Abstract Obesity and type 2 diabetes (T2D) are risk factors for fragility fractures. It is unknown whether this elevated risk is due to a diet favoring obesity or the diabetes that often occurs with obesity. Therefore, we hypothesized that the fracture resistance of bone is lower in mice fed with a high fat diet (45% kcal; HFD) than in mice that fed on a similar, control diet (10% kcal; LFD), regardless of whether the mice developed overt T2D. Sixteen-week-old, male NON/ShiLtJ mice (resistant to T2D) and age-matched, male NONcNZO10/LtJ (prone to T2D) received a control LFD or HFD for 21 weeks. HFD increased the bodyweight to a greater extent in the ShiLtJ mice compared to the NZO10 mice, while blood glucose levels were significantly higher in NZO10 than in ShiLtJ mice. As such, the glycated hemoglobin A1c (HbA1c) levels exceeded 10% in NZO10 mice, but it remained below 6% in ShiLtJ mice. Diet did not affect HbA1c. HFD lowered trabecular number and bone volume fraction of the distal femur metaphysis (micro-computed tomography or μCT) in both strains. For the femur mid-diaphysis, HFD significantly reduced the yield moment (mechanical testing by three-point bending) in both strains but did not affect cross-sectional bone area, cortical thickness, nor cortical tissue mineral density (μCT). Furthermore, the effect of diet on yield moment was independent of the structural resistance of the femur mid-diaphysis suggesting a negative effect of HFD on characteristics of the bone matrix. However, neither Raman spectroscopy nor assays of advanced glycation end-products identified how HFD affected the matrix. HFD also lowered the resistance of cortical bone to crack growth in only the diabetic NZO10 mice (fracture toughness testing of other femur), while HFD reduced the ultimate force of the L6 vertebra in both strains (compression testing). In conclusion, the HFD-related decrease in bone strength can occur in mice resistant and prone to diabetes indicating that a diet high in fat deleteriously affects bone without necessarily causing hyperglycemia.

Complications of diabetes is a major health problem affecting multiple organs including bone, where the chronic disease increases the risk of fragility fractures. One hypothesis suggests a pathogenic role for hyperglycemia-induced modification of proteins, a.k.a. advanced glycation end products (AGEs), resulting in structural and functional damage to bone extracellular matrix (ECM). Evidence supporting this hypothesis has been limited by the lack of comprehensive information about the location of AGEs that accumulate in vivo at specific sites within the proteins of bone ECM. Analyzing extracts from cortical bone of cadaveric femurs by liquid chromatography tandem mass spectrometry, we generated a quantitative AGE map of human collagen I for male and female adult donors with and without diabetes. The map describes the chemical nature, sequence position, and levels of four major physiological AGEs, e.g. carboxymethyllysine, and an AGE precursor fructosyllysine within the collagen I triple-helical region. The important features of the map are: 1) high map reproducibility in the individual bone extracts, i.e. 20 male and 20 female donors; 2) localization of modifications to distinct clusters: 10 clusters containing 34 AGE sites in male donors and 9 clusters containing 28 sites in female donors; 3) significant increases in modification levels in diabetes at multiple sites: 26 out of 34 sites in males and in 17 out of 28 sites in females; and 4) generally higher modification levels in male vs. female donors. Moreover, the AGE levels at multiple individual sites correlated with total bone pentosidine levels in male but not in female donors. Molecular dynamics simulations and molecular modeling predicted significant impact of modifications on solvent exposure, charge distribution, and hydrophobicity of the triple helix as well as disruptions to the structure of collagen I fibril. In summary, the AGE map of collagen I revealed diabetes-induced, sex-specific non-enzymatic modifications at distinct triple helical sites that can disrupt collagen structure, thus proposing a specific mechanism of AGE contribution to diabetic complications in human bone.