The cycling concept of exchange in bone

Abstract

An hypothesis has been developed to explain in a semi-quantitative fashion the wide variations in time required for the equilibration in the skeleton of various radioactive substances when they are introduced into the circulation. The basis for the hypothesis rests on the assumption that three variables define the rate-limiting step in bone exchange: a) the rate of perfusion of bone, b) the concentration of the ion plasma, and c) the concentration of the ion in bone. Using this idea and data from the literature, “cycling times” were calculated for Cl⁻, Na⁺, K⁺, and Ca⁺⁺. They were found to vary by four orders of magnitude (from 10 min for Cl⁻ to 64 days for Ca⁺⁺ in the rat).

These predictions were tested for²²Na- and⁴⁵Ca-exchange in a column of apatite mineralin vitro. In vivo ³⁶Cl- and⁴²K-exchange in rat femur was studied. The blood disappearance of²²Na in man was also examined. Finally, data in the literture of⁴⁵Ca-exchange in the rat molar was redrawn. In every case, experimental results closely approximated the predictions of the cycling concept.

Some of the implications of these findings are briefly discussed.

Résumé

Une hypothèse, destinée à rendre compte de façon semi-quantitative, des grandes variations de temps nécessaire à équilibrer, au niveau du squelette, divers produits radioactifs, introduits dans le torrent circulatoire, est mise au point. Cette hypothèse est basée sur le fait que 3 facteurs interviennent dans les échanges osseux: a) la vitesse de perfusion de l'os, b) la concentration ionique du plasma, et c) la concentration ionique de l'os. Partant de cette hypothèse et de résultats publiés dans la littérature, “des temps de cyclage” sont calculés par Cl⁻, Na⁺, K⁺ et Ca⁺⁺. Ils varient selon quatre ordres de grandeur (de 10 min pour Cl⁻ à 64 jours Ca⁺⁺, chez le rat).

Ces résultats ont été vérifiés pour des échanges de²²Na et de⁴⁵Ca dans une colonne d'apatite minéralin vitro. Des échanges de³⁶Cl et de⁴²K ont été étudiésin vivo au niveau du fémur de rat. La disparition sanguine du²²Na a été suivie chez l'Homme. Enfin des résultats d'échanges de⁴⁵Ca, au niveau de molaires de rat, publiés dans la littérature, ont été recalculés. Dans chaque cas, les résultats expérimentaux ont confirmé les prédictions de l'hypothèse du cyclage.

Zusammenfassung

Es wurde eine Hypothese aufgestellt, um auf semi-quantitative Weise die breite Variabilität der Zeit zu erklären, die benötigt wird, um im Skelett ein Gleichgewicht von verschiedenen radioaktiven in den Kreislauf eingeführten Substanzen herzustellen.

Diese Hypothese beruht auf der Annahme, daß der geschwindigkeitsbeschränkende Faktor beim Knochenaustausch durch 3 Variablen definiert ist: a) das Maß der Knochenperfusion, b) die Konzentration der Ionen im Plasma und c) die Konzentration der Ionen im Knochen. Auf Grund dieser Annahme und gestützt auf Angaben aus der Literatur wurden die “cycling times” für Cl⁻, Na⁺, K⁺ und Ca⁺⁺ berechnet. Diese variieren in 4 Größenordnungen, beispielsweise von 10 min für Cl⁻ bis zu 64 Tagen für Ca⁺⁺ bei der Ratte.

Diese Annahmen wurden für den Austauschin vitro von²²Na und⁴⁵Ca in Apatitmineral in einer Säule geprüft. Der Austausch von³⁶Cl und von⁴²K wurdein vivo am Rattenfemur studiert. Die Abnahme von²²Na im menschlichen Blut wurde ebenfalls verfolgt. Schließlich wurden Literaturangaben über den Austausch von⁴⁵Ca in Rattenbackenzähnen überprüft. Die Versuchsresultate kamen dabei sehr nahe an die auf Grund des “cycling concept” erwarteten.

Einige der Zusammenhänge dieser Befunde werden kurz besprochen.