بازسازی و ترمیم استخوان

برای توصیف این فرایند فرض می شود که استخوان شکسته شده و در فرایند نوسازی دوباره ساخته شود. ارتباط سلولهای resorbing که بخش های چند سلولی دارند (استئوکلاست ها) و سلولهای تشکیل استخوان (استئوبلاست ها)، coupling یا اتصال نامیده می شود.ز زمان کودکی تا پایان زندگی بزرگسالی، اسکلت سه فاز مختلف را طی می کند: رشد، ساخت و نوسازی.

در طی این فرایندها، اسکلت ها می توانند تغییر اندازه و شکل بدهند و یا بدون تغییر شکل ساختار قدیمی را نوسازی کنند. در طول فرایند رشد در کودکی و سال های اولیه بزرگسالی، رشد اسکلتی طولی است و استخوان ها از نظر طولی پهن می شوند و شکل می گیرند، در طی فرایند تشکیل، جرم استخوان به پیک خود می رسد و اسکلت ها با توجه به تاثیرات مکانیکی و فیزیولوژیکی تغییر می کنند. وقتی سطح اندوستال[1] قدیمی استخوان از بین می رود لایه های جدید استخوانی به سطح پریوستال[2] استخوان اضافه می شوند.

فرآیندهای رشد و تشکیل توسط استفاده مکانیکی از استخوان و فاکتورهای تغذیه ای و هورمونی کنترل می شوند.نوسازی در طول زندگی و رشد افراد و نیز در زمان کودکی اتفاق می افتد. در اسکلت عادی افراد بزرگسال،شکل گیری استخوان فقط وقتی صورت می گیرد که resorption  استخوان قبلاً انجام شده باشد فرایند نوسازی با تحریک هورمونی و اثرات هورمون پاراتیروئید و استروژن و تیروکسین، کتنرل می شود.در فرآیند نوسازی استخوان کورتیکال، واحدهای نوسازی در سطح اندوستال خیلی فعالند و این باعث پهن شدگی مغز استخوان دراستخوان های بلند می شود. به عبارت دیگر استخوان ترابکولار خیلی سریعتر از استخوان  کورتیکال نوسازی می شود. هنگام کاهش تراکم استخوان ترابکولار، شبکه ترابکولار نازک و ناپیوسته می شود و این باعث جدایی شبکه ترابکولار می شود این اتفاق معمولاً بعد از یائسگی و به دلیل افزایش دوره فعالیت کاهش استروژن رخ می دهد.

 

2-3-1. قانون ولف

مطابق یافته­های پزشکی، بافت استخوان به­طور منظم دچار نوسازی می­گردد. روند کلی این فرآیند، با تحریک سلول­های استئوکلاست آغاز می­شود. در ابتدا یک محرک که می­تواند محرک هورمونی باشد، سلول­های استئوکلاست را تحریک به جذب بخشی از استخوان می­کند، پس از یک تا دو ماه، سلول­های استئوبلاست ظاهر شده و همان مقدار استخوان از بین رفته را دوباره تولید می­کند(25). پس از اتمام این فرآیند، فعالیت­های سلولی به حالت استراحت رفته و با وجود ثابت ماندن حجم، بافت استخوان نوسازی شده است. به­طور تاریخی ایده بازسازی استخوان، ابتدا در حدود سال 1750 توسط فردی به نام “هانتر”[3] با عنوان “Waste of the sockets of the teeth” مطرح شد. وی استخوان را بافتی با قابلیت “بازشکل­دهی” و نه ثابت و بدون تغییر معرفی نمود.

اما این ولف بود که برای نخستین بار در سال 1896 پیشنهاد وجود ارتباط بین ساختار استخوان و مسیر نیروهای وارد بر آن را ارائه نمود(26). از آن پس اصل انطباق عملکردی استخوان، به­عنوان قانون ولف نام­گذاری شده است. اگرچه مطالعات فراوانی برای تکمیل این قانون تجربی و تبدیل آن به رابطه­ای کمی صورت گرفته است، اما هیچ یک از روابط کمی ارائه شده با اقبالی مانند قانون ولف مواجه نشده است. ولف استخوان را دارای حس­گرهایی می­دانست که می­توانند نیروهای داخلی موجود در استخوان را حس کنند و با تحریک سلول­های استخوانی، فرآیند رشد، حفظ وضعیت و یا آغاز تحلیل استخوان را موجب شوند. در حقیقت، پیشگیری از تحلیل رفتن استخوان، همانند مفهوم بازسازی استخوان است که با تغییرات چگالی استخوان (داخلی) و هندسه آن (خارجی) عمیقاً در ارتباط است(27). شواهدی در دست است که نشان می­دهد ایجاد میکروترک­ها در حین شکست استخوان، به عنوان محرکی برای بازسازی استخوان عمل کرده که در ابتدا تحلیل استخوان و سپس استخوان­سازی را در پی دارد((28, 29). به این ترتیب تحریک سلول­های استخوانی و آغاز فرآیندهای بازسازی داخلی، از شکست ناگهانی استخوان در اثر وجود میکروترک­ها جلوگیری می­نماید.

2-3-2. شکل­دهی خارجی و بازسازی داخلی استخوان

قابلیت استخوان در استخوان­سازی و استخوان­خواری پیوسته در جهت انطباق با بارهای مکانیکی، بازسازی نامیده می­شود(30). بنا به تعریف فرُست[4]، چنان­چه تعادل میان ساخت و تحلیل استخوان در برخی از موقعیت­های هندسی به نفع استخوان باشد، این پدیده باعث تغییر در هندسه استخوان شده و آن را شکل­دهی خارجی نام می­گذارند، اما چنان­چه تعادل میان ساخت و تحلیل استخوان برقرار باشد، استخوان قدیمی به شکل پیوسته در حال نو شدن با استخوان جدید باقی می­ماند، در این شرایط شکل خارجی استخوان ثابت مانده و به این حالت بازسازی داخلی اطلاق می­شود. در حقیقت در شکل­دهی خارجی هندسی استخوان توسعه یافته و در بازسازی داخلی محتویات و احیاناً خواص مکانیکی استخوان ثابت مانده و یا تغییر می­کنند(30).

فاکتورهای احتمالی گوناگونی که به عنوان محرک بازسازی استخوان معرفی شده­اند، شامل پتانسیل الکتریکی تولیدی ناشی از تنش استخوان، تأثیر مستقیم نیروهای وارده بر غشای سلولی، تغییر در انحلال­پذیری مواد معدنی تحت اعمال نیرو، حرارت ایجاد شده حین اعمال نیروهای هارمونیک و …. می­باشند(31). مجموعۀ مشاهدات صورت گرفته بر روی نوسازی و بازسازی استخوان منجر شد تا پژوهشگران تحلیل استخوان­ها را، تأثیر طبیعی هورمون­های موجود در بدن دانسته ودر مقابل، عوامل محرک مکانیکی را به عنوان عوامل مؤثر در شکل­گیری و پیشگیری از تحلیل استخوان معرفی کنند. به این ترتیب نگهداری و حفاظت از استخوان­ها، تنها در گرو تأمین تعادل مناسب میان این دو فاکتور امکان­پذیر خواهد بود(32).

 

2-3-2-1. اختلال در بازسازی استخوان

تغییرات مربوط به کاهش تراکم استخوان کمری و کیفی است. جرم استخوان از تولد شروع به افزایش می کند و به پیک مقدار خود در بزرگسالی می رسد ( در دهه دوم یا سوم زندگی). شروع تدریجی کاهش تراکم استخوان، در استخوان های ترابکولار سریع تر است و این کاهش در زمان یائسگی نیز به دلیل کاهش استروژن سریع تر می شود.

کاهش مواد معدنی استخوان [5]BMC یا چگالی مینرال استخوان  BMD با افزایش سن باعث ضعیف شدن استخوان و آمادگی آن برای شکستگی می شود. ولی BMD فقط حدود 75 تا 80 درصد در استحکام استخوان نقش دارد و 15 تا 25 درصد باقیمانده توسط فاکتورهای دیگر مثل اندازه، شکل، ساختارمیکروسکوپی، کلاژن، مقدار و جهت ماتریس ارگانیک تامین می شود.

این مطلب مشابه را هم بخوانید :   نظریه خودکارآمدی بندورا

مکانیزم کاهش استخوان در بافت های مختلف استخوانی با هم متفاوت است. Disorption  شبکه ترابکولار که مربوط به سوراخ شدن توسط استئوبلاست های نازکترین ترابکولارها می باشد در اثر کاهش فعالیت BMU[6] بعد از یائسگی یا هایپرتیروئید ثانویه دوران پیری می باشد. کاهش استخوان کورتیکال به صورت دیگری انجام می شود. استخوان کورتیکال از سطوح اندوستیال کاهش می یابد و حفره مغز استخوان گسترش می یابد باعث کاهش 30 تا 50 درصد از ضخامت استخوان کورتیکال می شود.

مطالعات نشان داده اند که سیاه پوستان چگالی استخوان ترابکولار بیشتری از سفیدپوستان دارند که مربوط به ضخامت بیشتر استخوان ترابکولار و کاهش تراکم کمتر آن می شود. قبل از یائسگی آهنگ کاهش تراکم استخوان در زنان سفیدپوست خیلی از زنان سیاه بیشتر نیست(4). اما در حدود یائسگی زنان سفید کاهش تراکم سریعتری نسبت به زنان سیاه دارند ولی آهنگ کاهش در بعد از یائسگی چندان تفاوتی ندارد. مطالعات انجام شده توسط هان و همکارانش نشاه داد که اندازه این تفاوت آهنگ کاهش تراکم استخوان ترابکولار بین افراد سیاه و سبید در حدود 20 تا 47 سالگی کاملاٌ یکسان است و این تفاوت مربوط به پیک جرم استخوان در بلوغ است و ربطی به کاهش تراکم استخوان با گذست زمان ندارد(4).

استفاده از توموگرافی محاسباتی کمی (QCT) نشان می دهد که کاهش تراکم استخوان ترابکولار در زنان و مردان مشابه است. اما کاهش تراکم استخوان کورتیکال بین زنان و مردان تفاوت آشکاری دارد. این تفاوت به این دلیل است که کاهش تراکم اندوکورتیکال در زنان بیشتر از مردان و کاهش پریوستال در زنان کمتر از مردان است(4).

اگرچه پوکی استخوان به لحاظ پاتولوژیکی به­درستی شناخته نشده است. اما به روشنی اختلال در پدیده­های شکل­دهی خارجی و بازسازی را می­توان علت بروز این بیماری دانست. طی این بیماری، استخوان در اثر وارد شدن کوچکترین تروما دچار شکستگی می­گردد. پوکی استخوان در زنان بیش از مردان فراگیر است و 30% زنان بالای 50 سال در کشورهای غربی به این بیماری مبتلا هستند(33). خطر شکست استخوانی در سنین بالای 50 سال در بین زنان مبتلا، 40% و در بین مردان مبتلا بیش از 13% می­باشد که بیانگر خطر بالای این بیماری است (33). میزان تلفات شکست استخوان لگن یک سال پس از این اتفاق بالغ بر 25% بوده و احتمال بازگشت به شرایط قبل از شکست آن در حدود 30% می­باشد (34).  به این ترتیب با گذشت زمان، پدیده پوکی استخوان به یکی از مشکلات عدیده جوامع افزوده می­شود.

 

2-3-2-2. بازسازی استخوان به­وسیله استئوبلاست و استئوکلاست 

فرآیندهای شکل­دهی خارجی و بازسازی داخلی، در حد سلولی چندان از یکدیگر مجزا نیستند. این پدیده­ها بر اساس عملکرد جداگانۀ سلول­های استئوبلاست و استئوکلاست به عنوان سلول­های جاذب و تشکیل­دهنده استخوان شکل می­گیرند. فرآیند بازسازی به شکلی خاموش در سطح استخوان با پیدایش استئوکلاست­ها آغاز می­گردد. آن­ها به ماتریس بافت استخوان چسبیده و مرزی موج­دار بین استئوکلاست و ماتریس شکل می­دهند که با منطقه­ای قرنطینه مانند به طور کامل ایزوله می­شود و به این ترتیب محیط بسیار کوچک ایزوله­ای شکل می­گیرد. متعاقب این عمل، استئوکلاست­ها این محیط ایزوله را اسیدی کرده و ماتریس­های ارگانیک و غیر ارگانیک استخوان را در خود حل می­کنند. کمی پس از آن که فرآیند انحلال متوقف شد، استئوبلاست­ها در همان محل شکل می­گیرند(35).

سلول­های استئوبلاست از سلول­های بنیادی مزانشیمال موجود در مغز استخوان، ضریع استخوان و بافت­های نرم تولید می­شوند. این سلول­ها استئوئیدها را ذخیره و معدنی می­کنند و به این ترتیب استخوان جدیدی تولید می­شود(36). به نظر می­رسد استئوبلاست­ها و استئوکلاست­ها به صورت تنگاتنگ در فرآیند بازسازی در واحدهایی با نام [7]BMU همکاری و مشارکت دارند. این موضوع نشان می­دهد که می­بایست مکانیزم مشترکی میان تشکیل و تحلیل استخوان وجو داشته باشد. سازماندهی BMU در استخوانهای فشرده و اسفنجی متفاوت است. اما به نظر می­رسد این تفاوت بیش از آنکه به عوامل بیولوژیک مرتبط باشد، به دلیل مورفولوژیک بر می­گردد(36). در استخوان فشرده،  BMU کانالی با طول mm2000 و قطرmm 200- 150 تولید می­کند. BMU با صورت تدریجی با سرعت mm/day40-20 حفره­ای در استخوان ایجاد می­کند. در این روش استئوکلاست­ها با تعدادی از مرتبه 10، تونلی دایروی در محدوده ورود نیرو حفر می­کنند(37). در مرحله بعد هزاران استئوبلاست تونل را پر می­کند تا یک استئون ثانویه از استخوان جدید را تولید کنند. با این روش بین 2% تا 5% از استخوان فشرده در طی هر سال بازسازی می­شود(38, 39).

فرآیند بازسازی در استخوان اسفنجی بیشتر فرآیندی سطحی است که این امر به علت نسبت بالاتر سطح به حجم در این بافت می­باشد. نرخ بازسازی در این استخوانها تا 10 برابر بیشتر از استخوان متراکم است. در جریان این فرآیند باز هم استئوکلاست­ها ابتدا وارد عمل می­شوند. آنها سطح استخوان را با سرعت mm/day25 طی می­کنند و حفرهای با عمق mm60-40 حفر می­کنند. همانند استخوان فشرده این مرحله با تشکیل استخوان توسط استئوبلاست­ها پیگیری می­شود و نواحی فعال بازسازی، سطوح گوناگون از کوچک (mm50mm ×20) تا بزرگ(mm1000mm ×1000) را می­پوشانند(40). تعداد BMU در استخوان اسفنجی تقریباً نصف BMUدر استخوان متراکم می­باشد. ساختار منتجه، استئون ترابکولار نامیده می­شود(41).

فعالیت­های سلولی استئوبلاست­ها و استئوکلاست­ها در شکل­دهی خارجی به صورت پایه­ای شبیه به بازسازی داخلی است. به هر حال در شکل­دهی خارجی، نرخ تشکیل و تحلیل در توازن نمی­باشد. به بیان دیگر می­توان این­گونه گفت که در جفت مکانیزم مورد اشاره، چنانچه مکانیزم اول غالب شود، پدیده تحلیل استخوان و چنانچه پدیده دوم غالب شود، پدیده شکل­دهی خارجی و در حالت تعادل در جفت مکانیزم، پدیده بازسازی داخلی مورد انتظار خواهد بود(40).

[1].Endosteal

[2].Priosteal

.1 John hunter

H.M.Frost.1

[5] .Bone Mineral Content

[6].Bone Multicellular Unit

Basic Multicellular Unit.1