Fyziologie kosti Milan Vítek Kosti tvoří pevnou oporu těla, která se zove kostra tělní.
1. Dělení kostí podle tvaru1 ●
● ● ●
dlouhé kosti (ossa longa) kosti u kterých výrazně převládá délka nad ostaními rozměry, tvoří většinu kostry končetin, prostředek kosti se nazývá diafýza, konce kosti epifýza krátké kosti (ossa breva) kosti přibližně krychlovitého tvaru, např. sezamské kosti, karpy ploché kosti (ossa plana) úzké, oploštělé kosti, většinou zakroucené, např. costae, os temporale nepravidelné kosti vertebrae
2. Funkce kosti2 ●
opora
●
ochrana
●
pohyb
●
zásobárna minerálů
●
orgán hematopoézy
3. Stavba kosti Rozlišujeme primární a sekundární kost. Primární kost je pouze dočasná, objevuje se v embryonálním vývoji a při reparačních procesech. Obsahuje méně minerálů, ale více osteoblastů než sekundární kost. Sekundární – zralá kost je tvořena paralerně uspořádanými kolagenními vlákny zalitými do amorfní matrix obklopujcící centrální kanál osteon.3 Makroskopický pohled ● ●
●
epifýza a diafýza dlouhých kostí – v epifýzodiafyzálnií linii se nachází hyalinní růstová chrupavka dřeňová dutina – je vyplněna kostní dření, která má tři komponenty – červenou kostní dřeň, kde probíhá hematopoéza, žlutou kostní dřeň, která slouží jako zásobárna tuků a nakonec šedou kostní dřeň, která se objevuje především u starších lidí a je to degradovaná, nefunkční žlutá kostní dřeň periost – tvoří vnější povrch kosti (kromě kloubních ploch), je dvouvrstvý. Vnější
1 Dle: MARIEB, Elaine Nicpon, MALLATT, Jon. Anatomie lidského těla . ; str. 134 2 tamtéž 3 BROULÍK, Petr. Osteoporóza : osteoporóza, osteomalacie, osteodystrofie ; str. 18
1
●
● ●
●
●
vrstva je tvořena kolagenem. Hlubší vrstva obsahuje osteoblasty a osteoklasty a zároveň zde probíhají nervy a cevní svazky. Jen díky periostu je kost „citlivá“. Periost je přichycen ke kosti pomocí Sharpeyových4 vláken (kolagenní vlákna), kterých výrazně přibývá v oblastech úponů a začátků svalů. endost – hranice mezi samotnou kostí a vnitřním prostředí kosti, kryje trámce spongiózní kosti i kanálky uvnitř kompaktní kosti Mikroskopický pohled v mikroskopickém obraze rozlišujeme dva typy tkáně: houbovitou - substancia spongiosa a kompaktní - substancia compacta. Substancia compacta tvoří 70% z celkového skeletu člověka a má povrch kolem 3,5m2. Za jeden rok se přemění – remodeluje - asi 3% kompaktní kosti. Substancia spongioza tvoří 20% skeletu člověka s povrchem asi 9m2. Za jeden rok se přestaví asi 25%5 trámcovité kostní hmoty. Substancia compacta hlavní funkcí je odolávání tahu a tlaku – struktura dutého válce Kolagenní vlákna jsou uspořádána do fibril, které buď paralerně nebo koncentricky obkružují cévní kanál – celý systém se nazýva Osteon (Haversův systém6) Lakuny s osteocyty se nacházejí mezi lamelami nebo i uvnitř lamel. Osteony jsou od sebe odděleny amorfním materiálem – cementem. Ten obsahuje hlavně minerály a velmi malý počet kolagenních vláken. Příčné nebo šikmé spojnice mezi jednotlivými osteony se nazývají Volkmannovy7 kanálky. Substancia spongiosa hlavní funkcí je přenos tahu a tlaku na kompaktní kost – je tvořena trámčitou strukturou, velmi odolnou, často se měnící na základě změny v působení tlaku a tahu Neobsahuje Haversův systém – živiny difunfuji do kosti přímo z kapilár. Jednotlivé trámečky nemají větší šířku než 200 – 300 µm. Je mnohem metabolicky aktivnější než kompaktní kost. Chemické složení kosti
1/3 kosti je tvořena organickými látkami, 2/3 anorganickými ●
Organické látky kolagen I. typu – 90% všech organických sloučenin kosti, tvořen trojitou šroubovicí ze tří α-helixů s příčnými můstky, celý komplex dotvářen extracelulárně
4 Sir Edward Albert Sharpey-Schafer (2.6.1850 – 29.3.1935); anglický fyziolog působící na universitách v Londýně a Edinbugu. Vytvořil slovo „insulin“ a teoreticky zdůvodnil vznik diabetu mellitus. (http://en.wikipedia.org/wiki/Edward_Albert_Sharpey-Schafer) 5 BLAHOŠ, Jaroslav. Osteoporóza : diagnostika a terapie v praxi ; str. 9 6 Clopton Havers – narozen 1657 v Anglii, 1670 doktorát z medicíny na Oxfordu, později lékařem v Londýně, 1691 vydává knihu „Osleologia nova, or some New Observations of the Bones, and the Parts belonging to them, with the manner of their Accretion and Nutrition.“ Ta se stává na dlouhou dobu jedinou učebnicí osteologie na evropských univerzitách. Zde je zveřejněn první nákres osteonu. Duben 1702 umírá na zimnici. pohřben v hrabství Essex. (podle: PIONEERS OF OSTEOGENY; CLOPTON HAVERS; JESSIE DOBSON, LONDON, ENGLAND; THE JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY VOL. 34 B, NO. 4, NOVEMBER 1952; str. 702 - 707) 7 Alfred Wilhelm Volkmann (1801 – 1877); německý anatom, fyziolog a filosof, studium medicíny v Lipsku. Jako první demonstroval sympathické nervy a spinální ganglia. (http://en.wikipedia.org/wiki/A.W._Volkmann)
2
● ●
osteokalcin – je produkován osteoblasty, jeho zvýšená přítomnost v krvi signalisuje vyšší metabolický obrat kosti8. osteonektin, proteoglykany, sialoproteiny – funkce těchto proteinů není jasná9
Anorganické látky ● 85 % - krystaly fosforečnanu vápenatého ve formě krystalů hydroxyapatitu Ca10(PO4)6(OH2) ● 10 % - uhličitan vápenatý ● 0,3 % - fluorid vápenatý ● 1 % - fosforečnan hořečnatý ● minerály tvoří krystaly tvaru jehly nebo plátů a jsou lokalisovány mezi kolagenními fibrilami10
4. Buněčné elementy kosti ●
Osteoklasty jsou mnohojaderné buňky původem mononukleární leukocyty, vzniklé proliferací makrofágů. Jejich hlavní funkce je odbourávání kostní matrix. Obsahují proto kyselé a neutrální hydrolázy v lysosomech. Aby při odbourávání kosti kyselé roztoky nepřecházely do krve, uzavírá místo své aktivity osteoklast tzv. kartáčovým lemem. Vytváří se tak Howshipovy11 lakuny. Funkci osteoklastů inhibuje– kalcitonin, estrogeny (působí jako inhibitor interleukinu 6), androgeny Zvýšená proliferace osteoklastů zprostřekovávají – kalcitriol, interleukin12 6, v malé míře i kalcidiol Při osteoresorbci vzniká v osteoklastech TGF β13, což je růstový faktor osteoblastů.
●
Osteoblasty Vznikají z pluripotentních mezenchymálních kmenových buňek. Vytvářejí souvislou vrstu na povrchu kosti. Nikdy je nelze nalézt jednotlivě. Jejich životnost je 1-10 týdnů. Při růstu kosti některé zarůstají do kosti a transformují se do osteocytů, některé směřují k apoptéze. Při růstu vytvářejí osteoid – málo mineralisovanou kost. Inhibice osteoblastů - ? Zvýšení proliferace osteoblastů – vitemin D, estrogen, kalcitronin, PTH14 (při dlouhodobějším účinku) , interleukin 6 (ale výrazně méně než u osteoklastů), TGF β
●
Osteocyty Buňky přímo uvnitř kosti vytvářející pomocí filopodiálních výběžků syncycium. Jejich funkce není příliš prozkoumána, ale je empiricky zjištěno, že po jejich odstranění
8 BROULÍK, Petr. Osteoporóza : osteoporóza, osteomalacie, osteodystrofie ; str. 13 9 BLAHOŠ, Jaroslav. Osteoporóza : diagnostika a terapie v praxi ; str. 31 10 BROULÍK, Petr. Osteoporóza : osteoporóza, osteomalacie, osteodystrofie str. 14 11 John Howship (1781 – 22.1. 1841) ; narozen v Anglii, chirurgem v londýnské nemocnici Sv. Jiří (http://www.whonamedit.com/doctor.cfm/1506.html) 12 Interleukiny jsou faktory imunitního systému, které vzájemným působením imunitní systém řídí. Rozlišujeme jich doposud 27. 13 Tranformation growth factor 14 Parathormon příštitných tělísek – fyziologická hladina v séru: 0,7 – 5,5 pmol/l
3
kost degraduje a přestává být funkční. Je také možné, že osteocyty fungují jako mechanoreceptor kosti, který rozdílnou distribucí látek řídí osteosyntézu.15 ●
Endotelové epitelové buňky klasický krycí epitel.
5. Metabolismus kalcia Kalcium je ubikvitární16, biogenní prvek. Lidské tělo obsahuje asi 25 molu vápníku (to je asi 1000g). 99% kalcia je uloženo v kostech a zubech, asi 1% je v buňkách a velmi málo kalcia – asi 1g je v extracelulární tekutině. Hladina koncentrace sérového kalcia je 2,2 – 2,7 mmol/ l. V sérovém kalciu je 60% vápníku difuzibilní (z toho 47% volně jako ionty a 13% je vázáno v komplexech s citráty, fosfáty a uhličitany.) 40% sérového vápníku je vázáno na proteiny. Děje závislé na kalciu:17 ●
funkce buň. membrány
●
kontrakční, sekreční a mineralizační mechanismy
●
mitotické pochody
●
převod nervového vzruchu
●
aktivace a inhibice enzymových systémů
●
koncentrační mechanismy v ledvině
●
hemokoagulační děje
●
imunitní děje
●
stárnutí a smrt buňky
Kalciová homeostáza v těle je řízena hormonálním systémem, který má tři hlavní aktivní prvky. Jsou to, vitamín D3, kalcitonin a parathormon - PTH. Tento systém udržuje stálou hladinu kalcia v krvi vstřebáváním Ca2+ ze střeva, řízením jeho vylučování z ledvin, potem, stolicí a řízením jeho ukládání či vstřebávání v kostech. Vitamin D - „udržovatel Ca2+ v krvi“ Fylogeneticky nejstarší kalciotropní „hormon“18. Vzniká z 7-dihydrocholesterolu po ozáření UV světlem (230 – 390 nm) v kůži. K biologické expresivitě je nutná dvojitá hydroxylace vit. D. První probíhá v játrech – vznik 25(OH)D3 (25-hydroxycholekalciferol; kalcidiol) a druhá v mitochondriích buněk ledvin – vznik 1,25(OH)2D3 (1,25-dihydroxycholekaciferol; kalcitriol). Tvorba vitaminu D a jeho metabolitů klesá se vzrůstajícím věkem. Obecně lze říci, že vitamin D3 je přítomen v těle vždy v dostatečném množství19 a jeho aktivitu 15 BLAHOŠ, Jaroslav. Osteoporóza : diagnostika a terapie v praxi . str. 30 16 Ubique = všude 17 BLAHOŠ, Jaroslav. Osteoporóza : diagnostika a terapie v praxi .; str. 39 18 Ačkoliv je vitamin D samozřejmě vitamin, má velmi podobné vlastnosti jako hormony a jeho základem je cholesterol. 19 K saturaci organismu vitaminem D na několik měsíců stačí několikahodinové ozáření UV světlem. (BROULÍK, Petr. Osteoporóza : osteoporóza, osteomalacie, osteodystrofie str. 44)
4
ovlivňuje až sekundární hydroxylace v ledvině. Kalcidiol má podobné účinky jako kalcitriol, ale s řádově menší účinností. Proto se v klinické praxi podává u pacientů s poruchou metabolismu Ca a P v kombinaci s renální insuficienci, přímo vit D3 (kalcitriol) a ne prostý vitamin D. Ve střevě kalcitriol zvyšuje aktivní transport Ca2+ do krve. V epiteliální buňce spouští vznik proteinů vazajících kalcium (calcium binding proteins). Transport do krve proti koncentračnímu spádu se děje za využití ATP. V kosti kalcitriol indukuje přeměnu kmenových buněk v osteoklasty. Děje se tak ale jen při dlouhodobějším nedostatku kalcia ve střevech. Kalcitonin - „hypokalcemický hormon a udržovatel kostí“ Vzniká ve specialisovaných „C – buňkách“ štítné žlázy. Produkce kalcitoninu je řízena zpětnou vazbou. C - buňky jsou současně efektorem i receptorem kalcitoninu. Hlavním místem účinku kalcitoninu je kost, ve které snižuje proliferaci osteoklastů, snižuje jejich životnost a dokonce i účinnost. Parathormon - „boss s hyperkalcemickým účinkem“ Ústřední hormon metabolismu Ca2+. Výrazně předčí svou aktivitou předešlé hormony. PTH vzniká v příštítných tělískách štítné žlázy20 nezávisle na hypofýze (na rozdíl od většiny ostaních hormonů). V biosyntéze PTH se uplatňuje Ca2+ a kalcitriol. Obě tyto látky mají inhibiční vliv na tvorbu a sekreci PTH.21 PTH aktivuje přeměnu kalcidiolu v kacitriol v ledvinách. Při udržování kalciové homestáze má nejrychlejší účinek. Primárně mobilisuje kalcium z kosti – PTH zvýší propustnost osteoblastické membrány pro vstup kalcia do buňek z prostoru tekutiny omývající krystalky hydroxyapatitu. Zvýší se tak intracelulózní hladina Ca2+, což zapne kalciovou pumpu, která vypuzuje Ca2+ do extracelulárního prostoru22. Sníží rovněž aktivitu osteoblastů (Při dlouhodobějším působení naopak PTH aktivitu osteoblastů zvyšuje.) Druhotně zvyšuje PTH resorbční aktivitu osteoklastů. V ledvinách stimuluje PTH zpětnou resorbci fosfátů a kalcia. Douhodobě působící PTH zvyšuje činnost osteoblastů. Dalším důležitým účinkem PTH, ne - li nejdůležitějším, je účinek na 1α hydroxylázu v ledvině, kterou aktivuje. Tento enzym je zodpovědný za tvorbu kalcitriolu – 1,25 dihydroxycholekaciferolu. PTH tak znásobuje svůj účinek, ale zároveň sám sebe touto činností inhibuje. Další kalciotropní hormony ●
estrogeny a androgeny – zvyšují, kompeticí s PTH, osteogenezi v pubertě, inhibují osteoklasty
●
tyreodální hormony – zvyšují osteoresorbci
●
glukokortikoidy – snižují resorbci kalcia střevem, zvyšují jeho vylučování ledvinami,
20 Fylogeneticky se příštítná tělíska objevují až u obojživelníků, kdy se vytratil původní přirozený zdroj vápníku moře. 21 BLAHOŠ, Jaroslav. Osteoporóza : diagnostika a terapie v praxi .; str. 45 22 BROULÍK, Petr. Osteoporóza : osteoporóza, osteomalacie, osteodystrofie ; str. 37
5
tlumí osteosyntézu ●
inzulin – snižuje kostní obrat a inhibuje osteoklasty. Při jeho nedostatku nastává porucha resorbce kalcia střevem.
●
růstový hormon – stimuluje osteoblasty a zvyšuje kostní metabolismus
Změny kostní denzity v průběhu života K určení kostní denzity se používá tzv. BMD index – bone mineral density. [mg/cm2]. Maxima BMD je dosaženo kolem 27 roku života jedince. BMD je vyšší u mužů než u žen. Od dosažení maxima dochází k postupnému fyziologickému snižování BMD. BMD je závislý na fyzické aktivitě a dostatečném přísunu Ca2+ v mládí.
6. Osteoporóza Osteoporóza je progresivní systémové onemocnění, při kterém dochází k úbytku kostní hmoty a k poruchám mikroarchitektury kosti. To vede ke zvýšené fragilitě kostí a jejich vyšší náchylnosti ke zlomeninám. Poprvé byla osteoporéza popsána v roce 1885. Rozlišujeme postmenopauzální osteoporózu a involuční – senilní osteoporózu. Postemenopauzální osteoporóza Faktrorem vzniku je úbytek estrogenu, v důsledku čehož dochází k vyšší resorbci kosti a zvýšení hladiny Ca2+ v krvi. To má za následek snížení tvorby PTH, a vede dále ke snížení hladiny kalcitriolu. Úbytek kalcitriolu sníží resorbci Ca2+ ve střevě. Postemenopauzální osteoporóza postihuje především spongiózní kost. Klinické projevy osteoporózy jsou tedy především zlomeniny zápěstních kůstek, krčku femuru23, kompresní zlomeniny bederních obratlů. Involuční – senilní osteoporóza Základním patogenním faktorem tohoto typu osteoporózy je snížená hladina kalcitriolu v krvi. To vede k tvorbě PTH, který udržuje kalcémii především zpětnou resorbcí Ca2+ z kosti. Objevuje se po 70. roce života a postihuje kostní tkáň obecně.
7. Fraktura kosti Zlomenina (fraktura) kosti je porušení celistvosti kosti důsledkem působení vnějších mechanických sil. Zlomeniny samy o sobě většinou život pacienta neohrožují, koplikace s nimi spojené však ano. Jedná se zejména o krvácení, tuková embolie, šok apod. Léčba zlomeniny24 Jako jedna z mála tkání v lidském těle, dokáže se kost po narušení své celistvosti, dostat do funkčně i anatomicky stejného stavu jako před úrazem. Reparační proces se skládá ze tří částí – reaktivní (těsně po úrazu), reparační (tvorba nové kosti) a části remodelační (kost se dostává do stejného tvaru jako před úrazem). U zlomenin u dětí je riziko poničení růstové chrupavky, což může mít za následek zpomalení nebo dokonce úplné zastavení růstu kosti. ●
Reaktivní část
23 15-20% zlomenin femuru má fatální následky 24 Dle: http://en.wikipedia.org/wiki/Bone_healing
6
Těsně po úrazu – zlomenině – se začnou shromažďovat krevní buňky v okolí zranění a v okolních tkáních. Posléze dojde ke sražení krve, které zabrání dalšímu krvácení. Postupně se vytvoří krevní sraženina. Buňky které nejsou součástí krevní sraženiny se zničí apotózou. Následuje replikace fibroblastů, které začnou vytvářet granulózní tkáň. ●
Reparační část V několika dnech po zranění se začnou fibroblasty, stejně jako osteoblasty v okolí rány měnit na chondroblasty a začínají vytvářet hyalinní chrupavku. Ta společně s případnými zbytky kostní tkáně vytvoří „callus25“. Hyalinní callus začne endochondrálně26 osifikovat a začíná se vytvářet primární kost.
●
Remodelační část Primární kost začne výrazně osifikovat a přetváří se na spongiózní kost. Ta může postupně přechází v kost kompaktní. Callus se vytratí a kost má opět svou plně funkční podobu.
8. Použitá literatura BLAHOŠ Jaroslav. Osteoporóa : diagnostika a terapie v praxi . [1. vyd.] . Praha : Galén , 1995 . 172 s. . ISBN 80-85824-26-4. BOROVANSKÝ, Ladislav. Soustavná anatomie člověka . 4., opr., z části pozm. a dopln. vyd. . Praha : Avicenum , 1972-1973 . 2 sv. . BROULÍK, Petr. Osteoporóza : osteoporóza, osteomalacie, osteodystrofie . Praha : Maxdorf , 1999 . 172 s. . ISBN 80-85800-93-4. GANONG, William F.. Přehled lékařské fyziologie . 1. čes. vyd . Jinočany : H a H , 1995 . XIII, 681 s. . (A Lange medical book) . ISBN 80-85787-36-9. JUNQUEIRA, L. Carlos, CARNEIRO, José KELLEY, José Základy histologie . 7. vyd . Jinočany : H a H , 1997 . VI, 502 s. . ISBN 80-85787-37-7. MARIEB, Elaine Nicpon, MALLATT, Jon. Anatomie lidského těla . Vyd. 1 . Brno : CP Books , c2005 . xvi, 863 s. . ISBN 80-251-0066-9. THE JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY VOL. 34 B, NO. 4, NOVEMBER 1952; VOKURKA, Martin, HUGO, Jan. Velký lékařský slovník . Praha : Maxdorf , 2002 . 925 s. . ISBN 80-85912-43-0. www.wikipedia.org www.whonamedit.com 25 Callus = svalek 26 Rozlišujeme dva typy osifikace – endochodrální, kdy základem nové kosti je hyalinní chrupavka a – endesmální, osifikace probíhá na vazivovém základě (např. kosti lebky)
7
