A comparative study of the exchangein vivo of major constituents of bone mineral

Abstract

Groups of young and old rats were injected with a variety of labelled substanzes (urea, Cl⁻, K⁺, Na⁺, HCO ⁻₃ , PO ³⁻₄ , Ca⁺⁺). Data for Mg⁺⁺ were taken from the literature. One and a half hours later, compact shafts of long bones were removed and cleaned scrupulously, and analyses were performed for both “cold” and isotopic concentrations of substances. This time point was chosen to insure equilibration of the aqueous phase of bone while minimizing contributions from surface exchange, recrystallization, solid diffusion, growth or resorption.

With fixed variables of time, species, bone specimen, and methodology, uambiguous comparisons of the exchange in bone could be made between the many substances studied. The exchange data could be divided into three categories: a) complete exchange (urea Cl⁻, and K⁺); b) partial exchange, decreasing variably with age (Na⁺, CO₂, and Mg⁺⁺); and c) minimal exchange (Ca⁺⁺ and PO ³⁻₄ ). Clearly the traditional classification of “available” and “unavailable” skeleton is ambiguous and determined by the conditions and the ion or substance chosen for study. Clearly also, a new overall concept of bone exchangein vivo is badly needed.

Calculations of the apparent concentration of the various electrolytes in bone water reveal that the aqueous phase of bone has a composition markedly different from plasma water. In particular, the concentration of potassium in bone water was found to be remarkably high.

Résumé

Des produits marqués variés (urée, Cl⁻, K⁺, Na⁺, HCO ⁻₃ , PO ³⁻₁ , Ca⁺⁺) sont administrés à des groupes de rats jeunes et âgés. Les résultats pour Mg⁺⁺ sont empruntés à ceux trouvés dans la littérature. Une heure et demic plus tard, des fragments d' os longs sont prélevés et nettoyés minutieusement. La concentration de ces substances marquées et non marquées est déterminée. L'intervalle de temps choisi est utilisé afin de permettre l'équilibre de la phase aqueuse de l'os, tout en réduisant les échanges de surface, la recristallisation, la diffusion solide et la croissance ou la résorption.

Avec des intervalles de temps fixes, avec les mêmes espèces ainsi que des specimens osseux et des techniques identiques, une comparaison des échanges entre les divers es substances dans l'os a pu être effectuée. Les résultats ont pu être répartis en trois groupes: a) échange total (urée, Cl⁻ et K⁺); b) échange partiel, diminuant de façon variable avec l'âge (Na⁺, CO₂ et Mg⁺⁺); et c) échange faible (Ca⁺⁺ et PO ³⁻₄ ). La classification classique de sequelette «accessible» et «non accessible» parait peu conforme et dépend des conditions et de la nature de la substance étudiée. Un concept général des échanges osseuxin vivo devrait être élaboré.

Des calculs concernant la concentration apparente des divers electrolytes au niveau de la phase aqueuse de l'os montrent qu'elle a une concentration nettement différente de celle du plasma. La concentration du potassium y est, en particulier, remarquablement élevée.

Zusammenfassung

Gruppen von jungen und alten Ratten erhielten Injektionen von verschiedenen markierten Substanzen (Harnstoff, Cl⁻, K⁺, Na⁺, HCO ⁻₃ , PO ³⁻₄ , Ca⁺⁺). Die Angaben für Mg⁺⁺ wurden der Literatur entnommen. 11/2 Std später wurden die Diaphysen der behandelten Tiere gewonnen, sorgfältig gereinigt und deren Gehalt an kalten und radioaktiven Substanzen bestimmt. Dieser Zeitpunkt wurde gewählt, um ein Gleichgewicht innerhalb der wäßrigen Phase des Knochens sicherzustellen und ein gleichzeitiges Mitwirken des Oberflächenaustausches, der Rekristallisation, der festen Diffusion, des Wachstums oder der Resorption möglichst einzuschränken.

Wurden Variablen wie Zeit, Rattenart, Knochenproben und Methodik festgelegt, so konnten eindeutige Vergleiche hinsichtlich des Austausches dieser verschiedenen Substanzen im Knochen gezogen werden. Die erhaltenen Resultate konnten in drei Kategorien eingeteilt werden: a) vollständiger Austausch (Harnstoff, Cl⁻, K⁺); b) teilweiser Austausch, je nach Alter unterschiedlich abnehmend (Na⁺, CO₂ und Mg⁺⁺); c) minimaler Austausch (Ca⁺⁺ und PO ³⁻₄ ). Offenbar ist die klassische Einteilung in “verfügbares” und “nichtverfügbares” Skelet zweideutig und abhängig von den Bedingungen sowie von den Ionen oder Substanzen, die für den Versuch gewählt wurden. Es liegt auf der Hand, daß ein neues, allgemeingültiges Konzept für den Knochenaustauschin vivo dringend benötigt wird.

Berechnungen der scheinbaren Konzentration der verschiedenen Elektrolyte in der Knochenflüssigkeit ergaben, daß die wäßrige Phase des Knochens eine deutlich andere Zusammensetzung als die Plasmaflüssigkeit hat. Insbesondere konnte in der Knochenflüssigkeit eine bemerkenswert hohe Kaliumkonzentration festgestellt werden.