COMPUTATIONAL MODELING AND OPPORTUNITY OF NON-INVASIVE ASSESSMENT OF PARAMETERS OF MINERAL EXCHANGE BETWEEN BONE STRUCTURE AND THE CIRCULATING FLUID
https://doi.org/10.24884/1561-6274-2013-17-6-80-89
Abstract
ABSTRACT THE PURPOSE: based on our data and literature evaluation to identify the main mechanisms of bone turnover and quantify the participation of each of them in the redistribution of minerals between the bone and the circulating fluids. RESULTS. Based on our model, the calculated amount of calcium in the osteoclast that exists in a constant state of remodeling exchange is ≈ 24,6 g which equals 4.5% of its weight in the skeleton. The amount present in the exchanges between the surfaces of the skeleton and circulating liquids is ≈ 6 g or 1.1%, respectively, and in the remodeling process of the osteocyte – ≈ 57,9 g or 16.5%, respectively. DISCUSSION: This huge mass of mineral matrix in a state of constant exchange, which provides “instant” correction of mineral ions (calcium, phosphate) in the blood, thus preserving the concentration levels withinr homeostatic limits, is controlled by syncytium bone cells. Dual-energy x-ray absorptiometry can be used as a method to assess the activity of the exchange. In the clinical setting of renal pathology, such control will assess the effectiveness and adequacy of the treatment, as the bone cells are an extremely sensitive indicator.
About the Authors
A. S. Avrunin
Научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена
Russian Federation
Russian Federation
N. V. Leontyeva
Северо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова
Russian Federation
Russian Federation
References
1. Williams ME. Chronic kidney disease/bone and mineral metabolism: the imperfect storm. Seminars in Nephrology 2009;29(2):97-104
2. Смирнов АВ, Волков ММ, Добронравов ВА. Значимость цинакальцета в коррекции нарушений фосфорно-кальциевого баланса у больных с хронической болезнью почек. Нефрология 2009;13(2):15-34
3. Levey AS, Coresh J. Chronic kidney disease. Lancet 2012;379(14):165-180
4. Pereira RС, Juppner H, Azucena-Serrano CE et al. Patterns of FGF-23, DMP1, and MEPE expression in patients with chronic kidney disease. Bone 2009;45(6):1161-1168
5. Tanaka H, Komaba H, Koizumi M et al. Role of uremic toxins and oxidative stress in the development of chronic kidney diseasemineral and bone disorder. J Renal Nutrition 2012;22(1):98-101
6. Barreto DV, de Barreto CF, de Carvalho AB et al. Association of changes in bone remodeling and coronary calcification in hemodialysis patients: a prospective study. Am J Kidney Dis 2008;52(6):1139-1150
7. Sharon MM, Roudebush VA, Tilman BD. Клинические практические рекомендации по диагностике, оценке и костных нарушений при хронической болезни почек (МКН-ХБП). Нефрология и диализ 2011;13(1):8-13
8. Аврунин АС, Паршин ЛК, Мельников БЕ. Критический анализ теории механостата. Часть II. Стабильность механо-метаболической среды скелета и гомеостатических параметров кальция организма. Травматол ортопед России 2013;1(67):127-137
9. Аврунин АС, Паршин ЛК. Иерархическая организация механизмов обмена кальциямежду костью и кровью. Морфология 2013;143(1):76-84
10. Adachi T, Aonuma Y, Ito S et al. Osteocyte calcium signaling response to bone matrix deformation. J Biomech 2009, 42(15):2507-2512
11. Feng JQ, Ward LM, Liu S et al. Loss of DMP1 causes rickets and osteomalacia and identifies a role for osteocytes in mineral metabolism. Nat Genet 2006;38(11):1310-1315
12. Malluche HH, Koszewski N, Monier-Faugere MC, Williams JP, Mawad H. Influence of the parathyroid glands on bone metabolism. European Journal of Clinical Investigation 2006; 36(Suppl. 2):23-33
13. Damasiewicz MJ, Toussaint ND, Polkinghorne KR. Fibroblast growth factor 23 in chronic kidney disease: New insights and clinical implications. Nephrology 2011;16:261-268
14. Волков ММ, Каюков ИГ, Смирнов АВ. Фосфорнокальциевый обмен и его регуляция. Нефрология 2010;14(1):91-103
15. Bikle DD. Vitamin D: newly discovered actions require reconsideration of physiologic requirements. Trends in Endocrinology and Metabolism 2010;21:375-384 16. Moorthi RN, Moe SM. CKD–Mineral and Bone Disorder: Core Curriculum 2011. Am J Kidney Dis 2011;58(6):1022-1036
16. Волков ММ, Смирнов АВ, Дегтярева ОА, Шевякова ЕВ. Дисфункции миокарда, оцениваемые методом тканевой допплерографии и фосфорно-кальциевый баланс у пациентов на хроническом гемодиализе. Нефрология 2008;12(3):18-23
17. Волков ММ, Добронравов ВА, Ларионова ВИ, Глазков ПВ. Факторы, ассоциированные со снижением минеральной плотности костей различных отделов скелета у больных на гемодиализе. Нефрология 2007;11(2):50-54
18. Волков ММ, Смирнов АВ. Рентгенологическая оценка кальцификации брюшной аорты у больных с хронической болезнью почек, получающих гемодиализ: частота выявления и ассоциированные факторы. Нефрология 2010;14(3):37-45
19. Волков ММ. Биохимические показатели фосфорнокальциевого обмена у пациентов с хронической болезнью почек 1-5 стадий. Нефрология 2009;13(3):49-51
20. Добронравов ВА, Волков ММ, Мнускина ММ, Макарова ИН, Крупоткина ИГ. Фосфорно-кальциевый баланс и минеральная плотность костей различных отделов скелета у больных на хроническом гемодиализе. Нефрология 2006;10(4)31-36
21. Смирнов АВ, Волков ММ, Добронравов ВА. Кардиопротективные эффекты D-гормона у больных с хронической болезнью почек: обзор литературы и собственные данные. Нефрология 2009;13(1):30-33
22. Lieben L, Carmeliet G. Vitamin D signaling in osteocytes: Effects on bone and mineral homeostasis. Bone 2013;54:237-243
23. Bellido T, Saini V, Pajevic PD. Effects of PTH on osteocyte function. Bone 2013;54:250-257
24. Rhee Y, Bivi N, Farrow E, Lezcano V, Plotkin LI, White KE, Bellido T. Parathyroid hormone receptor signaling in osteocytes increases the expression of fibroblast growth factor-23 in vitro and in vivo. Bone 2011;49:636-643
25. Fukumoto S, Yamashita T. FGF23 is a hormone-regulating phosphate metabolism–Unique biological characteristics of FGF23. Bone 2007;40:1190-1195
26. Fukumoto S. The role of bone in phosphate metabolism. Molecular and Cellular Endocrinology 2009;310:63-70
27. Fukumoto S, Martin TJ. Bone as an endocrine organ. Trends in Endocrinology and Metabolism. 2009;20(5):230-236
28. Bonewald LF. The Amazing osteocyte. Journal of Bone and Mineral Research 2011;26(2):229-238
29. Marenzana M, Shipley AM, Squitiero P et al. Bone as an ion exchange organ: Evidence for instantaneous celldependent calcium efflux from bone not due to resorption. Bone 2005;37(4):545-554
30. Feng JQ, Ye L, Schiavi S. Do osteocytes contribute to phosphate homeostasis? Curr Opin Nephrol Hypertens 2009; 18(4):285-291
31. Jowsey J, Riggs BL. Mineral metabolism in osteocytes. Mayo Clin Proc 1964;39(7):480-484
32. Аврунин АС, Тихилов РМ, Шубняков ИИ. Медицинские и околомедицинские причины высокого внимания общества к проблеме потери костной массы. Анализ динамики и структуры публикаций по остеопорозу. Гений ортопед 2009;(3):59-66
33. Bonewald LF. Osteocytes: A proposed multifunctional bone cell. J Musculoskel Neuron Interact 2002;2(3):239-241
34. Staub JF, Tracqui P, Brezillon P et al. Calcium metabolism in the rat: a temporal self-organized model. Am J Physiol 1988;254(1 Pt2):R134-R149
35. Rowland RE. Exchangeable bone calcium. Clinical Orthopaedics Related Research 1966;(49):233-248
36. Frost HM. Defining osteopenias and osteoporoses: another view (With insights from a new paradigm). Bone 1997; 20(5):385-391
37. Skerry TM. The response of bone to mechanical loading and disuse: Fundamental principles and influences on osteoblast/ osteocyte homeostasis. Archives of Biochemistry and Biophysics 2008;473:117-123
38. Baud CA. Morphologie et structure inframicroscopique des osteocytes. Acta Anat 1962;51:209-225
39. Baud CA, Auil E. Osteocyte differential count in normal human alveolar bone. Acta Anat 1971;78(3):321-327
40. Baud CA. Submicroscopic structure and functional aspects of the osteocyte. Clin Orthop Relat Res 1968;56:227-236
41. Аврунин АС. Остеоцитарное ремоделирование. История вопроса, современные представления и возможности клинической оценки. Травматол ортопед России 2012; 1(63):128-134
42. Adachi T, Aonuma Y, Taira K et al. Asymmetric intercellular communication between bone cells: propagation of the calcium signaling. Biochem Biophys Res Commun 2009; 389(3):495-500
43. Parfitt AM. Progress in endocrinology and metabolism. The actions of parathyroid hormone on bone: relation to bone remodeling and turnover, calcium homeostasis, and metabolic bone disease. Part I of IV Parts: mechanisms of calcium transfer between blood and bone and their cellular basis: morphological and kinetic approaches to bone turnover. Metabolism 1976;25(7):809-844
44. Rubinacci A, Covini M, Bisogni C et al. Bone as an ion exchange system: evidence for a link between mechanotransduction and metabolic needs. AJP Endocrinol Metab 2002;282(4):E851-E864
45. Talmage RV. A study of the effect of parathyroid hormone on bone remodeling and on calcium homeostasis. Clin Orthop Relat Res 1967;54:163-173
46. Аврунин АС, Тихилов РМ, Шубняков ИИ, Емельянов ВГ. Оценивает ли двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия параметры физиологического обмена минерального матрикса? Гений ортопед 2008;(1):41-49
47. Wang X, Puram S. The toughness of cortical bone and its relationship with age. Annals Biomedical Engineering 2004;32(1):123-135
48. Данильченко СН. Структура и свойства апатитов кальция с точки зрения биоминералогии и биоматериаловедения. Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка 2007;(2):33-59
49. Frost HM, Jee W SS. Osteoporosis in 2000 ad: quo vadis? J Musculoskelet Res 2001;5(1):1-16
50. Burr DB, Martin RB. Errors in bone remodeling: toward a unified theory of metabolic bone disease. Am J Anat 1989;186(2):186-216
51. de Margerie E, Robin J-P, Verrier D et al. Assessing a relationship between bone microstructure and growth rate: a fluorescent labelling study in the king penguin chick (Aptenodytes patagonicus). J Exp Biol 2004;207(5):869-879
52. Martin RB. Toward a unifying theory of bone remodeling. Bone 2000;26(1):1-6
53. Dempster DW. Ремоделирование кости. В: Остеопороз. Этиология, диагностика, лечение. БИНОМ, НЕВСКИЙ ДИАЛЕКТ, СПб., 2000;85-108
54. Cooper RR, Milgram JW, Robinson RA. Morphollogy of the osteon. J Bone Joint Surg 1966;48-A(7):1239-1271
55. Ingram RT, Yong-Koo Park, Clarke BL, Fitzpatrick LA. Age- and gender-related changes in the distribution of osteocalcin in the extracellular matrix of normal male and female bone. Possible involvement of osteocalcin in bone remodeling. J Clin Invest 1994;93(3):989-997
56. Ньюман У, Ньюман М. Минеральный обмен кости. Иностранная литература, М., 1961;269
57. Nichols G, Rogers P. Mechanisms for the transfer of calcium into and out of the skeleton. Pediatrics 1971;47(1)Part II: 211-228
58. Whitfield JF. Primary cilium – is it an osteocyte’s strainsensing flowmeter? J Cell Biochem 2003;89(2):233-237
59. Chairman WSSM, Cook J, Nasset ES et al. Человек. Медико-биологические данные. Доклад рабочей группы комитета II МКРЗ по условному человеку. Медицина, М., 1977;423
60. Marotti G, Ferretti M, Muglia MA et al. A quantitative evaluation of osteoblast-osteocyte on growing endosteal surface of rabbit tibiae. Bone 1992;13(5):363-368
61. Scarpace PJ, Neuman WF. The blood: bone disequilibrium. II. Evidence against the active accumulation of calcium or phosphate into the bone extracellular fluid. Calcif Tiss Res 1976;20 (2):151-158
62. Aubert J-P, Bronner F, Richelle LJ. Quantitation of calcium metabolism. Theory. J Clin Invest 1963;42(6):885-897
63. Neuman WF, Terepka AR, Canas P, Triffitt JT. The cycling concept of exchange in bone. Calc Tiss Res 1968;2(3), 262-270
64. Tomlinson RWS, Wall M, Osbobn SB, Anderson J. Radiocalcium studies in normal subjects cab. Tiss Res 1967;1:197-203
65. Bronner F, Aubert J-P. Bone metabolism and regulation of the blood calcium level in rats. Am J Physiol 1965;209(5):887-890
66. Bronner F, Lemaike R. Comparison of calcium kinetics in man and the rat. Calc Tissue Res 1969;3(3):238-248
67. Bronner F, Harris RS, Maletskos CJ, Benda CE. Studies in calcium metabolism. The fate of intravenously injected radiocalcium in human beings. J Clin Jnvest 1956;35(1):78-88
68. Bronner F, Richellef LJ, Saville PD et al. Quantitation of calcium metabolism in postmenopausal osteoporosis and in scoliosis. J Clin Invest 1963;42(6):898-905
69. Arnold JS, Jee WSS, Johnson K. Observations and quantitative radioautographic studies of calcium48 deposited in vivo in forming haversian systems and old bone of rabbit. Am J Anat 1956;99(2):291-313
70. Palumbo C, Palazzini S, Zaffe D, Marotti G. Osteocyte differentiation in the tibia of newborn rabbit: an ultrastractural study of the formation of cytoplasmic processes. Acta Anat 1990;137(4):350-358
71. Bonewald LF. Generation and function of osteocyte dendritic processes. J Musculoskelet Neuron Interact 2005;5(4):321-324
72. Adachi T, Aonuma Y, Tanaka M et al. Calcium response in single osteocytes to locally applied mechanical stimulus: Differences in cell process and cell body. J Biomech 2009;42(12):1989- 1995
73. Strehler EE, Treiman M. Calcium pumps of plasma membrane and cell interior. Curr Mol Med 2004;4(3):323-335
74. Аврунин АС, Корнилов НВ. Обмен фосфатов минерального матрикса интактных костей после единичных и множественных переломов. Бюл эксперим медицины 1992;(3):322-324
75. Корнилов НВ, Аврунин АС, Синюкова ИВ, Каземирский ВЕ. Биоритмы обменных процессов в костной ткани и диагностическая ценность двойной фотонной рентгеновской абсорбциометрии. Вестник травматол ортопед им НН Приорова 1999;(4):52-56.
76. Аврунин АС, Корнилов НВ, Суханов АВ, Паршин ВА. Ремоделирование кортикального слоя большеберцовой кости после остеотомии бедренной на той же конечности. Морфология 1999; 116(6):48-54
77. Аврунин АС, Корнилов НВ, Иоффе ИД, Емельянов ВГ. Параметры метаболизма минерального матрикса костной ткани. Остеопороз и остеопатии 2000;(4):2-4
78. Корнилов НВ, Аврунин АС. Адаптационные процессы в костных органах. Спб., МОРСАР АВ, 2001, 296
79. Аврунин АС, Корнилов НВ. Метод двойной фотонной рентгеновской абсорбциометрии при динамическом контроле состояния костной ткани в процессе лечения остеопороза. Гений ортопед 2002;(2):123-128
80. Аврунин АС, Тихилов РМ, Шубняков ИИ, Емельянов ВГ. Неинвазивный клинический метод оценки остеоцитарного ремоделирования. Новые возможности двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии. Ортопед травматол 2008;(2):67-74
81. Аврунин АС, Тихилов РМ, Шубняков ИИ, Емельянов ВГ. Позволяет ли метод двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии выявить быстрые колебания проекционной минеральной плотности костной ткани в поясничном отделе позвоночника? Вестник травматол ортопед им НН Приорова 2008;(3):47-52
82. Аврунин АС, Тихилов РМ, Шубняков ИИ. Динамическая оценка остеоцитарного ремоделирования костной ткани при использовании неинвазивного метода. Морфология 2009; 135(2):66-73
83. Аврунин АС, Тихилов РМ, Шубняков ИИ и др. Минимально необходимое количество исследований ПМПКТ методом ДЭРА при индивидуальной диагностике остеопороза и мониторинге состояния скелета по дистальному отделу предплечья (предварительные рекомендации). Ортопед травматол 2009;(1):49-56
84. Крыжановский ГН. Биологические ритмы и закон структурно-функциональной дискретности биологических процессов. В: Биологические ритмы в механизмах компенсации нарушенных функций. Медицина, М., 1973;20-34
85. Крыжановский ГН. Расстройство нервной регуляции. В: Патология нервной регуляции функций. Медицина, М., 1987;5-42
86. Аврунин АС, Корнилов НВ. Асимметрия параметров – основа структуры пространственно-временной организации функций. Морфология 2000;(117)2:80-85
Review
For citations:
Avrunin A.S., Leontyeva N.V. COMPUTATIONAL MODELING AND OPPORTUNITY OF NON-INVASIVE ASSESSMENT OF PARAMETERS OF MINERAL EXCHANGE BETWEEN BONE STRUCTURE AND THE CIRCULATING FLUID. Nephrology (Saint-Petersburg). 2013;17(6):80-89. (In Russ.) https://doi.org/10.24884/1561-6274-2013-17-6-80-89
Views:
330
Email this article 