DISCUSSIONE
A sostegno dell’idea che trabecolare stress di distribuzione di proprietà di osso spongioso spiegare la fragilità della T12-L1 vertebre, abbiamo studiato la variazione di trabecolare stress entità e la variabilità (nonché dei parametri architettonici) nell’osso spongioso lungo la stessa colonna vertebrale., Abbiamo dimostrato che le distribuzioni dello stress trabecolare causate da una compressione uniforme del tessuto spongioso e dei parametri microstrutturali spongiosi sono associate al livello della colonna vertebrale nell’osso vertebrale umano, i risultati sono significativi solo per i campioni trasversali. Coerentemente con la nostra osservazione preliminare , quando la media su due campioni della stessa vertebra, il massimo dell’amplificazione della tensione di taglio trabecolare media e il minimo di BV/TV media sono stati trovati nel tessuto spongioso dalla posizione T12 (Tabella 1)., La minima BV/TV e la massima amplificazione trabecolare dello stress da taglio nel tessuto dalle vertebre T12 sono coerenti con i rapporti che la più alta incidenza di fratture vertebrali è osservata nelle vertebre T12 e L1 e suggeriscono che l’osso spongioso dalle posizioni critiche T12-L1 è intrinsecamente debole rispetto all’osso spongioso di altre vertebre.
Quando i campioni SI e TR sono stati analizzati separatamente, non abbiamo trovato, in contrasto con la nostra ipotesi iniziale, che la struttura ossea spongiosa dalla posizione anteriore centrale dei corpi vertebrali fosse diversa tra i livelli della colonna vertebrale., Tuttavia, abbiamo scoperto che l’architettura dell’osso spongioso dalle parti postero-laterali del corpo vertebrale varia con il livello della colonna vertebrale in modo tale che i valori minimi di BV/TV e MIL3 (lunghezza media dell’intercetta nella direzione terziaria) e il valore massimo dell’amplificazione di taglio corrispondono al livello T12., Poiché i campioni SI sono stati animati dalla posizione anteriore nella direzione supero-inferiore e gli esemplari TR sono stati animati dalle posizioni postero-laterali in una direzione trasversale, le differenze tra i campioni SI e TR potrebbero essere dovute all’anisotropia dell’osso spongioso o a causa di differenze anatomiche all’interno della vertebra., Tuttavia, i parametri microstrutturali sono indipendenti dall’orientamento del campione, indicando che la dipendenza dal livello della colonna vertebrale della microstruttura trovata per i campioni TR è dovuta alla variabilità all’interno della vertebra delle proprietà del tessuto spongioso. Le forti relazioni riscontrate tra amplificazione dello stress e BV/TV (Figura 5) per entrambi i campioni SI e TR suggeriscono che l’amplificazione dello stress seguirebbe tendenze simili a quelle di BV/TV per altre combinazioni di orientamento del campione e posizione all’interno della vertebra., Quindi sospettiamo che l’amplificazione dello stress nella direzione supero-inferiore seguirebbe tendenze simili a quelle nella direzione trasversale per le posizioni postero-laterali nella vertebra. Pertanto, mentre i valori del modulo e delle sollecitazioni sarebbero diversi tra il carico supero-inferiore e trasversale di un campione dalla stessa posizione, si possono fare valide discussioni sulle differenze relative tra le posizioni all’interno della vertebra e tra le vertebre., La capacità esplicativa di MIL2 per la significativa dipendenza delle proprietà di stress e rigidità a livello della colonna vertebrale suggerisce che i processi che influenzano lo spessore trabecolare e la spaziatura nella direzione strutturale secondaria sono importanti nel determinare l’organizzazione strutturale delle vertebre ad ogni livello. La conversione della geometria trabecolare da piastra a asta sarebbe uno di questi processi., La transizione da placca a bastoncello è stata notata in altre situazioni ad alto rischio di frattura come nell’invecchiamento della tibia prossimale , nella cresta iliaca delle donne durante il periodo transmenopausale e nella cresta iliaca delle donne con fratture vertebrali prevalenti e ha continuato a perdere l’osso per tre anni . Poiché il riassorbimento delle trabecole nella loro direzione più sottile (cioè il riassorbimento nella direzione MIL3) può comportare la disconnessione della rete trabecolare, sembra una strategia di adattamento migliore per rimuovere il materiale dalle direzioni spesse., Tuttavia, la riduzione di MIL2 potrebbe eventualmente ridurre la resistenza della struttura all’instabilità e ai carichi fuori asse. Inoltre, le strutture simili a piastre hanno direzioni di instabilità più prevedibili. I cambiamenti nella direzione dello spessore secondario dell’osso spongioso renderebbero l’instabilità della struttura più probabile in direzioni che normalmente sarebbero prevenute., Ulteriori studi su questo argomento dovrebbero concentrarsi su parametri che quantificano la geometria anisotropica delle singole trabecole, come l’indice del modello di struttura che è stato introdotto per quantificare come le trabecole sono in un volume di osso spongioso .
È interessante notare che, quando si considera il rapporto tra SI e TR dei parametri per una data vertebra, la variazione dell’architettura trabecolare e le sollecitazioni a livello della colonna vertebrale erano tali che le proprietà del tessuto spongioso diventano più omogenee all’interno del centro del T12-L1 rispetto ad altre vertebre., Uno studio clinico ha riferito che la dispersione dei valori di livello CT-grigio dalle vertebre L3-L4 potrebbe separare le femmine con frattura da quelle senza frattura meglio della densità minerale ossea media (BMD) . Coerentemente con la nostra scoperta che le vertebre da posizioni più fragili (T12-L1) hanno un tessuto spongioso più omogeneo, la variabilità dei valori CT (per un dato BMD) nello studio di Dougherty era inferiore nel gruppo con frattura rispetto a quello senza frattura., Tuttavia, insieme alle nostre recenti scoperte che l’aumentata variabilità all’interno della vertebra delle proprietà del tessuto spongioso è associata a una diminuzione della forza dell’intera vertebra , questi dati indicano, coerentemente con i rapporti precedenti , che le vertebre T12-L1 non hanno meno forza di altre vertebre e suggeriscono inoltre che fattori meccanici diversi dalla forza uniassiale sono coinvolti nella maggiore fragilità delle vertebre T12-L1.,
Calcoli agli elementi finiti in altri studi hanno stimato che l’osso spongioso da osteoporotici era più rigido rispetto ai non osteoporotici nella direzione di carico predominante per una data massa ossea . La maggiore omogeneità dell’osso spongioso in T12-L1 può essere dovuta ad un maggiore sforzo per mantenere la rigidità ossea intera nella direzione di carico predominante. I donatori nell’attuale studio erano vecchi e, sebbene non fossero stati esaminati per l’osteoporosi, probabilmente avevano una bassa massa ossea rispetto agli individui più giovani., In caso di perdita ossea, uno sforzo per mantenere la rigidità ossea in una data direzione di carico richiederebbe riorganizzazione della struttura ossea. Questo può avere diverse conseguenze riguardanti le fratture ossee. Il mantenimento della rigidità nella direzione di carico primaria (nominale) avrebbe un costo di rigidità ridotta in altre direzioni di carico e i carichi di “errore” in direzioni di carico non frequenti sarebbero una potenziale fonte di fragilità come suggerito in precedenza . Questi carichi di errore potrebbero includere i carichi di flessione rari ma grandi, in particolare quelli associati al sollevamento di oggetti pesanti .,
In alternativa, un sovradattamento per rigidità ossea intera mediante omogeneizzazione delle proprietà spongiose dell’osso potrebbe causare un aumento della fragilità strutturale dei livelli T12-L1 che riduce la loro tolleranza al danno progressivo, anche per la stessa direzione di carico. I dati della letteratura sono coerenti con l’idea che la forza vertebrale e la vita a fatica (legate alla tolleranza per il danno progressivo) sono proprietà distintamente diverse e concorrenti ., Un guasto progressivo correlato al danno è particolarmente rilevante per le fratture vertebrali in quanto i) le vertebre perdono una parte della loro rigidità e forza quando caricate oltre il loro carico finale , ma mantengono comunque una sostanziale rigidità e forza quando caricate una seconda volta in esperimenti di laboratorio, ii) le fratture vertebrali cliniche sembrano progredire lentamente, spesso non notate fino a quando non sono osservate accidentalmente in radiografie a raggi x prese per scopi diversi da una frattura ., Se l’osso non è fragile, i processi biologici possono riparare il danno causato da un sovraccarico e ritardare lo sviluppo di una frattura clinicamente osservabile mentre una vertebra eccessivamente rigida, forte ma anche fragile svilupperà rapidamente una frattura clinica grave se sovraccaricata. Proponiamo che l’omogeneità del materiale a livello intermedio (cioè le proprietà apparenti dell’osso spongioso) e, di conseguenza, la fragilità strutturale delle vertebre sia un fattore potenzialmente importante nella fragilità spinale.
Alcune limitazioni dovrebbero essere annotate., I modelli FE utilizzavano proprietà omogenee e isotropiche del materiale. Il modulo apparente calcolato dai modelli FE è influenzato dalle distribuzioni del modulo del tessuto duro (elemento) determinate dalle distribuzioni del livello di grigio e dovrebbe influenzare il calcolo delle distribuzioni di stress trabecolare. Tuttavia, non esiste attualmente un metodo stabilito per convertire i valori del livello di grigio in moduli di tessuto duro e la variabilità dei moduli di tessuto duro dipende dalle formule utilizzate nella conversione., Le nostre analisi suggeriscono che il cambiamento nel modulo apparente dovuto alla variabilità del modulo è piccolo solo nell’osso spongioso vertebrale umano quando viene utilizzata una relazione di terzo ordine per convertire i livelli di grigio in moduli di elementi . Inoltre, la variazione dei livelli di grigio tra i campioni era bassa e una significativa dipendenza dei parametri del livello di grigio sul livello della colonna vertebrale non è stata osservata nello studio corrente. Il valore del modulo omogeneo del tessuto duro non ha effetto sulle conclusioni perché i modelli sono scalati linearmente con questo valore., Queste sono le stesse condizioni utilizzate negli studi in cui sono state fatte le nostre osservazioni che hanno motivato questo studio . Si prevede che l’utilizzo di proprietà omogenee abbia effetti minori sui nostri risultati, ma non influenzi le nostre conclusioni sull’osso spongioso.
Questo studio è stato anche limitato a un’indagine sul tessuto spugnoso che è stato fisicamente isolato dalle vertebre da regioni selezionate. C’erano diverse ragioni per farlo invece di analizzare un intero corpo vertebrale o centrum. In primo luogo, la nostra osservazione iniziale e l’ipotesi riguardavano la qualità del tessuto piuttosto che la qualità dell’osso intero., In secondo luogo, non volevamo compromettere la risoluzione dell’immagine ampliando la portata del lavoro. Sebbene alcuni studi considerassero l’analisi FE basata su µCT dei corpi vertebrali umani, la risoluzione dell’immagine doveva essere inferiore a quella ottimale e le analisi erano limitate a poche vertebre, probabilmente a causa dei costi computazionali . Le analisi FE basate su micro-CT di corpi vertebrali interi umani utilizzando voxel sufficientemente piccoli (~30µm) hanno iniziato ad apparire in lavori più recenti , tuttavia, questi studi sono limitati a livelli di colonna vertebrale che hanno vertebre relativamente piccole., Includere le vertebre più grandi nello studio richiederebbe dimensioni voxel sostanzialmente più elevate in un sistema a fascio di cono per mantenere la qualità dell’immagine coerente tra campioni di diversi livelli di colonna vertebrale nel lavoro corrente. Con i progressi delle tecnologie di imaging, sarà possibile estendere il lavoro attuale per includere interi corpi vertebrali negli studi futuri. Una terza ragione per il carotaggio fisico dei campioni di osso spongioso era il nostro intento di esaminare le proprietà meccaniche sperimentali di questi campioni in relazione al livello della colonna vertebrale. Questi studi sono in corso.,
Gli esemplari animati dalla regione anteriore erano nella direzione supero-inferiore mentre gli esemplari animati dalle regioni postero-laterali erano nella direzione trasversale. Il motivo originale per fare questo è stato quello di studiare l’anisotropia della forza spongiosa dell’osso e le distribuzioni di stress in relazione con il livello della colonna vertebrale. A causa dei test meccanici pianificati, i campioni erano cilindrici e le direzioni radiali non potevano essere registrate con precisione. Ciò ha permesso l’analisi FE di ciascuna regione in una sola direzione., Alcune generalizzazioni potrebbero essere fatte sulla base delle relazioni trovate tra la microstruttura e i parametri FE sia per il carico superoinferior che trasversale. Tuttavia, ulteriori indagini sulle proprietà regionali vertebrali sono necessarie per ottenere informazioni sulla natura dell’interazione anisotropia-sito anatomico.
In sintesi, abbiamo dimostrato che il tessuto spongioso T12-L1 ha proprietà uniche che supportano la forma più generale della nostra ipotesi., Abbiamo inoltre scoperto che la variazione delle proprietà spongiose dell’osso con il livello della colonna vertebrale dipende dal sito all’interno di una vertebra, con conseguente proprietà del tessuto spongioso più omogenee per le vertebre T12-L1 rispetto ad altre vertebre. Nel loro insieme, le differenze regionali nella microstruttura trabecolare e nell’amplificazione dello stress tra i livelli delle vertebre possono spiegare, in parte, la maggiore incidenza di collasso vertebrale ai livelli critici T12-L1.