Vaskulær porøsitet afspejler regional mekanisk belastning
Porer relateret til vaskularisering af knogle, herunder resorptionsbassiner og Haversianske kanaler, er et produkt af mekanisk induceret modellering og remodellering. Knoglemodellering involverer koncentriske lameller af knogle, der omgiver et blodkar, hvilket producerer en primær osteon med en central pore, der indeholder vaskulatur (Stout et al., 1999; Burr og Akkus, 2014). Knoglemodellering begynder med osteoklaster, der tunnelerer gennem knoglen og danner en “skærekegle”, der i tværsnit fremstår som en stor, uregelmæssigt formet pore kaldet en “resorptionsbugt” (Stout og Crowder, 2011; van Oers et al., 2008). Hvis den mekaniske belastning og den fysiologiske kapacitet er tilstrækkelig til at inducere dannelsen af ny knogle, fyldes resorptionskammeret ud med koncentriske lameller af knogle, hvorved der dannes en sekundær osteon med en central pore kaldet en “Haversiansk kanal” (Burr og Akkus, 2014). Hvis knogledannelsen ikke er fuldstændig, vil resorptionskammeret forblive som en stor pore. Tilstødende resorptionsporer nær marvhulen kan smelte sammen til store “trabekuliserede” porer, hvis deres interstitielle regioner resorberes (Zebaze et al., 2009).
Individuelle vaskulære porer danner et komplekst tredimensionelt netværk, der er indbyrdes forbundet af forgrenede hændelser og tværgående kanaler, undertiden kaldet “Volkmann’s kanaler” (Tappen, 1977; Stout et al., 1999). Mens tværgående kanaler og Volkmanns kanaler undertiden bruges som ombyttelige udtryk, bemærker Maggiano et al. (2016) den historiske skelnen. Volkmanns (1863) oprindelige beskrivelse henviste til vaskulære kanaler, der blev dannet under osteomyelitis, og som brød ud af deres Haversian-system for at kanalisere tilstødende knogle. Derfor mangler disse Volkmann’s kanaler omgivende lameller (Jaffe, 1929; Cooper et al., 1966). Tappen (1977) beskriver tværkanaler, der er omgivet af lameller, fordi de støder op til en remodelleringsbegivenhed, enten ved at skærekeglen “bryder ud” lateralt fra en eksisterende BMU eller “svinger rundt” under remodellering. Maggiano et al. (2016) brugte synkrotron-µCT til at fastslå, at tværkanaler generelt opstår gennem en af følgende processer: (1) lateral forgrening af en kanal med mindre diameter fra en kanal med større diameter, (2) dikotomisk forgrening, hvor en kanal deler sig i to kanaler af samme størrelse for at producere en “dumbbell”-formet osteon, eller (3) intraosteonal remodellering, der involverer et yngre haversiansk system, der remodellerer et eksisterende, ældre haversiansk system og potentielt genbruger dets blodkar. Forgreningsbegivenheder er blevet rapporteret til at forekomme i gennemsnit hver 2,5 mm (Beddoe, 1977) til 3 mm (Koltze, 1951) langs en kanal.
I henhold til Frosts (1990) mekanostatmodel undertrykker høj belastning knogleresorption og bør reducere knogleporøsiteten, mens lav belastning er permissiv for knogleresorption og bør øge knogleporøsiteten. Da porøsitet er et produkt af remodellering, bør intraskeletal varians i porøsitet afspejle intraskeletal varians i remodelleringshastigheden (Cho og Stout, 2011). For eksempel menes det, at ribben på grund af deres høje omsætningshastighed mister knogle tidligere end mere dynamiske og vægtbærende skeletelementer (Epker et al., 1965; Agnew og Stout, 2012). Hunter og Agnew (2016) fandt dog ikke signifikante forskelle i procentvis porøsitet mellem distal radius, midtskafts ribben og midtskafts lårbenet fra de samme individer. På samme måde observerede Cole og Stout (2015) ikke signifikante forskelle i procent porøsitet ved midtskaft af lårbenet, skinnebenet og ribbenet hos de samme individer i en lille stikprøve. De fandt dog, at ribbenet udviste en signifikant større trabekulær porøsitet end lårbenet eller skinnebenet, som fortrinsvis dannede kortikale porer (Cole og Stout, 2015). Ribbenet oplever en omfattende trabekularisering af cortexen med alderen, idet porerne ved siden af endosteum smelter sammen med hinanden og marvhulen. Da disse porer er forenet med marvhulen, vil de sandsynligvis blive udelukket fra porekvantificering under analysen, hvilket slører det sande forhold mellem porøsitet og aldring og knoglestyrke (Hunter og Agnew, 2016; Dominguez og Agnew, 2014). Zebaze et al. (2009) fandt, at udelukkelse af den trabekuliserede cortex undervurderer porøsiteten med ~2,5 gange.
I de midthorakale (4-7) ribben gør subtraktion af porøse hulrum kortikalområdet til en bedre forudsigelse af spidskraften, den strukturelle stivhed og den samlede energi, der kræves for at brække ribbenet. Disse forbedringer er signifikante, men små, hvilket tyder på, at knogletab ved endosteum, der afspejles i målinger af tværsnitlig knoglemængde, er vigtigere for forudsigelse af knoglestyrke i ribben (Dominguez et al., 2016). På samme måde skyldes den samlede reduktion i knoglemassen i distale radius mellem 50 og 80 år i høj grad porøs trabekularisering ved endosteum (47 %), efterfulgt af trabekulær knogleudtynding (32 %) og derefter dannelse af porer i cortex (21 %) (Zebaze et al., 2010). Primæriteten af denne “usynlige” trabekulæriserede porøsitet i nogle skeletelementer er med til at forklare, hvorfor visse patologiske tilstande synes at fremskynde intrakortikal poredannelse i nogle knogler, men ikke i andre. For eksempel fandt Villanueva et al. (1966), at osteoporotiske ribben havde normal intrakortikal porøsitet, men oplevede en udvidelse af marvhulen med tilhørende kortikal udtynding. Omvendt beskrev Jowsey (1964) omfattende intrakortikal remodellering med stigende antal ufuldstændige osteoner i osteoporotiske femora.
Porøsiteten er blevet vist at variere inden for et tværsnitsplan i overensstemmelse med regionale belastningsforskelle. Endostale skeletregioner oplever belastninger af lavere størrelse sammenlignet med regioner, der er placeret tættere på periostet, og er derfor mere porøse. Skeletbiologer har længe anerkendt, at porøsiteten øges fra periost til endost i forskellige lange knogler (f.eks. Jowsey, 1960; Atkinson, 1965; Martin et al., 1980; Martin og Burr, 1984a; Thomas et al., 2005; Zebaze et al., 2010). Belastningerne er lavest ved endosteum, fordi disse områder er tættest på den neutrale akse, hvor belastningen er minimeret (Martin, 1993; Thomas et al., 2005). Mens hunner taber knogle fortrinsvis ved endosteum med alderen, er porøsiteten højest ved det femorale endosteum gennem hele levetiden hos begge køn (Bousson et al., 2001). På samme måde oplever komprimerede områder af et tværsnit stor belastning og er mindre porøse, mens spændte områder oplever lav belastning og er mere porøse, som det er påvist i calcanei hos Rocky Mountain mulehirse (Skedros et al., 1994b). To-dimensionelle undersøgelser af det midterste ribben har vist, at den kutane region er betydeligt mere porøs og trabekulæriseret end den pleurale region (Agnew og Stout, 2012; Agnew et al., 2013; Cole og Stout, 2015; Dominguez og Agnew, 2016). Det er imidlertid ukendt, om denne forskel er relateret til regional belastningsmønsterering, og den afspejler derfor muligvis ikke ribbenens sande belastningsmiljø eller dens virkninger på den tredimensionelle porestruktur (Dominguez og Agnew, 2016).