Analysis of bone composition at the microscopic level

Abstract

A study of the composition of bone tissue at the level of microscopic structures, previously limited to the Haversian systems, has been extended to interstitial periosteal lamellar bone and to the “Mittellinien”. Phosphorus, calcium, total nitrogen, mucopolysaccharides (as hexosamines) and collagen (as hydroxyproline) were determined in these materials on both weight and volume basis. Calcium was also been determined in osteones at the initial and final stage of calcification. In spite of virtually identical Ca/P ratios, interstitial periosteal lamellar bone and Mittellinien differ in their organic composition. Interstitial bone has a higher total nitrogen content (both absolute and relative to phosphorus) as well as higher hydroxyproline and non-collagenous nitrogen than the Mittellinien. A compilation of data on the composition of osteoid tissue, osteones at different degrees of calcification and the above structures, shows how variable is the composition of bone tissue even from one microscopic structure to the one adjacent. Tentative indications of a general rule governing the process of calcification were obtained from the analytical data; namely that wherever calcification is taking place rapidly, non-collagenous proteins (possibly proteoglycans) are present.

Résumé

Une étude microscopique de la composition du tissu osseux, réalisée initialement au niveau des ostéones, a été étendue à l'os lamellaire interstitiel périosté et aux ≪Mittellinien≫. Le phosphore, calcium, l'azote total, les mucopolysaccharides (sous forme d'hexosamines) et le collagène (sous forme d'hydroxyle-proline) ont été déterminés dans ce tissu au point de vue pondéral et volumétrique. Le calcium a également été déterminé dans les ostéones aux stades initial et final de la calcification. Malgré des rapports Ca/P sensiblement identiques, l'os lamellaire interstitiel périosté et les Mittellinien diffèrent en composition organique. L'os interstitiel a un contenu plus élevé en azote (absolu et par rapport au phosphore) et en hydroxyle-proline et azote non-collagénique que les Mittellinien. En étudiant les résultats sur la composition du tissu ostéoide, les ostéones à divers degrés de calcification et les structures décrites ci-dessus, on se rend compte de la composition variable du tissu osseux d'une plage à l'autre. D'après les résultats analytiques, il semble que dans tout processus de calcification rapide, des protéines non-collagéniques (probablement des protéoglycanes) sont présentes.

Zusammenfassung

Eine Untersuchung der Zusammensetzung des Knochengewebes auf der Stufe mikroskopischer Strukturen, welche früher auf die Haversianischen Systeme begrenzt war, ist auf den interstitiellen Lamellenknochen des Periosts und auf die Mittellinien ausgedehnt worden. Phosphor, Calcium, Gesamtstickstoff, Mucopolysaccharide (als Hexosamine) und Kollagen (als Hydroxyprolin) wurden in diesen Materialien in bezug auf Gewicht und Volumen bestimmt. Calcium wurde auch in den Osteonen in der Anfangs- und Endphase der Verkalkung bestimmt. Trotz praktisch identischem Ca/P-Verhältnis unterscheiden sich interstitieller Lamellenknochen des Periosts und Mittellinien in ihrer organischen Zusammensetzung. Interstitieller Knochen hat einen höheren Gesamtstickstoffgehalt (absolut sowie auf Phosphorgehalt bezogen), ebenso mehr Hydroxyprolin und nicht-kollagenen Stockstoff als die Mittellinien. Eine Zusammenstellung von Daten über die Zusammensetzung des Osteoid-Gewebes, der Osteonen in verschiedenen Stadien der Verkalkung und der oben aufgeführten Strukturen zeigt, wie unterschiedlich die Zusammensetzung des Knochengewebes sogar von einer mikroskopischen Struktur zur angrenzenden sein kann. Es wurde versucht, aus den analytischen Daten eine allgemeine Regel betreffend den verkalkungsprozess zu erhalten, nämlich: Wo immer eine Verkalkung rasch stattfindet, sind nicht-kollagene Proteine (möglicherweise Proteoglycane) anwesend.