Budowa kości

Budowa i funkcje kości

Kości stanowią podstawowy element układu kostnego, który zbudowany jest z tkanki twardej. Określają one podstawowy kształt oraz ogólną wielkość ciała[ ]. Należy zaznaczyć, iż wiele kości pełni funkcję podporową (przykładowo kości udowe), a ich zadaniem jest umożliwienie człowiekowi zachowanie pozycji pionowej oraz utrzymanie ciężaru całego ciała. Inne z kolei ochraniają inne narządy przez urazami (przykładowo czaszka ochraniająca mózgowie lub kręgi, które ochraniają rdzeń kręgowy)[ ].
Inną funkcją kości połączonych ze sobą stawami jest umożliwienie całemu organizmowi ruchu. Przy tym wykorzystywane są również mięśnie, które współtworzą złożony mechanizm gwarantujący funkcje ruchowe organizmu[ ]. Kości, aby były w stanie wypełniać odpowiednio swoją mechaniczną rolę, muszą wypełniać określone wymagania. Głównym wymogiem jest to, iż muszą one cechować się odpowiednią wytrzymałością mechaniczną[ ].
Należy podkreślić, iż oprócz funkcji mechanicznych, kości pełnią również istotne funkcje biologiczne. Wewnątrz znacznej ilości kości znajduje się jama szpikowa, która jest pewnego rodzaju zbiornikiem tkanki nazywanej szpikiem kostnym. Jego zadaniem jest przede wszystkim wytwarzanie czerwonych krwinek, erytrocytów, granulocytów oraz płytek krwi[ ].
Kości odgrywają również istotną rolę w zakresie regulacji stężenia poszczególnych elektrolitów, w szczególności w zakresie homeostazy wapnia. Homeostaza tkanki kostnej oraz jonów wapnia, jak również innych elektrolitów, stanowią złożone procesy, które uzależnione są od budowy oraz resorpcji tkanki kostnej[ ].

1.2.1. Makroskopowa budowa kości

W tej części pracy konieczne jest przybliżenie zagadnień związanych z makroskopową budową kości. Omówiony zostanie zarówno podział kości ze względu na ich kształt, jak również przedstawiony zostanie podział tkanek kostnych z uwzględnieniem ich struktury[ ].
Biorąc pod uwagę zewnętrzny kształt kości, można dokonać ich podziału na kości długie, płaskie oraz krótkie[ ]. Cechą charakterystyczną typowych kości długich (kości piszczelowej lub udowej), jest występowanie nasady, części przynasadowych, jak również cylindrycznych trzonów. Zarówno nasady, jak i części przynasadowe zbudowane są z kości gąbczastych, które otoczone są od zewnętrznej strony kością zbitą[ ]. Z kolei trzon kości zbudowany jest istoty zbitej oraz jak wspomniano wcześniej, ma on cylindryczny kształt. Jego wnętrze stanowi z kolei jama szpikowa[ ].

Rys. 1.: Przykładowe zdjęcie kości długiej - kości udowej.

Źródło: T. Lekszycki, Wybrane zagadnienia modelowania w biomechanice kości, Warszawa 2015, s. 28.

Innym rodzajem kości, są kości płaskie. Ich przykładem może być kość pokrywy czaszki, która zbudowana jest z poszczególnych warstw istoty zbitej, które oddzielone są od siebie istotą gąbczastą (śródkościem)[ ]. Taki rodzaj budowy gwarantuje odpowiednią wytrzymałość mechaniczną kości.
Kolejnym rodzajem kości, są kości krótkie. Zalicza się do nich kręgi, które również pokryte są warstwami istoty zbitej, które także wypełnione są istotą gąbczastą[ ].
Analizując makroskopową budowę kości warto zwrócić uwagę również na dwa podstawowe rodzaje tkanek: kość zbitą oraz kość gąbczastą[ ]. W przypadku istoty zbitej, jest to twardy oraz odporny mechanicznie materiał, który posiada silnie uporządkowaną mikrostrukturę ulegającą przebudowie na skutek aktywności komórek kościogubnych oraz kościotwórczych[ ]. Z kolei istota gąbczasta jest porowatą strukturą, która zbudowana jest z sieci beleczek oraz płytek połączonych ze sobą[ ]. Należy zaznaczyć, iż struktura, grubość, jak również ułożenie oraz orientacja beleczek nie jest wynikiem przypadku. Uzależniona jest ona głównie od obciążeń mechanicznych jakim poddawana jest kość. Ulega ona również przemianom na przestrzeni całego życia organizmu. Na rysunku 2 przedstawiona została w sposób obrazowy struktura kości. Widoczna jest kość gąbczasta, która znajduje się od strony kanału szpikowego, jak również zewnętrzna warstwa - kość zbita[ ].

Rys. 2.: Struktura kości.

Źródło: T. Lekszycki, Wybrane zagadnienia modelowania w biomechanice kości, Warszawa 2015, s. 32.

Analizując budowę kości zaznaczyć należy, iż ich zewnętrzne oraz wewnętrzne powierzchnie pokryte są warstwami tkanek łącznych, które nazywane są okostną oraz śródkostną[ ]. Okostną tworzą dwie warstwy - zewnętrzna włóknista oraz przylegająca rozrodcza, w której ulokowane są komórki osteogenne[ ]. W chwili gdy występuje równowaga, a więc nie dochodzi do wzrostu kości na grubość - warstwa wewnętrzna, wraz ze znajdującymi się w niej uśpionymi komórkami osteogennymi, jest cienka[ ].
Z kolei warstwa śródkostna, która wyściela wnętrze kości zbudowana jest z warstwy spłaszczonych komórek osteogennych, których aktywność jest bardzo niska w sytuacji równowagi. Dopiero w okresie przebudowy oraz regeneracji kości dochodzi do ich proliferacji oraz różnicowania się w osteoblasty, które odpowiadają za budowę tkanki kostnej[ ].
Kolejnym rodzajem tkanki jest chrząstka, która jest rodzajem tkanki oporowej. Nie wykazuje się ona znaczną odpornością oraz wytrzymałością mechaniczną, jak również nie posiada zdolności gojenia się[ ]. Nie zawiera ona również naczyń krwionośnych. Pomimo to, tkanka ta pełni istotną rolę bez której same kości nie byłyby w stanie wypełniać swoich podstawowych funkcji. Po pierwsze, chrząstka bierze udział zarówno w formowaniu się młodej kości, jak również w jej wzroście na długość[ ]. Po drugie, umożliwia ona przesuwanie się względem siebie poszczególnych elementów kości w stawach. Odpowiada ona również za możliwie najbardziej równomierne rozkładanie się obciążeń mechanicznych na poszczególnych powierzchniach stawowych[ ].
Warto zaznaczyć, iż chrząstka cechuje się niskim współczynnikiem tarcia, dlatego też idealnie nadaje się na powierzchnie trące. Dodatkowo pełni ona rolę amortyzatorów, których funkcje uwidaczniają się w przypadku występowania nagłych obciążeń mechanicznych[ ].

Rys. 3.: Chrząstka na granicy z formującą się tkanką kostną.

Źródło: T. Lekszycki, Wybrane zagadnienia modelowania w biomechanice kości, Warszawa 2015, s. 35

Kolejnym istotnym zagadnieniem są występujące połączenia pomiędzy kośćmi. Są one w szczególności istotne w sytuacjach dokonywania zarówno matematycznego, jak i komputerowego modelowania zjawisk, do których dochodzi w kościach[ ]. Wyróżnić można trzy główne rodzaje połączeń, które różnią się od siebie budową oraz ruchomością. Zalicza się do nich:
- połączenia włókniste (szef, wklinowanie, więzozrost),
- połączenia chrząstkowe (chrząstkozrost, spojenie),
- połączenia maziowe (stawy maziowe)[ ].
Należy podkreślić, iż dwa pierwsze rodzaje charakteryzuje słaba ruchomość, z kolei trzeci rodzaj połączeń umożliwia znaczący ruch pomiędzy kośćmi[ ].
Równie istotnym elementem modelowania ą połączenia kości z mięśniami, które szczególną rolę w przypadku występowania obciążeń mechanicznych[ ]. Odpowiadają one za kierunki oraz obszary działania sił pochodzących z zewnątrz. Siły, które wytwarzane są w efekcie skurczu mięśni przenoszone są bezpośrednio na kości za pośrednictwem występujących ścięgien, których podstawowym składnikiem są włókna kolagenowe[ ].
Kolejnym ważnym elementem w zakresie makroskopowej budowy kości jest szpik kostny. Stanowi on około 5% ogólnej masy ciała człowieka, a magazynowany jest w kościach długich oraz płaskich (czaszki i miednicy). Występuje on głównie w komorach szpikowych kości. Wskazać należy na podstawowe funkcje szpiku kostnego, do których zalicza się:
- tworzenie wszystkich nowych komórek krwi, tucznych, dendrytycznych,
- odnawianie komórek macierzystych,
- niszczenie wadliwych oraz zużytych erytrocytów,
- magazynowanie żelaza,
- występowanie reakcji immunologicznych[ ].
Podkreślić należy, iż szpik kostny zawiera w sobie dwie podstawowe populacje komórek macierzystych: mezenchymalną oraz krwiotwórczą część zrębu. Odpowiada ona za powstawanie wszystkich linii komórek krwi[ ].

1.2.2. Mikroskopowa budowa kości

Na uwagę zasługują również poszczególne elementy składające się na tkankę kostną oraz jej ogólna mikrostruktura. Są to informacje niezbędne z punktu widzenia modelowania mechanicznych właściwości kości, a także procesów ich wzrostu, przebudowy oraz gojenia[ ].
Pierwszym istotnym elementem są komórki tkanki kostnej. Tkanka kostna, jak już wcześniej zostało to zaznaczone, jest tkanką twardą, która jednocześnie stanowi odmianę tkanki łącznej. Jedną z jej podstawowych cech, która umożliwia jej wypełnianie głównych funkcji mechanicznych jest jej specyficzna i unikalna budowa[ ].
Komórki, które stanowią zaledwie niewielki procent całościowej masy kości, otoczone są przez silnie zmineralizowaną i uporządkowaną substancję międzykomórkową. Jej organiczna część określana jest mianem macierzy międzykomórkowej. Jej mikrostruktura podlega nieustającym zmianom oraz kontrolowana jest przez komórki pełniące rolę czujników, które monitorują ogólny stan mechaniczny kości. Inne komórki z kolei odpowiadają za tworzenie oraz mineralizację substancji międzykomórkowej, a jeszcze inne odpowiedzialne są za jej rozpuszczanie[ ].
Wspomniana specjalizacja poszczególnych komórek sprawia, iż proces przebudowy tkanki kostnej jest złożony, ale również idealnie zorganizowany. Warto wspomnieć, iż w literaturze przedmiotu nie zostały wyjaśnione jeszcze wszystkie procesy, które odpowiadają za remodelowanie kości, to możliwe jest przynajmniej częściowe wyjaśnienie najważniejszych mechanizmów[ ]. W tkance kostnej występują trzy rodzaje zróżnicowanych komórek, które wypełniają różne role oraz współdziałają pomiędzy sobą. Należą do nich osteoblasty, osteoklasty oraz osteocyty. Występują również pulripotencjalne komórki osteogenne, które są źródłem zróżnicowanych komórek, które uczestniczą w budowie oraz remodelowaniu kości[ ].
Podkreślić należy, iż w kości komórki stanowią tylko niewielką część. Pozostała przestrzeń wypełniona jest przez zmineralizowaną substancję międzykomórkową, w której średnio 1/4 masy należy do macierzy kości, która jest substancją organiczną, 1/4 przypada również na wodę, a pozostała część to sole wapniowe[ ].
Podstawowym składnikiem organicznej części tkanki jest kolagen typu I oraz białka niekolagenowe (udział odpowiednio 90% oraz 10%)[ ]. Sama produkcja kolagenu możliwa jest dzięki osteoblastom, a jej proces przebiega w dwóch etapach. Pierwszym z nich jest synteza cząsteczek prokolagenu w komórkach. Kolejny etap przebiega pozakomórkowo i jest to transformacja prokolagenu w tropokolagen. Następnie dochodzi do jego sieciowania oraz tworzenia odrębnych włókien kolagenowych[ ]. W dalszej części pracy omówione zostaną procesy odnoszące się do tworzenia oraz transformacji składników tkanki kostnej.
W zakresie samej tkanki kostnej wyróżnić można wiele jej poziomów organizacji - od skali makro, poprzez skalę mikro, aż do skali nano[ ]. W niniejszej pracy zaprezentowane zostaną jedynie wybrane elementy, które mają kluczowe znaczenie w zakresie procesu przebudowy oraz adaptacji funkcjonalnej kości. W tym miejscu wyróżnić należy także rodzaje tkanki kostnej, jakie występują w organizmach.

Rys. 4.: Struktura wewnętrzna kości zbitej.

Źródło: T. Lekszycki, Wybrane zagadnienia modelowania w biomechanice kości, Warszawa 2015, s. 38.

Pierwszym rodzajem tkanki kostnej jest niedojrzała tkanka kostna, która określana jest mianem grubowłóknistej[ ]. Występuje ona głównie w początkowych fazach życia organizmu (w życiu płodowym oraz we wczesnym życiu pozapłodowym). W przypadku życia dorosłego występuje ona jedynie w miejscach połączeń ścięgien z kośćmi, w wyrostkach zębodołowych, jak również w błędniku kostnym oraz szwach czaszki[ ]. Występuje ona także w obszarach gojenia się kości po przebytych urazach, jednak stopniowo zostaje ona zastępowana przez tkankę dojrzałą, drobnowłóknistą. Tkanka ta cechuje się niższą wytrzymałością mechaniczną niż tkanka drobnowłóknista, a jest to wynik mniejszej krystalizacji minerałów oraz nieregularnego ułożenia występujących włókien kolagenowych[ ].
Kolejnym rodzajem tkanki, jest wspomniana już dojrzała tkanka, określana mianem drobnowłóknistej. Występuje ona w kościach długich oraz płaskich, a jej powstanie determinowane jest przez remodelowanie przez komórki kościogubne oraz kościotwórcze[ ]. Zbudowana jest ona z blaszek kostnych, w których włókna kolagenowe ułożone są pojedynczo oraz sklejone są substancją podstawową, a zaimpregnowane solami wapnia. Należy znaznaczyć, iż blaszkowata tkanka drobnowłóknista jest głównym budulcem kości zarówno gąbczastej, jak i zbitej[ ].
Analizując strukturę kości gąbczastej podkreślić należy, iż jest ona porowata, a jej pory wypełni szpik. Z kolei jej szkielet zbudowany jest z tkanki drobnowłóknistej. Występuje ona w nasadach oraz przynasadach kości długich, jak również w jamach szpikowych[ ]. Służy ona również jako wypełnienie kości płaskich. Szkielet kości gąbczastej składa si z beleczek oraz płytek, które połączone są ze sobą, a razem tworzą swoiste rusztowanie. Jego struktura jest silnie zdeterminowana przez procesy remodelowania kości oraz podlega ciągłym zmianom w trakcie trwania życia organizmu[ ].
Poszczególne kształty oraz wielkości porów zdrowej koci uzależnione są przede wszystkim od warunków mechanicznych jakim poddawana jest kość. Ze względu na swoje adaptacyjne zdolności, struktura porowata jest w stanie dopasować się do zmiennych obciążeń mechanicznych, co z kolei zapewnia idealną wytrzymałość w porównaniu do stosunkowo niewielkiej masy[ ]. Jak zaznaczono wcześniej, szkielet kości gąbczastej zbudowany jest z drobnowłóknistej tkanki, która składa się z blaszek kostnych pomiędzy którymi występują jamki, w których z kolei leżą osteocyty. Łączą się one wraz ze sobą oraz innymi komórkami, które występują na powierzchniach beleczek. Jest to możliwe dzięki długim wypustkom cytoplazmatycznym, które ulokowane są w kanalikach kostnych[ ].
W przypadku kości zbitej, jej podstawowym budulcem są blaszki kostne, które powstają w efekcie działania komórek uczestniczących w procesie remodelowania tkanki. Wyróżnić można cztery podstawowe rodzaje blaszek:
1.blaszki podstawowe zewnętrzne,
2.blaszki podstawowe wewnętrzne,
3.blaszki systemowe,
4.blaszki międzysystemowe[ ].
Pierwszy rodzaj blaszek tworzy zewnętrzną warstwę kości. Drugi z nich z kolei zlokalizowany jest w wewnętrznej warstwie kości, od strony jamy szpikowej. Blaszki systemowe składają się na osteony, które dawniej określane były mianem systemu Haversa. Czwarty rodzaj, blaszki międzysystemowe, wypełniają przestrzenie między osteonami oraz są rodzajem pozostałości po zniszczonych osteonach na skutek przebudowy tkanki[ ].

Rys. 5.: Blaszkowa struktura kości zbitej.

Źródło: T. Lekszycki, Wybrane zagadnienia modelowania w biomechanice kości, Warszawa 2015, s. 53.

Głównym elementem struktury kości zbitej są wspomniane osteony, które mają złożoną budowę. Umożliwia ona wypełnianie wielu funkcji biologicznych kości oraz zapewnia odpowiednią wytrzymałość mechaniczną. Sam osteon ma kształt walca oraz zbudowany jest z kilkunastu cylindrycznych blaszek kostnych, które oddzielone są od siebie warstwami cementu[ ]. Blaszki kostne zbudowane są z tkanki drobnowłóknistej, z kolei włókna kolagenowe obrócone są względem siebie o określony kąt.
W nieniejszym rozdziale zebrane zostały podstawowe informacje odnoszące się do budowy oraz funkcji wypełnianych przez kości. Omówione zostały główne funkcje układu kostnego, jak równie zaprezentowano makroskopową i mikroskopową budowę kości, ich poszczególne elementy oraz rodzaje.