DISKUSSION
Zur Unterstützung der Idee, dass trabekuläre Stressverteilungseigenschaften von Krebsknochen die Zerbrechlichkeit der T12-L1-Wirbel erklären, untersuchten wir die Variation der trabekularen Stressgröße und Variabilität (sowie der architektonischen Parameter) im Krebsknochen entlang derselben Wirbelsäule., Wir haben gezeigt, dass trabekuläre Belastungsverteilungen, die durch eine gleichmäßige Kompression des Krebsgewebes und der krebsartigen Mikrostrukturparameter verursacht werden, mit dem Wirbelsäulenniveau im menschlichen Wirbelknochen zusammenhängen, wobei die Ergebnisse nur für die transversalen Proben signifikant sind. Im Einklang mit unserer vorläufigen Beobachtung wurden bei der Gemittelung über zwei Proben desselben Wirbels das Maximum der durchschnittlichen trabekulären Scherspannungsamplifikation und das Minimum des durchschnittlichen BV/TV im Krebsgewebe von der T12-Stelle aus gefunden (Tabelle 1)., Die minimale BV / TV-und maximale trabekuläre Scherspannungsverstärkung im Gewebe der T12-Wirbel stimmen mit Berichten überein, dass die höchste Inzidenz von Wirbelfrakturen in den T12-und L1-Wirbeln beobachtet wird, und legen nahe, dass der Krebsknochen von den kritischen T12-L1-Stellen im Vergleich zu Krebsknochen anderer Wirbel von Natur aus schwach ist.
Als SI-und TR-Proben getrennt analysiert wurden, fanden wir im Gegensatz zu unserer ursprünglichen Hypothese nicht, dass sich die Krebsknochenstruktur von der zentralen vorderen Position der Wirbelkörper zwischen den Wirbelsäulenebenen unterschied., Wir haben jedoch festgestellt, dass die Architektur des Krebsknochens von den post-lateralen Teilen des Wirbelkörpers mit dem Wirbelsäulenniveau variiert, so dass die Mindestwerte von BV/TV und MIL3 (mittlere Abfanglänge in tertiärer Richtung) und der Maximalwert der Scherverstärkung dem T12-Niveau entsprechen., Da die SI-Proben von der vorderen Stelle in der supero-inferioren Richtung entkernt wurden und die TR-Proben von den postero-lateralen Stellen in Querrichtung entkernt wurden, könnten die Unterschiede zwischen den SI-und TR-Proben auf die Anisotropie des Krebsknochens oder auf anatomische Standortunterschiede innerhalb des Wirbels zurückzuführen sein., Die Mikrostrukturparameter sind jedoch unabhängig von der Orientierung der Probe, was darauf hinweist, dass die Wirbelsäulenniveauabhängigkeit der für die TR-Proben gefundenen Mikrostruktur auf die Variabilität der Krebsgewebeeigenschaften innerhalb des Wirbels zurückzuführen ist. Starke Beziehungen zwischen Stressverstärkung und BV/TV (Abbildung 5) für SI-und TR-Proben deuten darauf hin, dass die Stressverstärkung Trends folgen würde, die denen von BV/TV für andere Kombinationen der Probenorientierung und der Lage innerhalb des Wirbels ähnlich sind., Daher vermuten wir, dass die Spannungsverstärkung in supero-inferiorer Richtung Trends folgen würde, die denen in Querrichtung für die postero-lateralen Stellen im Wirbel ähnlich sind. Während die Werte von Modul und Spannungen zwischen supero-inferiorer und transversaler Belastung einer Probe von derselben Stelle unterschiedlich wären, können daher valide Diskussionen über relative Unterschiede zwischen Innerhalb-Wirbel-und Zwischen-Wirbel-Standorten durchgeführt werden., Die Erklärungsfähigkeit von MIL2 für die signifikante Abhängigkeit der Belastungs-und Steifigkeitseigenschaften von der Wirbelsäulenebene legt nahe, dass Prozesse, die die Trabekeldicke und den Abstand in der sekundären Strukturrichtung beeinflussen, wichtig sind, um die strukturelle Organisation der Wirbel auf jeder Ebene zu bestimmen. Die Umwandlung der Trabekelgeometrie von plattenartig in stabartig wäre einer dieser Prozesse., Ein plattenartiger bis stabartiger Übergang wurde in anderen Situationen mit hohem Frakturrisiko festgestellt , z. B. in der alternden proximalen Tibia, im Beckenkamm von Frauen während der tranmenopausalen Periode und im Beckenkamm von Frauen mit vorherrschenden Wirbelfrakturen und weiterhin Knochen für drei Jahre zu verlieren . Da die Resorption von Trabekeln in ihrer dünnsten Richtung (dh die Resorption in der MIL3-Richtung) zu einer Trennung des Trabekelnetzes führen kann, scheint es eine bessere Anpassungsstrategie zu sein, Material aus den dicksten Richtungen zu entfernen., Eine Reduzierung von MIL2 könnte jedoch letztendlich den Widerstand der Struktur gegen Knicken sowie gegen Achsenlasten verringern. Darüber hinaus haben plattenartige Strukturen vorhersehbarere Knickrichtungen. Änderungen in der sekundären Dickenrichtung des Krebsknochens würden das Knicken der Struktur wahrscheinlicher in Richtungen machen, die normalerweise verhindert würden., Weitere Studien zu diesem Thema sollten sich auf Parameter konzentrieren, die die anisotrope Geometrie einzelner Trabekel quantifizieren, wie z. B. den Structure Model Index, der eingeführt wurde, um zu quantifizieren, wie sich platten – oder stabartige Trabekel in einem Volumen von Krebsknochen befinden .
Interessanterweise, wenn das SI-TR-Verhältnis von Parametern für einen gegebenen Wirbel betrachtet wird, waren die Variation der Trabekelarchitektur und Spannungen mit Wirbelsäulenniveau so, dass die Eigenschaften des Krebsgewebes innerhalb der Struktur des T12-L1 homogener werden als in anderen Wirbeln., Eine klinische Studie berichtete, dass die Streuung der CT-Grauwertwerte von L3-L4-Wirbeln Frauen mit Fraktur von denen ohne Fraktur besser trennen könnte als die durchschnittliche Knochenmineraldichte (BMD) . In Übereinstimmung mit unserem Befund, dass Wirbel von fragileren Stellen (T12-L1) homogeneres Krebsgewebe aufweisen, war die Variabilität der CT-Werte (für einen bestimmten BMD) in der Dougherty-Studie in der Gruppe mit Fraktur geringer als die ohne Fraktur., Zusammen mit unseren jüngsten Ergebnissen , dass die erhöhte Variabilität der Krebsgewebeeigenschaften innerhalb der Wirbel mit einer verminderten Stärke des gesamten Wirbels verbunden ist, weisen diese Daten jedoch im Einklang mit früheren Berichten darauf hin , dass T12-L1-Wirbel nicht weniger stark sind als andere Wirbel und weiter darauf hindeuten, dass andere mechanische Faktoren als die einachsige Festigkeit an der größeren Zerbrechlichkeit der T12-L1-Wirbel beteiligt sind.,
Finite-Elemente-Berechnungen in anderen Studien schätzten, dass Krebsknochen aus Osteoporotika in der vorherrschenden Belastungsrichtung für eine bestimmte Knochenmasse steifer waren als bei Nicht-Osteoporotika . Die erhöhte Homogenität des Krebsknochens in T12-L1 kann auf einen erhöhten Aufwand zur Aufrechterhaltung der gesamten Knochensteifigkeit in der vorherrschenden Belastungsrichtung zurückzuführen sein. Die Spender in der aktuellen Studie waren alt und hatten, obwohl sie nicht auf Osteoporose untersucht wurden, im Vergleich zu jüngeren Personen wahrscheinlich eine geringe Knochenmasse., Im Falle eines Knochenverlustes würde eine Anstrengung zur Aufrechterhaltung der Knochensteifigkeit in einer gegebenen Belastungsrichtung eine Reorganisation der Knochenstruktur erfordern. Dies kann mehrere Folgen für Knochenbrüche haben. Die Aufrechterhaltung der Steifigkeit in der (nominalen) primären Laderichtung würde zu Kosten einer verringerten Steifigkeit in anderen Laderichtungen führen, und „Fehler“-Lasten in nicht häufigen Lastrichtungen wären eine potenzielle Quelle der Zerbrechlichkeit, wie zuvor vorgeschlagen . Diese Fehlerlasten können die seltenen, aber großen Biegelasten umfassen, insbesondere solche, die mit dem Heben schwerer Gegenstände verbunden sind .,
Alternativ könnte eine Überanpassung der gesamten Knochensteifigkeit durch Homogenisierung der Krebsknocheneigenschaften eine Erhöhung der strukturellen Sprödigkeit der T12-L1-Spiegel bewirken, wodurch deren Toleranz gegenüber fortschreitenden Schäden auch bei gleicher Belastungsrichtung verringert wird. Literaturdaten stimmen mit der Vorstellung überein, dass die Wirbelfestigkeit und die Ermüdungslebensdauer (bezogen auf die Toleranz für fortschreitende Schäden) deutlich unterschiedliche und konkurrierende Eigenschaften aufweisen ., Ein fortschreitendes schadensbedingtes Versagen ist besonders relevant für Wirbelfrakturen, da i) Wirbel einen Teil ihrer Steifheit und Festigkeit verlieren , wenn sie über ihre endgültige Belastung hinaus belastet werden, aber dennoch eine erhebliche Steifheit und Festigkeit beibehalten, wenn sie ein zweites Mal in Laborexperimenten belastet werden, ii) klinische Wirbelfrakturen langsam voranschreiten, oft erst bemerkt, wenn sie versehentlich in Röntgenradiogrammen beobachtet werden, die für andere Zwecke als eine Fraktur verwendet werden ., Wenn der Knochen nicht spröde ist, können biologische Prozesse den durch eine Überlastung verursachten Schaden reparieren und die Entwicklung einer klinisch beobachtbaren Fraktur verzögern, während ein übermäßig steifer, starker, aber auch spröder Wirbel bei Überlastung schnell eine schwere klinische Fraktur entwickelt. Wir schlagen vor, dass die Homogenität des Materials auf der mittleren Ebene (d. H. scheinbare Eigenschaften von Krebsknochen) und folglich die strukturelle Sprödigkeit der Wirbel ein potenziell wichtiger Faktor für die Fragilität der Wirbelsäule sind.
Einige Einschränkungen sollten beachtet werden., Die FE-Modelle nutzten homogene und isotrope Materialeigenschaften. Der aus FE-Modellen berechnete scheinbare Modul wird durch die durch Graupegelverteilungen bestimmten Hartgewebe – (Element -) Modulverteilungen beeinflusst und es wird erwartet, dass er die Berechnung der Trabekelspannungsverteilungen beeinflusst. Derzeit gibt es jedoch keine etablierte Methode zur Umwandlung von Graustufenwerten in Hartgewebemodule, und die Variabilität von Hartgewebemodulen hängt von den bei der Umwandlung verwendeten Formeln ab., Unsere Analysen legen nahe, dass die Änderung des scheinbaren Modulus aufgrund der Modulvariabilität nur im menschlichen wirbelkanellösen Wirbelknochen gering ist, wenn bis zu einer Beziehung dritter Ordnung verwendet wird, um Graustufen in Elementmodule umzuwandeln . Darüber hinaus war die Variation der Graustufen zwischen den Proben gering und eine signifikante Abhängigkeit der Graustufenparameter vom Wirbelsäulenniveau wurde in der aktuellen Studie nicht beobachtet. Der Wert des homogenen Hartgewebemoduls hat keinen Einfluss auf die Schlussfolgerungen, da die Modelle linear mit diesem Wert skaliert werden., Dies sind die gleichen Bedingungen, die in Studien verwendet wurden, in denen unsere Beobachtungen gemacht wurden, die diese Studie motivierten . Es wird erwartet, dass die Verwendung homogener Eigenschaften geringfügige Auswirkungen auf unsere Ergebnisse hat, unsere Schlussfolgerungen zu cancellous bone jedoch nicht beeinflusst.
Diese Studie beschränkte sich auch auf eine Untersuchung des Krebsgewebes, das physisch aus Wirbeln ausgewählter Regionen entlassen wurde. Dafür gab es mehrere Gründe, im Gegensatz zur Analyse eines ganzen Wirbelkörpers oder einer Wirbelsäule. Erstens betrafen unsere anfänglichen Beobachtungen und Hypothesen eher die Gewebequalität als die gesamte Knochenqualität., Zweitens wollten wir durch die Erweiterung des Arbeitsumfangs keine Kompromisse bei der Bildauflösung eingehen. Obwohl einige Studien die µCT-basierte FE-Analyse von menschlichen Wirbelkörpern in Betracht zogen, musste die Bildauflösung weniger als optimal sein und die Analysen waren auf einige Wirbel beschränkt, wahrscheinlich aufgrund von Rechenkosten . Mikro-CT-basierte FE-Analysen von menschlichen ganzen Wirbelkörpern mit ausreichend kleinen Voxeln (~30µm) begannen in neueren Arbeiten zu erscheinen , diese Studien beschränken sich jedoch auf Wirbelsäulenebenen mit relativ kleinen Wirbeln., Die Einbeziehung der größten Wirbel in die Studie würde wesentlich höhere Voxel-Größen in einem Kegelstrahlsystem erfordern, um die Bildqualität zwischen Proben aus verschiedenen Wirbelsäulenebenen in der aktuellen Arbeit konsistent zu halten. Mit den Fortschritten in den bildgebenden Technologien wird es möglich sein, die aktuelle Arbeit auf ganze Wirbelkörper in zukünftigen Studien auszudehnen. Ein dritter Grund für die physische Entkernung der Krebsknochenproben war unsere Absicht, die experimentellen mechanischen Eigenschaften dieser Proben in Beziehung zur Wirbelsäulenebene zu untersuchen. Diese Studien sind im Gange.,
Die aus dem vorderen Bereich entkernten Proben befanden sich in der supero-inferioren Richtung, während die aus dem hinteren Bereich entkernten Proben in Querrichtung waren. Der ursprüngliche Grund für diese Aktion war die Untersuchung der Anisotropie des spongiösen Knochen Stärke und spannungsverteilungen in der Beziehung mit der Wirbelsäule Ebene. Wegen der geplanten mechanischen Prüfung waren die Proben zylindrisch und die radialen Richtungen konnten nicht genau aufgezeichnet werden. Dies ermöglichte die FE-Analyse jeder Region nur in eine Richtung., Einige Verallgemeinerungen könnten basierend auf den Beziehungen zwischen den Mikrostruktur-und FE-Parametern sowohl für die superoinferiore als auch für die transversale Belastung vorgenommen werden. Eine weitere Untersuchung der regionalen Wirbeleigenschaften ist jedoch erforderlich, um Einblicke in die Art der Anisotropie-anatomischen Wechselwirkung an der Stelle zu erhalten.
zusammenfassend haben wir gezeigt, dass die T12-L1 spongiösen Gewebe haben einzigartige Eigenschaften, die unterstützt die Allgemeine form unserer Hypothese., Wir fanden weiter heraus, dass die Variation der Krebsknocheneigenschaften mit Wirbelsäulenniveau von der Stelle innerhalb eines Wirbels abhängt, was zu homogeneren Krebsgewebeeigenschaften für T12-L1-Wirbel führt als andere Wirbel. Zusammengenommen können die regionalen Unterschiede in der trabekulären Mikrostruktur und der Stressverstärkung zwischen den Wirbelniveaus teilweise die höhere Inzidenz von Wirbelkollaps auf den kritischen T12-L1-Ebenen erklären.