M. Pösl

The thickness of human vertebral cortical bone and its changes in aging and osteoporosis : A histomorphometric analysis of the complete spinal column from thirty-seven autopsy specimens

The object of this study was to analyze the cortical thickness (Ct.Th) of the ventral and dorsal shell of the vertebral bodies throughout the human spine in aging and in osteoporosis. Therefore, the complete front column of the spine of 26 autopsy cases (aged 17–90, mean 42 years) without diseases affecting the skeleton and of 11 cases (aged 58–92, mean 77 years) with proven osteoporosis were removed. A sagittal segment prepared through the center of all vertebral bodies was undecalcified, embedded in plastic, ground to a 1 mm thick block, and stained using a modification of the von Kossa method. The analysis included the measurement of the mean cortical thickness of both the ventral and dorsal shell, respectively (from the third cervical to the fifth lumbar vertebral body). The qualitative investigation of the structure of the cortical ring completed the analysis. The presented data revealed a biphasic curve for both the ventral and dorsal shell, skeletally intact with high values of the cortical thickness in the cervical spine (285 μm), and a decrease in the thoracic (244 μm) and an increase in the lumbar spine (290 μm). The mean thickness of the ventral shell is in general greater than the thickness of the dorsal shell in both skeletally normal and osteoporotic cases. The cortical thickness of the spine showed no gender‐specific differences (p = NS). There was a slight decrease of the cortical thickness with aging; however, this decrease and the correlation of cortical thickness to age was only significant below vertebral body T8 (r = 0.225–0.574; pr < 0.05–0.005). Most interestingly, however, osteoporosis presents itself with a highly significant loss of cortical thickness throughout the whole spine. This decrease of cortical thickness was more marked in the dorsal shell (p < 0.05) than in the ventral shell (ventral from C3 to T6 [p < 0.05] below T6 [p = NS]). We therefore conclude that in osteoporosis the loss of spinal bone mass is not only a loss of trabecular structure but also a loss of cortical thickness. Furthermore, these results may explain the development of regions of least resistance within the spine in aging and the clustering of osteoporotic fractures in the lower thoracic and lumbar spine.

Architecture and distribution of cancellous bone yield vertebral fracture clues

The objective of this study was to analyze the structure of cancellous bone and its significance for vertebral fractures. Therefore, the complete spinal column from 40 autopsy cases (18 without diseases affecting the skeleton and 12 osteoporotic) was removed and sectioned in the sagittal plane to a thickness of 1 mm. A surface-stained block grinding technique allowed combined two- and three-dimensional histomorphometric analysis, which included an evaluation of the trabecular bone volume (BV/TV in %) and the trabecular interconnection (TBPf, in mm). In addition, qualitative investigation of the structure of trabecular bone was done. The distribution of trabecular bone volume within the spinal column of a normal skeleton shows a curve, with the highest values in the cervical spine and a decline in the thoracic and lumbar spine. Osteoporosis presents itself with a pathologically diminished trabecular bone volume, whereas the distribution within the spine is comparable to that of the controls. Osteoporotic patients show an apparently reduced trabecular interconnection. It is important that the measured values for TBPf are not only in general higher, but also more widely dispersed. The age-related decrease of trabecular bone mass is due to the transformation from plates to rods. This is quantitatively indicated by the close correlation of BV/TV and TBPf (P < 0.001, r = 0.85). The bone loss in osteoporosis is a loss of structure and a loss of whole trabeculae, which is caused by perforations. It involves a gradual change from normal bone. However, the polyostic heterogenity in osteoporosis is immense. These structural differences demonstrate the development of regions of least resistance within the spine, serving as an explanation of osteoporotic fractures. Due to the polyostotic heterogeneity it is impossible to define a threshold mineral content for crash fractures by diagnostic measurements at any reference site.

Polyostotic heterogeneity of the spine in osteoporosis. Quantitative analysis and three-dimensional morphology

It was the aim of this study to record quantitatively and qualitatively the distribution of the three-dimensional microarchitecture throughout the human spine in osteoporosis. Bone biopsies of the iliac crest and the complete spine of 26 autopsy cases without skeletal disease and 11 female patients with proven osteoporosis were removed. Grindings of all vertebrae by a technique which we developed allowed two- and three-dimensional measurements simultaneously. The analysis included an evaluation of trabecular bone volume, trabecular interconnection, and trabecular thickness, as well as a qualitative investigation of the structure of cancellous bone. The bone loss in osteoporosis is a loss of structure. The relative loss of the trabecular microarchitecture is greater in the iliac crest than in the lumbar spine. It is a gradual change from normal bone to osteoporosis. Transformation from plates to rods and the loss of whole trabeculae are caused by perforations. The polyostotic heterogeneity in osteoporosis is remarkable. Adjacent vertebrae may show differences of up to 100% in bone structure and bone volume. This explains the difficulties in early diagnosis of osteoporosis. Due to the polyostotic heterogeneity it is impossible to define a threshold mineral content for osteoporotic fractures.

Osteosarkom – Apoptose und Proliferation Untersuchung zur bcl-2-Expression

ZusammenfassungBei zahlreichen epithelialen Geweben konnte ein Zusammenhang zwischen Tumorwachstum und der Expression des Protoonkogens Bcl-2 nachgewiesen werden. Eine bcl-2-Expression ist verbunden mit verlängertem Zellüberleben infolge einer Apoptoseinhibition. Hingegen ist über die bcl-2-Expression und deren mögliche Bedeutung in mesenchymalen Tumoren wenig bekannt. Da die heterogene Gruppe der Osteosarkome mit den derzeitigen methodischen Mitteln nicht hinreichend charakterisierbar ist, wurde die bcl-2-Expression untersucht. Immunhistologisch wurden 47 Osteosarkompräparate von 36 Patienten unterschiedlicher Subtypen analysiert. Von den 36 Fällen zeigten in der Biopsie 16 Fälle (46 %) eine stark positive und 13 Fälle (35 %) eine mittelgradig positive bcl-2 Expression. Sieben Fälle (19 %) waren bcl-2-negativ. Die heterogene, fehlende bis starke bcl-2-Expression deutet darauf hin, daß in Osteosarkomen die Bcl-2-gesteuerte Regulation des programmierten Zelltodes einen Faktor in der zellulären Wachstumskinetik darstellt. Zusätzlich wurde die Proliferationsrate, anhand des gegen das Ki-67-Antigen gerichteten monoklonalen Antikörper MIB-1 bestimmt. Aus den Daten zur bcl-2-Expression und Proliferationsrate ergibt sich eine Einteilung, die eine Übereinstimmung mit der histologischen Klassifikation aufweist. Welche Bedeutung die Apoptose in der Genese mesenchymaler Tumoren hat und ob die bcl-2-Expression einen prädiktiven Wert für die Prognose von Osteosarkomen besitzt, bedarf weiterer Untersuchungen.SummaryThe relationsship between the growth of tumors and the expression of the protooncogen Bcl-2 could be shown in epithelial tumors. A bcl-2 expression leads to a prolonged cell survival due to an inhibition of apoptosis. The potential meaning of bcl-2 expression in mesenchymal tumors remains still unknown. The fact, that the heterogenous group of osteosarkoma is not sufficiently characterized at present, suggested to investigate the bcl-2 expression in osteosarcoma. Thus, immunohistochemistry was used to analyze 47 specimens of different osteosarcomas of 36 patients. Sixteen cases (46 %) showed a strong expression of bcl-2 and 13 cases (35 %) were moderately positiv for bcl-2. Seven cases (19 %) were negative for bcl-2. The heterogenous, negative up to strong expression of bcl-2 yield clues, that the Bcl-2 controlled regulation of programmed cell death could be an important factor of cellular kinetics. Additionally the cellular proliferationrate was determined with the monoklonal antibody MIB 1, directed against the Ki-67 epitop. The data of bcl-2 expression and cellular proliferationrate lead to a classification correlating with the histological classification. To verify the importance of apoptosis in the genesis of mesenchymal tumors and whether Bcl-2 may play an important role as a predictive factor for the prognosis of osteosarcoma, further investigations will be needed.

Zellproliferation bei Knochentumoren Immunhistologische Untersuchung zur Ki-67-Proteinexpression*

ZusammenfassungKnochentumoren stellen eine Gruppe von Tumoren mit unterschiedlicher Dignität dar. Trotzdem besteht zwischen den einzelnen Tumorentitäten z. T. eine starke morphologische Ähnlichkeit, die im Einzelfall zu erheblichen differentialdiagnostischen Schwierigkeiten führen kann. Da das biologische Verhalten eines Tumors wesentlich durch seine Wachstumsgeschwindigkeit bestimmt wird, wurde die Proliferation an 64 Knochentumoren (30 hochmaligne zentrale Osteosarkome, 6 niedrig maligne Osteosarkome, 8 Riesenzelltumoren, 8 aneurysmatische Knochenzysten, 5 Osteoid-Osteome/Osteoblastome, 7 fibröse Dysplasien) und an 5 Fällen einer Myositis ossificans immunhistologisch durch den monoklonalen Antikörper MIB-1 an Paraffinmaterial untersucht. MIB-1 erkennt das Ki-67-Protein, das in den aktiven Phasen des Zellzyklus exprimiert wird, in ruhenden Zellen aber nicht nachweisbar ist. Bei den hochmalignen zentralen Osteosarkomen fand sich eine hohe Proliferationsrate von durchschnittlich annähernd 30 %, die signifikant höher war als die der niedrigmalignen Osteosarkome und der übrigen benignen intraossären Knochentumoren. Eine Abgrenzung zwischen den niedrigmalignen Osteosarkomen und den benignen Knochentumoren war durch die Bestimmung der Proliferationsrate allerdings nicht möglich. Die Ermittlung der Proliferationsrate mit dem Antikörper MIB-1 ist hilfreich zur Abgrenzung hochmaligner Osteosarkome von niedrig malignen Osteosarkomen und benignen knochenbildenden intraossären Tumoren, innerhalb dieser Tumoren ist aber eine weitere Differenzierung mit Hilfe der Proliferationsrate nicht möglich. Eine Ausnahme bildet die Myositis ossificans, die zeigt, daß auch rein reaktive Läsionen eine Proliferationsrate besitzen können, die die Werte hochmaligner Tumore erreicht.SummaryBone tumors represent a group of tumors of various dignity. In spite of this single tumor entities may display strong morphological resemblance to each other which can in turn result in profound difficulties in differential diagnosis. The biological behaviour of a tumor is mainly determined by its rate of proliferation. In this study the rate of proliferation of 64 bone tumors (30 high-grade central osteosarcomas, 6 low-grade osteosarcomas, 8 giant cell tumors, 8 aneurysmatic bone cysts, 5 osteoidosteomas/osteoblastomas, 7 fibrous dysplasias and 5 cases of a myositis ossificans) were analysed. Immunohistochemistry was performed on paraffin-embedded tissue sections using the MIB-1 monoclonal antibody. MIB-1 recognizes the proliferation-associated Ki-67 protein which is expressed during the active phases of the cell cycle but cannot be detected in senescent cells. Among high-grade central osteosarcomas a significantly higher rate of proliferation (average value 30 %) was found in comparison with low-grade osteosarcomas and other benign intraosseous bone tumors. This approach proved to be very useful in the distinction between high-grade and low-grade osteosarcomas as well as bone-forming intraosseous tumors. However distinguishing low-grade osteosarcomas from benign bone tumors by determining only the rate of proliferation was not possible, although interestingly, the proliferative rate of myositis ossificans, a purely reactive lesion, was in the range of the values determined for high-grade osteosarcoma.

Solitäre Knochenzysten Morphologische Variationsbreite, Lokalisation, Häufigkeit und Differentialdiagnose

ZusammenfassungAnhand von 402 solitären Knochenzysten wird die große morphologische Variationsbreite dieser zystischen Läsionen in Histologie und Radiologie dargestellt. Neben der metaphysären Lage in Femur (33 %) und Humerus (23 %), stellen Kalkaneus (11 %), Tibia (11 %) und Becken (10 %) weitere häufige Lokalisationen solitärer Knochenzysten dar. Betroffen sind überwiegend Jugendliche in der 2. Lebensdekade. Die Abgrenzung dieser benignen Läsion gegenüber malignen Knochentumoren ist im klinischen Alltag besonders wichtig. Durch die radiologische Polymorphie der solitären Knochenzyste und ihre Sonderformen, wie die kalzifizierende solitäre Knochenzyste, ist die korrekte Diagnose allein klinisch nicht eindeutig zu stellen. Der exakten histologischen Diagnostik kommt damit besondere Bedeutung zu.SummaryAnalysis of 402 solitary bone cysts demonstrates the wide morphological variation of this cystic lesion with regard to histology and radiology. Aside from metaphyseal location in femur (33 %) and humerus (23 %), solitary bone cysts are also often located in calcaneus (11 %), tibia (11 %) and pelvis (10 %). Most patients are in the second decade of life. Differentiation between this benign lesion and malignant bone tumors is very important in daily clinical routine. The diagnosis cannot be based solely on radiological findings because of the variation of solitary bone cysts and the special forms, such as calcifying solitary bone cyst. Therefore, exact histological diagnosis is of particular importance.

Morphologische Charakteristika des Chondroblastoms Eine retrospektive Untersuchung an 56 Fällen des Hamburger Knochentumorregisters

Zusammenfassung56 Chondroblastome, die im Hamburger Knochentumorregister im Zeitraum von 1972 bis 1995 archiviert wurden, wurden retrospektiv histologisch untersucht, unter Berücksichtigung des radiologischen Befunds sowie der klinischen Angaben. Zusätzlich wurden immunhistologische Färbungen für S 100, PGM 1, LCA und den Proliferationsmarker MIB 1 durchgeführt. Das Durchschnittsalter der Patienten betrug 20,4 Jahre unter Bevorzugung männlicher Patienten mit einem Geschlechtsverhältnis von 2,7 : 1. Bevorzugter Lokalisationsort waren die Epiphysen der langen Röhrenknochen. Radiologisch stellt sich typischerweise eine umschriebene Lyse mit umgebendem Randsaum dar. Charakteristisch ist histologisch eine polygonale Zellkomponente mit einer netzartigen chondroiden Matrix. In 5 Fällen lag eine deutliche Kernpolymorphie vor, die eine Abgrenzung zum Osteosarkom schwierig machte. Immunhistologisch waren mit Ausnahme eines Falle alle Tumoren positiv für S 100. Allen Chondroblastomen war eine niedrige Proliferationsrate gemeinsam, die diese deutlich von hochmalignen Knochentumoren unterschied. Chrondroblastome besitzen üblicherweise ein gutartiges biologisches Verhalten. Zwei Fälle dieser Studie zeigten einen davon abweichenden Verlauf. Bei einem Rezidivtumor im Becken zeigte sich ein lokal aggressives Wachstum, in einem anderen Fall im Humerus war es zu einer malignen Transformation gekommen.SummaryRepresenting only about 1 % of all primary bone tumors, chondroblastoma constitutes a very rare bone tumor entity. 56 cases of chondroblastoma, that had been collected by the Hamburg Bone Tumor Registry from 1972 to 1995, were examined histologically together with the radiological and clinical findings. In addition immunohistochemistry with antibodies against S 100, PGM1, LCA and the proliferationmarker MIB 1 was performed. The mean age was 20.4 years and male patients being the majority with a gender ratio of 2.7 : 1. Predominant localisation was the epiphyses of the long bones, although almost 40 % of the tumors were located at untypical sites. Usually a well-circumscribed lysis could be seen on plain X-Ray examination, however partial cortical destruction could be observed in one third of the cases. Histologically characteristic was a polygonal cell component with a weblike chonroid matrix, sometimes with a plane-like appearance. 5 cases showed a distinct nuclear polymorphism making a distinction from osteosarcoma difficult. Using immunohistochemistry all tumors except for one showed positive reaction for S 100 protein. Although the histogenesis of chondroblastoma is not completely understood, morphological findings as well as the observed reactivity with the S 100 protein indicate the chondroid origin. No reactivity for PGM 1 (CD 68) or LCA could be detected. All chondroblastoma showed a low rate of proliferation, thereby being distinguishable from high malignant bone tumors. In general chondroblastoma show a benign biological behavior. Different behavior was observed in 2 cases. One relapse located in the pelvis revealed local aggressive growth while in another case in the humerus a malignant transformation had taken place.

[Spongiosa structure and polyostotic heterogeneity in osteoporosis. Mechanism of bone transformation, morphology, clinical significance].

ZusammenfassungOsteoporose ist die häufigste generalisierte Knochenerkrankung, deren klinische Erscheinung bei Postmenopausenosteoporose durch Spontanfrakturen der Wirbelkörper und damit verbundenen Komplikationen gekennzeichnet ist. Dabei ist die Struktur des trabekulären Knochens besonders betroffen. Daher kommt den komplexen Umstrukturierungen der trabekulären Mikroarchitektur bei Patienten mit Osteoporose eine klinische Bedeutung auch bzgl. der bekannten Komplikationen zu. Die zugrundeliegenden strukturellen Umbaumechanismen und die morphologischen Veränderungen wurden an den kompletten Wirbelsäulen und transiliakalen Beckenkammbiopsien von 11 Autopsiefällen mit Postmenopausenosteoporose, sowie 26 skelettgesunden Kontrollfällen untersucht. Die kombinierte 2- und 3-dimensionale Analyse erfolgt an oberflächengefärbten Blockpräparaten. Der Knochenmassenverlust im Rahmen der Osteoporose ist Ausdruck eines Strukturverlustes. Der Übergang vom Normalen zur Osteoporose ist fließend. Perforationen führen zur Transformation von Platten zu Stäben und zum Verlust ganzer Trabekel. Mit der Entwicklung der Osteoporose tritt eine deutliche polyostotische Heterogenität auf. Benachbarte Wirbelkörper weisen Knochenmasse- und Strukturunterschiede von bis zu 130 % auf. Der Nachweis dieser polyostotischen Heterogenität verdeutlicht die Problematik der an umschriebene Meßorte gebundenen densitometrischen Verfahren. Die Bestimmung der sog. Frakturschwelle ist daher nur innerhalb eines gewissen Schwankungsbereichs möglich.SummaryOsteoporosis is the most frequent generalized bone disease. The clinical expression of postmenopausal osteoporosis is characterized by spontaneous fractures of the vertebral bodies which affect mainly the trabecular bone structure. Thus the morphological bone transformation in osteoporosis is of clinical relevance. The object of this study was to analyze quantitatively and qualitatively the distribution of three-dimensional structure of cancellous bone in the human spine in osteoporosis. Therefore the complete anterior column of the spine and bone biopsies of the iliac crest of 11 autopsy cases with proven osteoporosis and 26 autopsy cases without primary or secondary bone disease were removed. A 1-mm-thick prepared sagittal section through the center of all vertebral bodies was embedded undecalcified in plastic and stained on the surface using a modification of the von Kossa method. This technique allowed combined two- and three-dimensional measurements simultaneously; these included evaluation of trabecular bone volume, trabecular interconnection, trabecular thickness, and trabecular number. The quantitative spine deformity index and qualitative analysis of the trabecular bone structure completed the investigation. The bone loss in osteoporosis is a loss of structure and the loss of whole trabeculae caused by perforations. The age-related decrease of trabecular bone mass is due to the transformation from plates to rods. Patient with osteoporosis show pathologically diminished trabecular bone volume and apparently reduced trabecular interconnection, while trabecular thickness and trabecular number show age-dependent change. The polyostotic heterogeneity in osteoporosis is immense. Neighboring vertebral bodies show differences of up to 100 % in bone volume and bone structure. Due to this fact it is impossible to define a threshold for osteoporotic fractures. At the moment the transformation and loss of trabecular bone structure in osteoporosis is assumed to be irreversible; therefore, early prophylaxis is necessary to prevent clinical manifestations of these changes of bone.

Das periostale Osteosarkom Histologische Charakteristika, Präparationstechnik, Wachstumsmuster und Differentialdiagnose*

ZusammenfassungDas periostale Osteosarkom stellt eine eigene Entität dar, so daß der Tumor von der Gruppe der juxtakortikalen Osteosarkome eindeutig abgegrenzt werden sollte. Der Tumor tritt überwiegend an den langen Röhrenknochen, speziell Tibia und Femur auf. Er ist durch ein breitbasiges Aufsitzen an der äußeren Circumferenz des tumortragenden Skelettabschnittes charakterisiert (Saucieren-Muster). Im Gegensatz zum parossalen Osteosarkom ist das periostale Osteosarkom niedriger differenziert und hat offenbar eine schlechtere Prognose. Die histologischen Kriterien mit einer überwiegend chondroiden Differenzierung werden anhand von 14 Fällen eigener Beobachtung beschrieben. Der horizontalen Präparation von Tumorresektaten kommt eine besondere Bedeutung im Vergleich zu den bildgebenden Verfahren und zur Erfassung von Markraumeinbrüchen zu. Es gilt in zukünftigen Studien zu klären, bei welchen Patienten mit einer neoadjuvanten Chemotherapie die Prognose verbessert werden kann.SummaryPeriosteal osteosarcoma is a distinct bone tumor entity with characteristic morphological features within the group of juxtacortical osteosarcoma. Periosteal osteosarcoma is predominantly located in the long tubular bones, especially in the tibia and femur and is situated on the outer circumference of the tumor-bearing bone (saucerization phenomenon). In contrast to parosteal osteosarcoma, periosteal osteosarcoma is less differentiated and is believed to have a worse prognosis. In this work the histological features are described with predominantly chondroblastic differentiation of 14 cases with periosteal osteosarcoma. A horizontal preparation technique of periosteal osteosarcoma specimens allows comparison with computed tomography and is the optimal method to detect an invasion of the medullary cavity. Further studies are necessary to clarify if neoadjuvant chemotherapy could improve the prognosis of certain patients.

Mikrokallusformationen der Spongiosa Ein bisher unterschätzter reparativer Mechanismus des Skelettsystems

ZusammenfassungMikrokallusformationen lassen sich in nahezu allen Skelettabschnitten der Spongiosa nachweisen. Mikrokallus besteht aus Geflechtknochen, der sich an lokal überbelasteten Stellen in der Spongiosa bildet. Mit Hilfe einer speziellen Präparationstechnik wurden 26 skelettgesunde und 11 Wirbelsäulen von Fällen mit Osteoporose untersucht. Mikrokallusformationen finden sich bevorzugt bei Frauen älter als 45 Jahre in den unteren Wirbelsäulenabschnitten. Dabei hat die Mikroarchitektur der Spongiosa (TBPf) einen stärkeren Einfluß auf die Anzahl der Mikrokalli, als individuelle Trabekelparameter (Tb.N, BV/TV und Tb.Th). Nur in 33 % der Formationen lassen sich Frakturspalten nachweisen. Mikrokallusformationen können nichtinvasive Knochenmassemessungen verfälschen. Auch wenn Mikrokallusformationen Indikatoren für eine Instabilität der Spongiosa sind, tragen sie zur Knochenregeneration bei, und die Entstehung neuer Trabekel ist durch sie möglich. Die Vorstellung, daß Osteoporose das Resultat einer verminderten Mikrokallusbildung ist, trifft nicht zu.SummaryMicrocallus formations are demonstrable in nearly all cancellous bones by means of suitable preparation techniques. Histologically, these structures are immature fibrous bone formed in local overloaded parts of the trabeculae. Using a preparation technique that allows combined two- and threedimensional analysis, 26 normal human spines and 11 osteoporotic spines were investigated for microcallus. Microcallus formations occur frequently in people over 45 years of age. They are mainly localized in the lower thoracic and lumbar spine and occur significantly more frequent in females than in males. The number of microcallus formations depends more on the microarchitecture of the cancellous bone than on individual trabecular parameters. In about 33 % of cases microfractures are demonstrable in the centre of the microcallus formation. In noninvasive studies the bone mass could be misinterpreted due to microcallus. Although it indicates instability of the bone structure, microcallus formation is not a purely negative mechanism. It stabilizes and regenerates the bone tissue. Furthermore, complete new trabeculae can be formed due to bridges of microcallus between residual trabeculae. Osteoporosis is not the result of an inability to form microcallus.