Bot is aangepast aan mechanische belasting. Dit is het duidelijkst in trabeculair bot, wat zich binnenin onze botten bevindt en bestaat uit een poreus rasterwerk van beenbalkjes of 'trabekels'. Lang geleden is al onderkend dat deze balkjes gericht zijn op de mechanische belasting. Het geldt ook voor corticaal bot, wat de compacte buitenwand van onze botten vormt en veel buisvormige structuren of 'osteonen' bevat. Net als trabekels zijn osteonen gericht op de mechanische belasting. Onze botten worden voortdurend geremodelleerd door botafbrekende osteoclasten en botbouwende osteoblasten. Deze cellen werken vaak samen in zogenaamde 'basic multicellular units' of BMU's. Osteoclasten graven een holte, die osteoblasten vullen met nieuw bot. In corticaal bot graven osteoclasten tunnels door het bot, in trabeculair bot graven ze geulen over het oppervlak van de trabekels. Osteoblasten vullen deze tunnels en geulen, en vormen zo osteonen en hemi-osteonen. Hoe mechanische krachten deze cellen leiden is nog onzeker. Het wordt alom aangenomen dat botremodellering geregeld wordt door osteocyten. Osteocyten zijn osteoblasten die zichzelf hebben ingebouwd in het bot tijdens botformatie. Ze zijn gevoelig voor mechanische stimuli in het botweefsel en kunnen signalen sturen naar de cellen aan het botoppervlak.
Meer dan een eeuw geleden, toen Wolff de belastingsgerichte organisatie van het trabeculaire bot beschreef, bedacht zijn tijdgenoot Roux al dat deze structuur gemaakt werd door cellen die op de rek in het omliggende weefsel reageren. Pas in de laatste decennia, met de ontwikkeling van computersimulaties, werd het mogelijk zulke hypotheses te testen. Met computersimulaties toonden Huiskes en medewerkers aan dat een locaal remodelleringsproces, geregeld door mechanosensitieve osteocyten, een belastingsgerichte trabeculaire structuur kon produceren. In dit model werd de botformatie gestimuleerd door het belastingsgedreven osteocytsignaal, maar resorptie gebeurde met willekeurige 'hapjes' aan het botoppervlak. Wanneer de opgelegde krachten van richting veranderden, paste deze structuur zich aan zodat de trabekels weer op de belasting gericht waren. Verminderde belasting leidde tot een vermindering van trabekeldikte en aantal, zoals gezien wordt in osteoporose door verminderde lichaamsbeweging. De resorptieholtes in dit model waren echter geen nauwkeurige weergave van de geulen die osteoclasten graven op trabekels. Om trabeculaire remodellering op de schaal van de BMU te simuleren, en ook de osteonale tunnels in corticaal bot, was een nieuwe modelweergave van de osteoclasten nodig.
Daarom breidden we ons model uit met een cel-simulatie-methode, om de osteoclasten expliciet weer te geven. Deze model-osteoclasten konden tunnels door het bot graven, maar er was ook een regelmechanisme nodig om ze in de belastingsrichting te sturen. Smit en Burger hadden eerder de rek rondom een resorptieholte geëvalueerd en gevonden dat deze geconcentreerd was aan de zijkanten, weg van de belastingsrichting. Als rek-geïnduceerde osteocytsignalen van de zijkanten osteoclasten zou afweren, zouden de osteoclasten gedwongen zijn in de belastingsrichting te graven. Tegelijkertijd zouden zulke signalen osteoblasten kunnen recruteren om de tunnel weer vol te bouwen. Met deze weergave en sturing van osteoclasten konden we corticale BMU's simuleren die osteonen vormden in de belastingsrichting, en trabeculaire BMU's die over het
oppervlak van trabekels bewogen, zowel in 2- als 3-dimensionale simulaties. In deze BMU's volgde formatie resorptie (de zogenaamde 'koppeling') tengevolge van de spanningsconcentratie naast resorptieholtes. Een simpel regelmechanisme, waarin rek-geïnduceerde osteocytsignalen osteoclasten inhiberen en osteoblasten stimuleren, kan dus de sturing van en koppeling in BMU's regelen.
Enkele van de meest intrigerende resultaten waren onvoorzien. We vonden dat het model bredere osteonen produceerde bij lagere belasting. Dit biedt een verklaring voor het verschil in osteondiameter tussen de binnen- en buitenkant van de cortex, waar osteonen in de lagerbelaste binnenkant breder zijn. We vonden ook dat een steile gradiënt in de belasting resulteert in een osteon dat zijwaarts 'schuift' naar de lagerbelaste zijde. In ons bot zijn er zulke 'schuivende osteonen', die bijna altijd naar de lagerbelaste binnenzijde van de cortex schuiven. Dit fenomeen was nog onverklaard.
We vonden ook dat als er een gebied met dode osteocyten (en daarom zonder osteoclast-afwerend signaal) nabij het pad van de BMU lag, de BMU van richting veranderde om dit gebied te resorberen. Dit zou een reparatie-mechanisme kunnen bieden, omdat dode osteocyten gevonden worden in door haarscheurtjes beschadigd bot. Het gebied met de dode osteocyten in deze eerste simulatie was echter vrij kunstmatig, omdat het optreden van de schade zelf niet in het model was meegenomen. Daarom hebben we schade-algoritmes in het model geïntroduceerd. Dat de botremodellering schade repareert is verre van triviaal. Juist wanneer de belasting al intens genoeg was om schade te veroorzaken, kunnen extra resorptieholtes het probleem verergeren. Er zijn aanwijzingen dat zogenaamde 'stressfracturen', die voorkomen bij veelvuldig herhaalde belasting bij atleten en militaire recruten, voorafgegaan worden door op hol geslagen resorptie. In onze simulaties vonden we dat botremodellering schade repareert bij een matige belastingsintensiteit, maar de schade verergert bij een hoge belastingsintensiteit.
Hierbij werd het interessant te kijken naar het effect van osteocytdood op de botformatie. In onze modellen namen we aan dat osteocyten (bij voldoende mechanische belasting) osteoblasten stimuleren, en osteocytdood zou daarom een afname van botformatie veroorzaken. In de afgelopen jaren is echter ontdekt dat osteocyten osteoblasten remmen via het eiwit sclerostin. Dit lijkt strijdig met ons stimulerende signaal, maar als osteocyten de secretie van sclerostin verminderen bij mechanische belasting, kan het dezelfde rol vervullen. Met computersimulaties hebben we laten zien dat een op sclerostin gebaseerd model ook een op de belasting gerichte trabekelstructuur kan produceren. Het interessante verschil onstaat wanneer osteocyten uitvallen. Terwijl de botformatie keldert in het stimulerende model, krijgt het een tijdelijke oppepper in het remmende model, wat het verlies van trabekels voorkomt. Dit heeft interessante implicaties voor de reparatie van schade.
Dankwoord
Mijn eerste aanraking met computermodellen van bot was bij het vak "Computersimulaties en Biomedische Applicaties", gegeven door de BioModeling en bioInformatics groep van Peter Hilbers. Ik herinner me nog dat ik helemaal enthousiast was over de trabekelstructuur die zich op mijn computerscherm ontwikkelde. De andere onderwerpen in deze groep waren al even interessant (mag ik dat zeggen?), van de fosfolipiden die samen een celmembraan vormden tot de hartspiercellen die elkaar aanvuurden. Ten eerste wil ik daarom Peter bedanken, naast zijn hulp aan mijn promotiewerk, voor het fijne en vrije onderzoeksklimaat in zijn groep. Hier heb ik tijdens mijn afstudeer- en promotiejaren een stimulerende werkplek gehad. De man van de botmodellen was daar Ronald Ruimerman. Bij jou kon ik tijdens mijn afstuderen en de eerste jaren van mijn promotie altijd terecht voor overleg en discussies. Ik heb ook erg genoten van de conferenties waar we samen naar toe gingen, zoals in Chicago en in Geneve, en waar je me een beetje wegwijs hebt gemaakt (in eerste instantie altijd naar de Starbucks). Mijn promotie ben ik begonnen onder leiding van Rik Huiskes. Rik, jouw enthousiasme voor botonderzoek en je grote ervaring in het veld hebben me erg gestimuleerd. Ik wil je ook bedanken voor de hulp die je hebt geboden bij mijn eerste artikels, en voor de interesse die je altijd in mijn werk hebt getoond.
Toen Ronald van werkgever veranderde, en ook Rik vanwege zijn gezondheid minder betrokken kon zijn bij mijn promotiewerk, miste ik dan ook dat fijne overleg dat ik altijd met jullie had gehad. Bert, ik weet nog dat je toen bij me kwam met de vraag "Wie begeleidt jou nu eigenlijk?" Vanaf dat moment was jij het in ieder geval. Ik kon altijd bij je aankloppen voor overleg. Je ongedwongen houding en positieve kijk waren daarbij zeer prettig. Ik wil je ook erg bedanken voor je hulp bij het schrijven van de artikelen. Keita, bedankt voor je aansporingen om mijn onderzoek te focussen en eens een datum te gaan prikken. Zonder dat had dit boekje hier vast nog niet gelegen.
I would also like to thank Chris, Patrick, Klaas, and Vincent for being on my commitee and taking the time and interest to read my thesis.
Rikkert en Sander, bedankt dat jullie mijn paranimfen wilden zijn, geheel volgens onze Paranimf Triple Entente. Daarnaast kon ik ook altijd op jullie rekenen voor gezellige avondjes uit, en drukke gameweekenden. Ook alle anderen uit het BMI lab, met wie ik censuurwaardige lunchtafelgesprekken, bioclubs, filmavonden, borrels, kanotochten, Diplomacy-, Civ- en Age-games gedeeld heb, wil ik bedanken voor een fijne tijd. Probeer het lunchlogboek een beetje te blijven vullen! And a similar thank you goes to my colleagues from the Orthopaedic Biomechanics group. I enjoyed our time together, whether at the TUE, in Udine, at conferences, or in Gemmenich. More philosophical and intoxicated discussions should follow.
Verder wil ik nog mijn familie, vrienden, en huisgenoten bedanken voor hun interesse en de nodige afleiding. Aan het thuisfront wil ik met name mijn ouders bedanken. Pap, dat ik je computerarsenaal voor mijn werk heb mogen inzetten, en mam, dat ik bij jullie in Arcen zo luxueus aan mijn proefschrift heb kunnen werken. En Sonrisa, jou wil ik bedanken voor de mooie tijden die we samen beleefd hebben en hopelijk nog zullen beleven.