Diese Wachstumsprozesse werden durch über mehrere Tage wirkende mechanische Beanspruchungen modifiziert: Das Epiphysenwachstum wird durch hohe Beanspruchungen inhibiert, durch leicht erhöhte aber stimuliert; die Querschnittsfläche in der Mitte des Femurs wird durch periostalen und endostalen Knochenanbau vergrößert; Dichte und Festigkeit werden gleichfalls erhöht. Eine andere Reaktion wird durch eine Erhöhung der je Tag in der Mitte des Femurs auftretenden Biegebeanspruchungen hervorgerufen: Am periostalen Rand wird Knochen abgebaut, am endostalen dagegen angebaut, so daß der Knochenschaft außen schlanker und innen enger wird. Dieses Modell stimmt grob mit den Ergebnissen der Experimente an Beagle-Hunden überein. Mikroradiographisch lassen sich jedoch bedeutsame Differenzen in der Knochenmorphologie des Ratten- und Hundefemurs darstellen. Während beim Rattenfemur ein stark vaskularisierter, aber schwach mineralisierter Knochenzylinder von einer dichten und schwach vaskularisierten Knochenschale umgeben ist, besteht der Mittelschaft des Hundefemurs aus hoch mineralisiertem laminaren Knochen, der von schwach mineralisierten Osteonen longitudinal durchdrungen wird. Die experimentellen Ergebnisse und die generelle Beanspruchungsverteilung in einem auf Biegung beanspruchten Röhrenknochen deuten daraufhin, daß der innere Knochenzylinder im Rattenfemur und die Osteone im Hundefemur eher dem Mineralstoffwechsel dienen, während die feste dichte äußere Knochenschale bei der Ratte und der dichte laminare Knochen beim Hund eher geeignet sind, hohe Biegebeanspruchungen aufzunehmen. Auch beim Menschen stimmen die Orientierung und die Verteilung der schwach mineralisierten Osteone im Knochenquerschnitt sowie die Dichte- und Festigkeitsverteilung im Femurschaft mit der Vorstellung überein, daß der osteonäre Knochenanteil primär metabolische Funktion hat.
Abstract
To elucidate the multifactorial relationships between mechanical stress and the various growth adaptations in bones, a series of experiments has been conducted on inbred strains of rats and dogs. The animals were chronically exposed to a hypergravic environment, as produced by centrifuges, or to running exercise in a tread mill. The results of the various maximum-likelihood factor analyses are summarized in a growth model of the rat femur. Postnatally and parallel to age, a basic growth factor, which exhibits no relationship with mechanical stresses, stimulates longitudinal growth of the femur, periosteal apposition of bone, and mineralization and strengthening of bone tissue. These growth processes are modified by mechanical stresses applied for a period of several days: epiphyseal growth is inhibited by high stresses, stimulated, however, by slightly elevated stress; the cross-sectional area at mid-length of the femur is increased by periosteal and endosteal apposition of bone; bone density and strength are also increased. A different reaction at mid-length of the femur results from an increase in the number of bending loads applied per day: while at the outer surface bone tissue is removed, new bone is laid down endosteally so that the shaft becomes more slender externally and narrower internally. This model is roughly in line with the results of the experiments conducted on Beagle dogs. However, microradiographic analyses of 100 µm cross sections from rat and dog femora reveal significant differences in bone tissue morphology. While in the rat femur a cylinder of highly vascularized and modestly mineralized bone is enclosed by a poorly vascularized but dense bone shell, the middle of the dog femur is constructed of highly mineralized laminar bone longitudinally traversed by low mineralized osteons. The experimental results and the mode of stress distribution in a tubular bone subjected to bending suggest that the inner bone cylinder in the rat femur and the osteons in the dog bone are more suitable for metabolic functions, while the hard outer shell of dense bone in the rat and the dense laminar bone in the dog are more apt to withstand high bending stresses. Also in man the orientation and distribution of lower mineralized osteons and resorption cavities across the femoral cross sections, as well as the density and strength distribution in the femoral shaft, are congruous with the assumption that the osteonic bone has a primarily metabolic function.
Keywords
bones • femur • periosteal • endosteal • stress • rats • dogs • metabolic