Inhibition by diphosphonates of bone resorption in mice and comparison with grey-lethal osteopetrosis

Abstract

The effect of daily doses from birth of two diphosphonates, namely either ethane-1-hydroxy-1,1-diphosphonate (EHDP) or dichloromethylene diphosphonate (Cl₂MDP), on the growth and the skeleton of mice has been studied. Diphosphonates slowed growth, the incisors did not erupt or erupted later, but the level of plasma calcium remained normal. The administration of Cl₂MDP at a dose rate of 10 mg P/kg/day leads to skeletal changes that are similar to those observed in grey-lethal osteopetrotic mice, and the animals die after about four weeks of treatment. As compared with normal mice of similar age, treated mice had bones that were smaller, denser and more clubshaped, and the marrow cavities were filled with calcified bone or cartilage. The total amount of calcium in the carcass was not increased by diphosphonate treatment, as compared with the amount in normal mice of the same age. It is suggested that both in the grey-lethal and diphosphonate-treated mice many of the abnormalities are secondary to decreased bone resorption. The results are discussed with respect to the use of diphosphonates in pathological conditions of increased bone turnover and with respect to the role of bone resorption in the maintenance of plasma calcium levels.

Résumé

L'effet de doses quotidiennes, administrées depuis la naissance, de deux types de diphosphonates, à savoir l'éthane-1-hydroxyle-1,1-diphosphonate (EHDP) et le dichlorométhylène diphosphonate (Cl₂MDP), sur la croissance et le squelette de souris a été étudié. Les diphosphonates freinent la croissance: les incisives ne font pas leur éruption ou elle est plus tardive. La calcémie est normale. L'administration de Cl₂MDP à une dose quotidienne de 10 mg P/kg/jour provoque des modifications squelettiques identiques à celles des souris grises létales atteintes d'ostéopétrose et les animaux meurent après quatre semaines de traitement. Par rapport aux témoins, les souris traitées présentent des os plus étroits, plus denses et plus déformés: les cavités médullaires sont comblées avec de l'os calcifié et du cartilage. La quantité totale de calcium d'un animal n'est pas augmentée par traitement au diphosphonate, par rapport à un témoin de même âge. Chez les souris grises létales et celles traitées aux diphosphonates, la plupart des anomalies est secondaire à une résorption osseuse diminuée. Ces résultats sont commentés en fonction de l'emploi des diphosphonates au cours de remaniements osseux pathologiques augmentés et en fonction du rôle de la résorption osseuse dans le maintien de la calcémie.

Zusammenfassung

Mäuse erhielten von der Geburt an tägliche Dosen folgender zwei Diphosphonate: entweder Äthan-1-Hydroxy-1,1-Diphosphonat (EHDP) oder Dichloromethylen-Diphosphonat (Cl₂MDP). Es wurde deren Wirkung auf das Wachstum und das Skelet untersucht. Die Diphosphonate verlangsamten das Wachstum, die Schneidezähne brachen nicht oder erst später durch, aber die Höhe des Plasmacalciums blieb normal. Die Verabreichung von Cl₂MDP in Dosen von 10 mg P/kg/Tag führt zu Skeletveränderungen, welche denjenigen der „grey-lethal” osteopetrotischen Mäuse gleichen. Die Tiere sterben nach einer Behandlungsdauer von etwa 4 Wochen. Verglichen mit normalen Mäusen von ungefähr gleichem Alter hatten die behandelten Mäuse kleinere, dichtere und mehr keulenförmige Knochen, und die Markhöhlen waren gefüllt mit verkalktem Knochen oder Knorpel. Die Gesamtcalciummenge im Skelet wurde durch die Diphosphonatbehandlung nicht erhöht; dies ergab sich aus einem Vergleich mit der bei normalen Mäusen desselben Alters gefundenen Menge. Es wird vorgeschlagen, daß bei den „grey-lethal” und bei den Diphosphonat-behandelten Mäusen viele der Abnormalitäten als Folge der herabgesetzten Knochenresorption angesehen werden müssen. Die Ergebnisse werden einerseits im Hinblick auf den Gebrauch der Diphosphonate bei pathologischen Bedingungen eines erhöhten Knochenumbaus diskutiert; andererseits werden sie im Zusammenhang mit der Rolle der Knochenresorption bei der Erhaltung des Plasmacalcium-Spiegels besprochen.