Introduction: The spine plays a central role in the skeleton of all mammals with its geometry and structure being crucial for locomotion. As it is difficult to study in humans, mice have become an important alternative study model, widely used in skeletal research. In the murine spine, within the first two weeks of life, rapid, fundamental rearrangement of mineralized material takes place. However, skeletogenesis has mostly been studied only in 2D. In this work, I provide a detailed 3D quantification of the early structural evolution of the lumbar vertebra. This study describes the main growth processes leading towards the formation of load-bearing, mature cancellous bone architecture in the murine spine. Methods: Ex-vivo samples were used to study the lumbar spine of young female C57BL/6 mice (1, 3, 7, 10, and 14 days after birth) using phantom calibrated, high-resolution 3D μCT, supported by 2D histological analysis and mapping. Results: Three phases of cancellous bone growth were identified: During a templating phase, low mineral density material is deposited in poorly structured spicules. During a consolidation phase between day 1 and day 7, the material condenses and forms first struts while the structure begins to grow. Thereafter a phase of expansion commences beyond day 7, trabeculae reorient in space and accumulate higher mineral densities. By 14 days of age, the young lumbar spine exhibits all morphological features observed in the mature animal, suggesting that the structure is fully functional and load-bearing. Conclusion: Cancellous bone of the spine evolves through spatial rearrangement of mineralized material in three phases: Templating, rearrangement, and expansion. This occurs in parallel with the development of locomotive abilities. Understanding of physiological cancellous bone development lays the foundation for future studies of short- and long-term pharmaceutical, metabolic, endocrinological, and mechanical effects on mineralized tissue as well as tissue healing and regeneration.
Einführung: Die Wirbelsäule spielt eine zentrale Rolle im Skelett aller Säugetiere, da ihre Geometrie und Aufbau entscheidend für die Fortbewegung sind. Auf Grund der Schwierigkeit von Untersuchungen am Menschen, sind Mäuse zu einem wichtigen alternativen Studienmodell geworden, das in der Skelettforschung weit verbreitet ist. In der Wirbelsäule der Maus findet innerhalb der ersten zwei Lebenswochen eine rasche, grundlegende Umlagerung von mineralisiertem Material statt. Die Skelettentstehung wurde bislang jedoch meist nur in 2D untersucht. In dieser Arbeit biete ich eine detaillierte, 3D-Quantifizierung der frühen Strukturentwicklung der Lendenwirbelsäule. Diese Studie beschreibt die zentralen Wachstumsprozesse, die zur Bildung einer belastbaren, reifen, trabekulären Knochenarchitektur in der Wirbelsäule der Maus führen. Material und Methodik: Ex-vivo Proben wurden verwendet, um die Lendenwirbelsäule von jungen, weiblichen C57BL/6 Mäusen (1, 3, 7, 10 und 14 Tage nach der Geburt) anhand von phantomkalibrierter, hochauflösender 3D μCT, zu untersuchen, unterstützt durch histologische 2D-Analysen und Darstellungen. Ergebnisse: Es wurden drei Phasen des trabekulären Knochenwachstums identifiziert: Während einer Vorlagenphase wird Material mit geringer Mineraldichte in wenig strukturierten Partikeln abgelegt. Während einer Konsolidierungsphase zwischen dem ersten und siebten Tag verdichtet sich das Material und bildet erste Verstrebungen, während die Struktur zu wachsen beginnt. Im Anschluss beginnt eine Expansionsphase nach Tag sieben, in der sich die Trabekel im Raum neu orientieren und höhere Mineraldichten akkumulieren. Im Alter von 14 Tagen weist die Lendenwirbelsäule alle morphologischen Merkmale eines ausgewachsenen Tieres auf, was darauf hindeutet, dass die Struktur voll funktionsfähig und belastbar ist. Schlussfolgerung: Trabekulärer Knochen der Wirbelsäule entsteht durch die räumliche Neuanordnung von mineralisiertem Material in drei Phasen: Vorlage, Kondensation und Expansion. Dies geschieht parallel zur Entwicklung der motorischen Fähigkeiten. Das Verständnis der physiologischen Entwicklung von trabekulärem Knochen bildet die Grundlage für zukünftige Untersuchungen der kurz- und langfristigen pharmazeutischen, metabolischen, endokrinologischen und mechanischen Auswirkungen auf mineralisiertes Gewebe sowie auf die Knochenheilung und Regeneration.
