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.

.

Abstract Proteoglycans, key components of non-collagenous proteins in the bone matrix, attract water through their negatively charged glycosaminoglycan chains. Among these proteoglycans, biglycan (Bgn) and decorin (Dcn) are major subtypes, yet their distinct roles in bone remain largely elusive. In this study, we utilized single knockout (KO) mouse models and successfully generated double KO (dKO) models despite challenges with low yield. Bgn deficiency, but not Dcn deficiency, decreased trabecular bone mass, with more pronounced bone loss in dKO mice. Low-field nuclear magnetic resonance measurements showed a marked decrease in bound water among all KO groups, especially in Bgn KO and dKO mice. Moreover, both Bgn KO and dKO mice exhibited reduced fracture toughness compared to Dcn KO mice. Dcn was significantly upregulated in Bgn KO mice, while a modest upregulation of Bgn was observed in Dcn KO mice, indicating Bgn’s predominant role in bone. High resolution atomic force microscopy showed decreased in situ permanent energy dissipation and increased elastic modulus in the extrafibrillar matrix of Bgn / Dcn deficient mice, which were diminished upon dehydration. Furthermore, we found that both Bgn and Dcn are indispensable for the activation of ERK and p38 MAPK signaling pathways. Collectively, our results highlight the distinct and indispensable roles of Bgn and Dcn in maintaining bone structure, water retention, and bulk/in situ tissue properties in the bone matrix, with Bgn exerting a predominant influence.