Efeito do diabetes mellitus tipo I na organização espacial das trabéculas ósseas: análise por meio do processo de esqueletonização / Effects of type I diabetes mellitus on the spatial organization of bone trabeculae: analysis by skeletonization

Introdução: Diabetes mellitus é uma doença metabólica que afeta vários órgãos-alvo, incluindo os ossos. Objetivo: Avaliar pelo método de esqueletonização o efeito do Diabetes mellitus tipo I (DM1) na microarquitetura de osso esponjoso. Material e métodos: Quatorze ratos Wistar foram divididos em: Saudável (S, n=7) e Diabético (D, n=7). O DM1 foi induzido por meio de injeção endovenosa de estreptozotocina no grupo D, sendo a confirmação da condição realizada por checagem do nível glicêmico. Os animais foram sacrificados após 35 dias da indução no grupo D, juntamente com os do grupo S. As epífises femorais foram seccionadas, removidas, desmineralizadas e incluídas em parafina. Dois cortes (5 µm) foram obtidos, corados em Hematoxilina e Eosina, e analisados ao Microscópio de Luz. Foi realizada a delimitação interativa das trabéculas ósseas, seguido pelo processo de binarização utilizando threshold global, feita por dois operadores distintos. Depois, foi realizado o processo de esqueletonização para acesso às características das trabéculas e da rede de interconexão entre elas. Os parâmetros avaliados foram: Área óssea em micrômetros quadrados (B.Ar, seguido pela proporção em porcentagem BV/TV), Índice de Modelo estrutural (SMI), Dimensão Fractal (FD), Número de trabéculas (Tb.N), Número de ramos (B.N), Número total de junções (Junc.N), Média de pontos terminais (End.p), Média de extensão de cada ramo (R.Le) e Número de junções triplas (Triple.points.N). Resultados: Houve diferença significante apenas no parâmetro SMI para os diferentes operadores (p<0,0001), sendo o mesmo retirado da análise entre diabetes vs saudável. Houve diferença significante na quantidade óssea, sendo maior no grupo S (0,46±0,09) comparado ao grupo D (0,41±0,07) (p=0,0082). Os demais parâmetros não mostraram diferença significante. Conclusão: Conclui-se que a área óssea no grupo saudável é maior em comparação ao DM1. Dentro das limitações deste estudo, parece que a distribuição espacial das trabéculas e suas características de interconexão não são alteradas no diabetes.

Introduction: Diabetes is a metabolic disease that affects several target-organs, including bone. Objective: Analyze the effects of Diabetes Mellitus Type 1 (DM1) on the trabecular bone microarchitecture by using the skeletonization process. Material and methods: Fourteen Wistar rats were divided in two groups: Health (S, n=7) and Diabetic (D, n=7). DM1 was induced with streptozotocin in D group, and glycemic levels were tested on peripheral blood samples. After 35 days, the animals were euthanized and had their femurs removed. The epiphysis were decalcified and embedded in paraffin. Five microns sections were stained in Hematoxylin and Eosin, and analyzed at the light microscope. Bone trabeculae were manually delimited, and then the binarization process with a global threshold was performed for each image. The whole process were conducted by two operators separately. Skeletonization was applied to binary images in order to evaluate the trabeculae characteristics and their network. Bone area (B.Ar), Bone proportion (BV/TV) Strucutre Model Index (SMI), Fractal Dimension (FD), Trabeculae number (Tb.N), Mean branches (B.N), Mean junction points (Junc.N), Mean End-points (End.p), Mean branches length (B.Le), and Mean triple points (Triple.points.N) were evaluated. Results: There was a significant difference only for SMI between different operators (p<0.0001), being this parameter excluded for the evaluation between health and diabetic groups. There was a significant difference between S and D for bone area, with S (0.46±0.09) higher than D (0.41±0.07) (p=0.0082). The other parameters analyzed were not significantly different. Conclusion: Bone trabecular area was higher in health compared with diabetes. Within the limitations of this study, one could suggest that there are no alterations of the spatial distribution of the trabeculae with their network and their inner structural characteristics.

Efeito da terapia de longa duração com ácido zoledrônico no osso esponjoso da mandíbula e fêmur de ratos Wistar / Effect of long-term zoledronic acid treatment on cancellous bone in the mandible and femur of Wistar rats

Os bisfosfonatos (BF) são amplamente utilizados no tratamento de doenças osteolíticas como metástases ósseas e osteoporose. A osteonecrose dos maxilares associada ao uso de BF (OMAB) é caracterizada pela presença de osso exposto ou que pode ser sondado através de uma fístula que persiste por mais de oito semanas em pacientes com história de terapia de BF e sem história de radioterapia na região de cabeça e pescoço e/ou sem doença metastática nos maxilares. A incidência de OMAB aumenta com a potência, duração do tratamento e dose de BF recebida. Até o presente momento, a fisiopatologia da OMAB não está clara, dificultando a prevenção e o tratamento. O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito da administração de altas doses Ácido Zoledrônico (AZ) por período prolongado no osso esponjoso da mandíbula e da metáfise proximal do fêmur de ratos Wistar. Para relacionar as descobertas à fisiopatologia da OMAB, o regime de administração de BF de um modelo animal relevante desta lesão foi reproduzido. Seis animais receberam AZ (0,6 mg / kg) e seis receberam solução salina no mesmo volume (Controles). Os compostos foram administrados por via intraperitoneal em cinco doses a cada 28 dias. A eutanásia dos animais ocorreu após 150 dias de início da terapia. As hemimandíbulas e fêmures direitos foram escaneados usando Micro-tomografia computadorizada (Micro-CT) de alta resolução (14 m). Para a primeira análise realizada neste estudo, os dados morfométricos do osso esponjoso foram calculados na região do segundo e primeiro molar na mandíbula e na metáfise do fêmur usando CTAnalyzer (Bruker, Bélgica). Para a segunda análise, cinco amostras de hemimandíbulas de cada grupo foram cortadas em lâminas histológicas (5 m) e coradas com Hematoxilina e Eosina. Para comparar os parâmetros morfométricos na Micro-CT e histologia, as imagens de Micro-CT foram espacialmente alinhadas à histologia. Os dados morfométricos do osso alveolar foram calculados usando o software CTAnalyzer (Bruker, Bélgica) na região entre as raízes mesial e distal do primeiro molar. A densidade da área vascular (área vascular/área total; VA/TA) e os dados histomorfométricos ósseos foram estimados usando Axiovision na mesma região (entre as raízes mesial e distal do primeiro molar). Foi adotada significância estatística de 5% ( = 0,05). Os animais tratados com AZ apresentaram aumento significativo na porcentagem de volume ósseo (p <0,05) com trabéculas mais espessas, osso mais compacto com menor separação trabecular na mandíbula e no fêmur. Na mandíbula, o aumento da densidade óssea e diminuição da separação trabecular foram fortemente correlacionados com a diminuição da área vascular observada no grupo AZ (p <0,05). Em conclusão, o tratamento de longa duração com altas doses de AZ foi significativamente associado ao aumento na densidade óssea e à diminuição dos espaços medulares, canais nutritivos e vasculatura do osso alveolar. A análise com Micro-CT revelou alterações semelhantes na estrutura óssea tanto na mandíbula quanto no fêmur do grupo AZ.(AU)

Bisphosphonates (BFs) are widely used in the treatment of osteolytic diseases such as bone metastases and osteoporosis. The osteonecrosis of the jaws related to BF (ONB) is characterized by the presence of exposed bone or bone that can be probed through a fistula that persists for more than eight weeks in patients with a history of BF therapy and without history of head and neck radiotherapy and / or without metastatic disease in the jaws. The incidence of ONB increases with potency, duration of treatment and dose of BF received. Thus far, the pathophysiology of ONB is unclear, hampering prevention and treatment. The aim of this study was to objectively assess the effect of long-term high-dose Zoledronic Acid (ZA) on cancellous bone in the jaw and femur of Wistar rats. In order to link our findings to the physiopathology of ONB, the therapeutic regiment of a relevant ONB animal model was reproduced. Twelve Wistar rats were randomly divided in two groups: six received Zoledronic acid (ZA; 0.6 mg / kg) and six (Controls) received saline solution in the same volume. The compounds were administrated intraperitoneally in five doses each 28 days. The rats were killed after 150 days of the therapy onset. Mandibles and femurs were scanned using a high-resolution (14m) micro-computerized tomography (Micro-CT). For the first analysis carried in this study, cancellous bone morphometric data were calculates in the region of the second and first molar in the mandible and in the proximal femur using CTAnalyzer (Bruker, Belgium). For the second analysis five samples were cut into histological slices (5m) and stained with Hematoxylin and Eosin. In order to compare the same morphological structures in Micro-CT and histology, the Micro-CT images were aligned to histology. Alveolar bone morphometric data (Micro-CT) was calculated using CTAnalyzer (Bruker, Belgium) in the region between the mesial and distal roots of the first molar. Blood vessels density and bone histomorphometric data were calculated using Axiovision (Carl Zeiss, Germany) in the same region used for Micro-CT evaluation. Statistical significance of 5% (=0.05) was adopted. ZA treated rats presented significant increase in the percentage of bone volume (p<0.05) with thicker trabeculae and more compact bone with smaller marrow spaces in the mandible and femur. In the mandible, the increase in bone density and decrease of marrow spaces size was strongly correlated with the decrease in the vascular area noticed in the ZA group (p<0.05). In conclusion, long-term high-dose ZA treatment was significant associated with the increase of bone density and the diminution of medullary spaces and nutritive canals size as well as decrease in vascularity of the alveolar bone. Micro-CT investigation showed similar changes in bone structure in the mandible and femur in the ZA group.(AU)