Vaskulaarinen huokoisuus heijastaa alueellista mekaanista rasitusta
Luun vaskularisaatioon liittyvät huokoset, mukaan lukien resorptiolahdet ja Haversin kanavat, ovat mekaanisesti indusoidun mallinnuksen ja uudelleenmuotoilun tuote. Luun mallinnuksessa luun konsentriset lamellit ympäröivät verisuonia, jolloin syntyy primaarinen osteoni, jonka keskellä on verisuonia sisältävä huokos (Stout et al., 1999; Burr ja Akkus, 2014). Luun uudelleenmallinnus alkaa, kun osteoklastit tunneloituvat luun läpi muodostaen ”leikkauskartion”, joka poikkileikkauksessa näyttää suurelta, epäsäännöllisen muotoiselta huokoselta, jota kutsutaan ”resorptiolahdeksi” (Stout ja Crowder, 2011; van Oers ym., 2008). Jos mekaaninen rasitus ja fysiologinen kapasiteetti riittävät käynnistämään uuden luun muodostumisen, resorptiolahti täyttyy samankeskisillä luulamelleilla, jolloin syntyy sekundaarinen osteoni, jossa on keskeinen huokos, jota kutsutaan ”Haversin kanavaksi” (Burr ja Akkus, 2014). Jos luunmuodostus ei ole täydellistä, resorptiolahti jää suureksi huokoseksi. Vierekkäiset resorptiolahdet lähellä luuydinonteloa voivat yhdistyä valtaviksi ”trabekularisoituneiksi” huokosiksi, jos niiden interstitiaaliset alueet resorboituvat (Zebaze ym., 2009).
Yksittäiset verisuonihuokoset muodostavat monimutkaisen kolmiulotteisen verkoston, joka on yhteydessä toisiinsa haarautumistapahtumilla ja poikittaiskanavilla, joita kutsutaan toisinaan ”Volkmannin kanaviksi” (Tappen, 1977; Stout ym., 1999). Vaikka poikittaiskanavia ja Volkmannin kanavia käytetään joskus vaihdettavina termeinä, Maggiano et al. (2016) toteaa historiallisen eron. Volkmannin (1863) alkuperäinen kuvaus viittasi osteomyeliitin aikana muodostuneisiin verisuonikanaviin, jotka purkautuivat Haversin järjestelmästä kanavoidakseen viereistä luuta. Siksi näiltä Volkmannin kanavilta puuttuvat ympäröivät lamellit (Jaffe, 1929; Cooper ym., 1966). Tappen (1977) kuvaa poikittaiskanavia, joita ympäröivät lamellit, koska ne rajoittuvat remodeling-tapahtumaan, joko leikkauskartioon, joka ”murtautuu ulos” sivusuunnassa olemassa olevasta BMU:sta tai ”heiluu ympäri” remodelingin aikana. Maggiano et al. (2016) määrittivät synkrotronin µCT:n avulla, että poikittaiskanavat syntyvät yleensä jollakin seuraavista prosesseista: (1) halkaisijaltaan pienemmän kanavan lateraalinen haarautuminen halkaisijaltaan suuremmasta kanavasta, (2) dikotominen haarautuminen, jossa kanava jakautuu kahdeksi samankokoiseksi kanavaksi tuottaen ”käsipainon” muotoisen osteonin, tai (3) intraosteonaalinen uudelleenmuodostus, jossa nuorempi Haversin systeemi uudelleenmuodostaa olemassa olevaa, vanhempaa Haversin systeemiä ja mahdollisesti käyttää uudelleen sen verisuonia. Haarautumistapahtumien on raportoitu tapahtuvan keskimäärin 2,5 mm:n (Beddoe, 1977) tai 3 mm:n (Koltze, 1951) välein kanavan varrella.
Frostin (1990) mekanostaattimallin mukaan korkea rasitus tukahduttaa luun resorptiota ja sen pitäisi vähentää luun huokoisuutta, kun taas matala rasitus on luun resorptiolle salliva ja sen pitäisi lisätä luun huokoisuutta. Koska huokoisuus on uudelleenmuodostuksen tuote, huokoisuuden luunsisäisen vaihtelun pitäisi heijastaa luunsisäistä vaihtelua uudelleenmuodostuksen nopeudessa (Cho ja Stout, 2011). Esimerkiksi kylkiluiden uskotaan suuren vaihtumisnopeutensa vuoksi menettävän luuta aikaisemmin kuin dynaamisemmat ja painoa kantavat luuston osat (Epker ym., 1965; Agnew ja Stout, 2012). Hunter ja Agnew (2016) eivät kuitenkaan havainneet merkittäviä eroja prosentuaalisessa huokoisuudessa samojen yksilöiden distaalisen radiuksen, keskiosan kylkiluun ja keskiosan reisiluun välillä. Samoin Cole ja Stout (2015) eivät havainneet samojen yksilöiden pienessä näytteessä merkittäviä eroja prosentuaalisessa huokoisuudessa reisiluun, sääriluun ja kylkiluun keskiakselin kohdalla. He kuitenkin havaitsivat, että kylkiluussa oli huomattavasti enemmän trabekulaarista huokoisuutta kuin reisiluussa tai sääriluussa, jotka muodostivat mieluiten kortikaalisia huokosia (Cole ja Stout, 2015). Kylkiluussa tapahtuu iän myötä laajamittaista korteksin trabekularisoitumista, kun endosteumin viereiset huokoset sulautuvat toisiinsa ja luuydinonteloon. Koska nämä huokoset yhdistyvät luuydinonteloon, ne todennäköisesti jäävät analyysin aikana huokosten kvantifioinnin ulkopuolelle, mikä hämärtää huokoisuuden todellisen suhteen ikääntymiseen ja luun lujuuteen (Hunter ja Agnew, 2016; Dominguez ja Agnew, 2014). Zebaze et al. (2009) havaitsivat, että trabekularisoituneen kuorikerroksen poisjättäminen aliarvioi huokoisuutta ~2,5-kertaisesti.
Rintakehän keskimmäisissä (4-7) kylkiluissa huokoisten huokosten poisjättäminen tekee kortikaalipinta-alasta paremman ennusteen kylkiluun murtumiseen vaadittavasta huippuvoimasta, rakenteellisesta jäykkyydestä ja kokonaisenergiasta. Nämä parannukset ovat merkittäviä mutta pieniä, mikä viittaa siihen, että luun poikkileikkausluun määrän mittauksissa heijastuva luukato luun loppupinnalla on tärkeämpää ennustettaessa luun lujuutta kylkiluissa (Dominguez ym., 2016). Vastaavasti distaalisessa radiuksessa luumassan kokonaisväheneminen 50 ja 80 ikävuoden välillä johtuu suurelta osin huokoisesta trabekulaarisuudesta endosteumissa (47 %), jota seuraa trabekulaarisen luun oheneminen (32 %) ja sen jälkeen huokosten muodostuminen kuoren sisällä (21 %) (Zebaze ym., 2010). Tämän ”näkymättömän” trabekulaarisoituneen huokoisuuden ensisijaisuus joissakin luuelementeissä auttaa selittämään, miksi tietyt patologiset tilat näyttävät kiihdyttävän intrakortikaalista huokosten muodostumista joissakin luissa mutta eivät toisissa. Esimerkiksi Villanueva et al. (1966) havaitsivat, että osteoporoottisilla kylkiluilla oli normaali intrakortikaalinen huokoisuus, mutta niissä esiintyi luuydinontelon laajenemista ja siihen liittyvää kortikaalista ohenemista. Sitä vastoin Jowsey (1964) kuvasi laajaa intrakortikaalista remodelingia, johon liittyi kasvava määrä epätäydellisiä osteoneja osteoporoottisissa reisiluissa.
Porositeetin on osoitettu vaihtelevan poikkileikkaustason sisällä alueellisten rasituserojen mukaan. Endosteaaliset luustoalueet kokevat pienemmän suuruisia rasituksia verrattuna lähempänä luukalvoa sijaitseviin alueisiin ja ovat näin ollen huokoisempia. Luustobiologit ovat jo pitkään havainneet, että huokoisuus lisääntyy luukalvosta luunpohjasta luunpohjaan eri pitkissä luissa (esim. Jowsey, 1960; Atkinson, 1965; Martin ym., 1980; Martin ja Burr, 1984a; Thomas ym., 2005; Zebaze ym., 2010). Jännitykset ovat pienimpiä endosteumissa, koska nämä alueet ovat lähimpänä neutraaliakselia, jossa jännitys on minimoitu (Martin, 1993; Thomas ym., 2005). Vaikka naaraat menettävät ikääntyessään luuta mieluummin endosteumissa, huokoisuus on suurinta reisiluun endosteumissa koko eliniän ajan molemmilla sukupuolilla (Bousson ym., 2001). Vastaavasti poikkileikkauksen puristetut alueet kokevat suurta rasitusta ja ovat vähemmän huokoisia, kun taas jännittyneet alueet kokevat pientä rasitusta ja ovat huokoisempia, kuten Rocky Mountainin muulipeurojen calcaneissa on osoitettu (Skedros ym., 1994b). Keskimmäisen kylkiluun kaksiulotteisissa tutkimuksissa on havaittu, että leikkausalue on huomattavasti huokoisempi ja trabekulaarisempi kuin pleura-alue (Agnew ja Stout, 2012; Agnew ym., 2013; Cole ja Stout, 2015; Dominguez ja Agnew, 2016). Ei kuitenkaan tiedetä, liittyykö tämä ero alueelliseen rasitusmalliin, joten se ei välttämättä kuvasta kylkiluun todellista kuormitusympäristöä tai sen vaikutuksia kolmiulotteiseen huokosrakenteeseen (Dominguez ja Agnew, 2016).