Calcified Tissue Research

, Volume 8, Issue 1, pp 320–333 | Cite as

Osteoporosis following calcium deficiency in rats

  • Carl D. Salomon
Original Papers

Abstract

Young rats were fed with a calcium-deficient diet in order to produce osteoporosis. Metatarsals were examined histologically, histochemically, and radiologically, at intervals. Osteoporosis was first observed seven days after initiation of the diet. Increased bone resorption was manifested by thinning of the compacta through the action of hypertrophied cells, and by the formation in the compacta of resorption cavities by hypertrophied osteocytes.

Bone resorption took place in two stages. In the first stage calcium disappeared from the perilacunar bone matrix, from the matrix adjacent to the resorption cavities, and from the subendosteal area. The residual organic matrix in these locations stained metachromatically and was PAS positive; it was removed in the second stage. After two months, when the animals apparently adapted to the calcium-deficient diet, the width of the compacta remained stationary, and the resorption cavities disappeared. Animals returned to a normal diet after five months showed an increase in the thickness of their compacta. The changing role of the various cells together with cell transformation is discussed.

Key words

Osteoporosis Calcium Deficiency Osteocytes 

Résumé

De jeunes rats sont soumis à un régime pauvre en calcium pour provoquer de l'ostéoporose. Les métatarses sont étudiés histologiquement, histochimiquement et radiologiquement. Les premiers signes d'ostéoporose sont visibles sept jours après le début du régime. Une résorption osseuse plus avancée se manifeste par amincissement de l'os compact, sous l'action de cellules hypertrophiées et par formation de cavités de résorption, autour d'ostéocytes hypertrophiés.

La résorption osseuse s'effectue en deux stades. Au cours du premier, le calcium disparait de la matrice osseuse périlacunaire ainsi que de la matrice adjacente aux cavités de résorption et de la zone située sous l'endoste. La matrice organique résiduelle de ces régions se colore métachromatiquement et est PAS positive; elle est éliminée dans un second stage. Après deux mois, lorsque les animaux se sont habitués au régime pauvre en calcium, l'épaisseur de l'os compact reste stationnaire et les cavités de résorption disparaissent. Les animaux, soumis à nouveau, après cinq mois, à un régime normal, présentent une augmentation de l'épaisseur de l'os compact. Les diverses fonctions des cellules ainsi que leurs modifications sont décrites.

Zusammenfassung

Um eine Osteoporose zu erzeugen, erhielten junge Ratten eine Calcium-arme Diät. In verschiedenen Zeitabständen wurden die Metatarsalknochen histologisch, histochemisch und radiologisch untersucht. Eine Osteoporose wurde erstmals 7 Tage nach Beginn der Calcium-armen Diät beobachtet. Das Dünnerwerden der Compacta durch das Einwirken von hypertrophierenden Zellen sowie die Bildung von Resorptionshöhlungen in der Compacta durch hypertrophierende Osteocyten wiesen auf eine verstärkte Knochenresorption hin.

Die Knochenresorption spielte sich in 2 Stufen ab. Während der ersten Stufe verschwand Calcium aus der perilakunären Knochenmatrix, aus der an die Resorptionshöhlungen angrenzenden Matrix und aus dem subendostalen Bereich. Die an diesen Stellen verbleibende organische Matrix ließ sich metachromatisch anfärben und war PAS-positiv; sie verschwand in der zweiten Resorptionsstufe. 2 Monate später hatten sich die Tiere der Calcium-armen Diät scheinbar soweit angepaßt, daß die Dicke der Compacta stationär blieb und die Resorptionshöhlungen verschwanden. Tiere, die nach 5 Monaten wieder auf die normale Diät zurückversetzt wurden, zeigten ein Dickerwerden ihrer Compacta. Die während der Zellumwandlung sich verändernde Rolle der verschiedenen Zellen wird besprochen.

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References

  1. Bélanger, L. F.: Osteolysis: an outlook on its mechanism and causation. In: The parathyroid glands (Gaillard, P. J., ed.), p. 137–143. Chicago: Chicago University Press 1965a.Google Scholar
  2. —, Drouin, P.: Osteolysis in the frog. The effects of parathormone. Canad. J. Physiol. Pharmacol.44, 919–922 (1966).Google Scholar
  3. —, Migicovsky, B. B.: Histochemical evidence of proteolysis in bone: the influence of parathormone. J. Histochem. Cytochem.11, 734–737 (1963b).Google Scholar
  4. —, Robichon, J.: Parathormone-induced osteolysis in dogs. A microradiographic and alpharadiographic survey. J. Bone Jt. Surg. A46, 1008–1012 (1964).Google Scholar
  5. ——, Migicovsky, B. B., Copp, D. H., Vincent, J.: Resorption without osteoclasts (Osteolysis) In: Mechanisms of hard tissue destruction (Sognnaes, R. F., ed.), p. 531–556. Washington, D. C.: American Association for the Advancement of Science 1963a.Google Scholar
  6. —, Semba, T., Tolnay, S., Copp, D. H., Rook, L. K., Gries, C.: The two faces of resorption. In: Calcified tissues 1965 (Fleisch, H., H. J. J. Blackwood, and M. Owen, eds.), p. 1–10. Proceedings of the third European Symposium on calcified tissues. Berlin-Heidelberg-New York: Springer 1965b.Google Scholar
  7. Bohatirchuk, F.: Calciolysis as the initial stage of bone resorption. A stain-historadiographic study. Amer. J. Med.41, 836–846 (1966).PubMedGoogle Scholar
  8. Eger, W.: Pathologische Anatomie der Osteoporose unter besonderer Berücksichtigung der Mineralstoffwechselvorgänge im Knochengewebe. Verh. dtsch. Ges. inn. Med.71, 533–568 (1965).PubMedGoogle Scholar
  9. Gershon-Cohen, J., McClendon, J. F., Jowsey, J., Foster, W. C.: Osteoporosis produced and cured in rats by low- and high-calcium diets. Radiology78, 251–252 (1962).PubMedGoogle Scholar
  10. Guggenheim, K.: The role of zinc, copper and calcium in the etiology of the “meat anemia”. Blood23, 786–794 (1964).PubMedGoogle Scholar
  11. Harrison, M., Fraser, R.: Bone structure and metabolism in calcium-deficient rats. J. Endocr.21, 197–205 (1960a).PubMedGoogle Scholar
  12. ——: The parathyroid glands and calcium deficiency in the rat. J. Endocr.21, 207–211 (1960b).PubMedGoogle Scholar
  13. Heller, M., McLean, F. C., Bloom, W.: Cellular transformations in mammalian bones induced by parathyroid extract. Amer. J. Anat.87, 315–339 (1950).PubMedGoogle Scholar
  14. Hotchkiss, R. D.: A microchemical reaction resulting in the staining of polysaccharide structure in fixed tissue preparations. Arch. Biochem.16, 131–142 (1948).Google Scholar
  15. Jowsey, J.: The disappearance of calcified tissue. In: Structural organisation of the skeleton, a symposium (Bergsma, D., ed.), p. 51–55. Birth Defects, Original Series, vol. II, no. 1. New York: The National Foundation—March of Dimes 1966.Google Scholar
  16. Kind, H.: Studien zur Frage der Osteolyse. Beitr. path. Anat.111, 283–312 (1951).Google Scholar
  17. Kóssa, J. von: Über die im Organismus künstlich erzeugbaren Verkalkungen. Beitr. path. Anat.29, 163–202 (1901).Google Scholar
  18. McClendon, J. F., Jowsey, J., Gershon-Cohen, J., Foster, W. C.: The curative effect of a high-calcium diet on senile osteoporosis. J. Nutr.77, 299–302 (1962).Google Scholar
  19. McLean, F. C.: Biochemical and biomechanical aspects of the resorption of bone. J. Periodont.25, 176–182 (1954).Google Scholar
  20. Nordin, B. E. C.: Osteoporosis and calcium deficiency. In: Bone as a tissue (Rodahl, K., J. T. Nicholson, and E. M. Brown, eds.), p. 46–66. New York-Toronto-London: McGraw-Hill Book Co. 1960.Google Scholar
  21. Nordin, B. E. C.: The pathogenesis of osteoporosis. Lancet1961I, 1011–1014.Google Scholar
  22. —: Osteoporosis. Advanc. Metab. Disord.1, 125–151 (1964).Google Scholar
  23. Owen, M.: Cell differentiation in bone. In: Proceedings of the second European symposium on calcified tissues (Richelle, L. J., and M. J. Dallemagne, eds.), p. 11–22. Liège: Collection des Colloques de l'Université de Liège 1964.Google Scholar
  24. Rutishauser, E., Kind, H.: Probleme der Osteolyse. Schweiz. med. Wschr.80, 182–183 (1950).Google Scholar
  25. Salomon, C. D.: Thin sections of plastic-embedded undecalcified human dentin for histochemistry and autoradiography. J. dent. Res.45, 1226 (1966).PubMedGoogle Scholar
  26. —, Volpin, G.: Fine structure of bone resorption in experimental osteoporosis caused by calcium deficient diet in rats. An electron microscopic study of compact bone. Calcif. Tiss. Res.4 (Suppl.), 80–82 (1970a).Google Scholar
  27. Salomon, C. D. Volpin, G.: Changes in the fine structure of collagen fibers and mitochondria during bone resorption due to calcium deficient diet in rats. Septième congrès international de microscopie électronique. Grenoble, 867–868 (1970b).Google Scholar
  28. ——; Ultrastructural aspects of disintegrating collagen fibrils in osteoporotic bones. Israel J. med. Sci.7, No 3, 485–488 (1971a).PubMedGoogle Scholar
  29. Salomon, C. D. Volpin, G.: The effects of calcium deficient diet on breaking strength and other mechanical properties of rat bones. Clin. Orthop. Rel. Res. (in press) (1971 b).Google Scholar
  30. Sissons, H. A.: Osteoporosis—some structural aspects. Proc. roy. Soc. Med.58, 435–436 (1965).PubMedGoogle Scholar
  31. Urist, M. R.: Observations bearing on the problem of osteoporosis. In: Bone as a tissue (Rodahl, K., J. T. Nicholson, and E. M. Brown, eds.), p. 19–45, New York-Toronto-London McGraw-Hill Book Co. 1960.Google Scholar
  32. Weiss, P.: Principles of development, p. 94. New York: Henry Holt & Co. 1939.Google Scholar
  33. Young, R. W.: Histophysical studies on bone cells and bone resorption. In: Mechanisms of hard tissue destruction (Sognnaes, R. F., ed.), p. 471–496. Washington D. C.: American Association for the Advancement of Science 1963.Google Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag 1972

Authors and Affiliations

  • Carl D. Salomon
    • 1
  1. 1.Department of AnatomyThe Hebrew University-Hadassah Medical SchoolJerusalemIsrael

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