Z kalendarza: Dzień Chorych na Osteoporozę

Bez kości nasze ciało byłoby bezkształtnym workiem wypełnionym organami. Kości chronią ważne narządy wewnętrzne i umożliwiają ruch, stanowiąc rusztowanie dla przyczepu mięśni. Przy narodzinach mamy ich ok. 270. Wraz z upływem czasu część z nich łączy się ze sobą. Dlatego u osób dorosłych występuje ich już tylko 206. W zależności od pełnionej funkcji kości różnią się znacznie pod względem kształtu oraz wielkości. Najdłuższą kością w naszym ciele jest kość udowa, a najmniejszą – niewielkie strzemiączko mieszczące się w uchu wewnętrznym (ok. 3 mm). W rzeczywistości kość to bardzo heterogenna struktura zbudowana z kilku rodzajów tkanek. Oczywiście główny jej składnik stanowi tkanka kostna, ale oprócz niej występują jeszcze tkanka chrzęstna (obecna w obrębie stawu), szpik kostny (wewnątrz kości) czy tkanka tłuszczowa. Kość jest pokryta okostną – silnie unaczynioną i unerwioną tkanką, która generuje ból podczas upadku, ale również tworzy nową kość po złamaniu. Wewnętrzna struktura kości przypomina plaster miodu, dzięki czemu tkanka staje się sztywna i wytrzymała, a przy tym lekka.

W skali nano

Naukowców od dawna fascynował fenomen związany z niebywałą wytrzymałością kości na duże obciążenia. Ostatnio udało im się przyjrzeć ich budowie z niesamowitą dokładnością. Zaobserwowane detale były mniejsze niż 10 nm, czyli mniej więcej tak duże jak ok. 60 atomów węgla ustawionych obok siebie. Wykorzystano tu sprzęt nowej generacji – transmisyjny mikroskop elektronowy typu cross-beam z działem jonowym. W stworzonej przez niego projekcji 3D widać wzajemne ułożenie hydroksyapatytu i włókien kolagenowych – podstawowych elementów budujących kość. Hydroksyapatyt to magazyn wapnia, pierwiastka, którego w ciele mamy aż 1 kg. Minerał ten ma postać bardzo długich kryształów, tzw. mikrofibryl, o stosunku długości do szerokości jak 1000:1. Mikrofibryle kształtem przypominają zakrzywione ludzkie palce, które łączą się, budując twór przypominający dłoń. Wiele takich struktur nakłada się na siebie i oplata włókna kolagenowe. Dzięki tej niebywałej konstrukcji nasze kości pochwalić się mogą niebywałą wytrzymałością.

Pożeracze kości

Mimo że nie sprawiają takiego wrażenia, kości to niezwykle dynamiczne struktury. Tkanka kostna podlega ciągłej przebudowie, podczas której dochodzi do rozpuszczenia starej kości i budowy nowej. To właśnie dzięki temu procesowi kości rosną w ciągu naszego życia, złamania się goją, a kość nie staje się krucha. Bardzo ważne, aby pomiędzy procesami rozpadu i odbudowy kości utrzymywał się odpowiedni balans – gdy zostanie on zachwiany, mamy do czynienia z rozwojem chorób układu szkieletowego.

Osteoklasty to wyspecjalizowane komórki, które „pożerają” kość. Wyglądem nieco przypominają meduzę. Charakteryzują się owalnym kształtem i obecnością wielu wypustek, wnikających między macierz kości i powodujących jej rozpad. „Najedzone” osteoklasty łączą się następnie z tworzącymi nową kość komórkami, osteoblastami, inicjując tym samym odbudowę tkanki kostnej. Niestety, gdy osteoklasty wyrwą się spod kontroli, metabolizm kości zostaje zaburzony i pojawiają się choroby. Jedną z nich jest osteoporoza, która staje się plagą współczesnego świata. Cierpią na nią (wg Światowej Organizacji Zdrowia) w Unii Europejskiej mniej więcej 22 mln kobiet i 5,5 mln mężczyzn w wieku od 50 do 84 lat. W wyniku nadmiernej działalności osteoklastów wyniszczona kość staje się niezwykle podatna na złamania. Badacze szacują, że ryzyko złamania bliższego końca kości udowej jest w przypadku kobiet obecnie wyższe niż wystąpienia raka sutka, macicy i jajników.

Osteoporoza dotyka przede wszystkim osoby w podeszłym wieku, u których obserwuje się niedobór witaminy D₃, testosteronu i wapnia. Co ciekawe, zapadają na nią przebywający długo w stanie nieważkości i pozbawieni ruchu astronauci. Impulsem do tworzenia nowej kości są bowiem obciążenia fizyczne – kiedy kość pracuje, intensywnie tworzona jest jej organiczna macierz. Astronauci w ciągu jednego roku potrafią stracić wapń odpowiadający kilkunastu latom życia na Ziemi. Zatem można powiedzieć, że intensywna praca fizyczna, obciążająca nasz szkielet, paradoksalnie czyni go silniejszym!

Najnowsze badania ujawniają, że osteoklasty odpowiedzialne są także za rozwój reumatoidalnego zapalenia stawów (RZS). Ta autoimmunologiczna choroba o charakterze zapalnym prowadzi do destrukcji i zniekształcenia stawów. Do tej pory za jej główną przyczynę uważano zaburzenia w nabytej odpowiedzi immunologicznej. Naukowcy z Universität Wien udowodnili, że istotną rolę w jej rozwoju odgrywają właśnie osteoklasty. U myszy pozbawionych tych komórek zaobserwowano jedynie zapalenie stawów, natomiast powierzchnie stawowe pozostawały nieuszkodzone. Odkrycie to niesie ze sobą ważne implikacje kliniczne – inhibicja osteoklastów może okazać się konieczną interwencją w skutecznym leczeniu RZS.

Hibernujące kości

Recepta na walkę z osteoporozą może być ukryta w kościach niedźwiedzia. W przypadku długich okresów o znikomej aktywności fizycznej gęstość ludzkiej kości maleje, przez co staje się ona szczególnie wrażliwa na złamania. Co ciekawe, większość zwierząt hibernujących (m.in. jeże, chomiki, nietoperze) cierpi na ten sam problem. Wyjątkiem jest niedźwiedź czarny, który mimo kilkumiesięcznego snu utrzymuje stałą masę kości. Co ciekawe, niedźwiedzim kościom niestraszny jest nawet czas – wiek zwierząt nie wpływa na ich kondycję. Naukowcy uważają, że za niezwykłe właściwości niedźwiedzich kości odpowiada nieoddawanie moczu podczas hibernacji. Zbędny wapń nie może zostać usunięty, więc trafia do magazynu, którym jest właśnie kość (znajdujący się w niej hydroksyapatyt). Zagadką pozostaje mechanizm pozwalający tym zwierzętom na efektywny recykling wapnia. Jedno jest pewne – gdy wreszcie uda się go odkryć, może przyczynić się to do rozwoju nowych leków przeciw osteoporozie.

Pole magnetyczne i osteoporoza

U pacjentów cierpiących na osteoporozę obserwuje się zachwianie równowagi pomiędzy aktywnością komórek kościotwórczych i kościogubnych, co skutkuje zwiększonym prawdopodobieństwem wystąpienia złamań, a także trudnością w ich gojeniu. Nadal główną metodą leczenia tego typu urazów jest unieruchomienie kończyny w opatrunku gipsowym lub wymiana całego stawu na metalowy.

Alternatywnych sposobów poszukują naukowcy z Wrocławia. Próbują oni opracować innowacyjny biomateriał, który ułatwi leczenie złamań osteoporotycznych. Jego skuteczność zostanie zbadana na myszach SAM/P6, będących modelem zwierzęcym do badania osteoporozy. Biomateriał ten to tak naprawdę kompozyt kilku związków: hydroksyapatytu, a więc naturalnego składnika kości, dwóch rodzajów miRNA oraz tlenku żelaza. Cząsteczki miRNA to krótkie łańcuchy, składające się z kilkunastu „cegiełek”. Regulują one produkcję białek. Jedno miRNA będzie pobudzać komórki kościotwórcze, drugie – wyciszać działanie komórek powodujących rozpad kości. Tlenek żelaza znajdzie się między hydroksyapatytem a miRNA. Taki łącznik zapewni możliwość kontrolowanego w czasie uwalniania terapeutycznego miRNA, dostosowanego do tempa regeneracji złamania. Przyłożenie w okolicę biomateriału pola magnetycznego (0,5 T) zrywa bowiem wiązania pomiędzy budującymi go cząsteczkami. Ostatecznie hydroksyapatyt wzbogaci macierz kostną, a miRNA wpłynie na metabolizm komórek regulujących przebudowę kości. W przyszłości taki biomateriał może okazać się rewolucją w leczeniu złamań.

Jak bąbelki leczą kość

Złamania kości to w zasadzie rutyna w praktyce ortopedycznej. Problemy zaczynają się wówczas, gdy ubytek jest na tyle duży, że przekracza naturalne zdolności regeneracyjne organizmu. Podobnie dzieje się w przypadku osób starszych, których kości goją się znacznie gorzej i dłużej. Główną strategią leczenia w tych sytuacjach jest przeszczepienie w miejsce ubytku fragmentów kości pacjenta (najczęściej pobranych z miednicy). Ale zabieg ten jest dość problematyczny i na całym świecie trwają badania nad wynalezieniem materiału zastępczego dla naturalnej tkanki.

Naukowcy z Mayo Clinic opracowali innowacyjny materiał, który łączy inżynierię genetyczną, komórki macierzyste i ultrasonografię. Badania przeprowadzono na świniach ze złamaniami kości piszczelowej. Na początek w uszkodzone miejsce wszczepiono biomateriał zbudowany z naturalnego komponentu kości – kolagenu. Ma on zdolność do aktywacji komórek macierzystych wspierających proces kościotworzenia poprzez produkcję odpowiednich białek. Po dwóch tygodniach naukowcy wprowadzili do tych komórek DNA kodujące białko kluczowe w procesie regeneracji kości. Technika ta polega na zamknięciu krótkich fragmentów DNA w lipidowych pęcherzykach wypełnionych gazem. Pod wpływem emitowanych ultradźwięków pęcherzyki te „obijają” się o błonę komórek, tworząc w niej otwory, przez które DNA wnika do środka. U zwierząt poddanych terapii genowej złamania zagoiły się po 8 tyg., podczas gdy w grupie kontrolnej kości pozostawały niezagojone.

Sztuczne w naturalne

Złamane kości często zespala się za pomocą stalowych śrub i pomostów. Niestety, metoda ta jest bolesna i trudna technicznie, a proces gojenia trwa stosunkowo długo. Naukowcy z University of Sydney postanowili ulepszyć tę technikę i zamiast stali użyli wydrukowanego w 3D ceramicznego biomateriału, który z czasem przekształca się w kość. Materiał wykazał się skutecznością w testach na zwierzętach. Jak prawdziwa tkanka kostna ma liczne pory, dzięki czemu obrastają go naczynia krwionośne, dostarczające substancji odżywczych i usprawniające odbudowę tkanek. W początkowym stadium regeneracji implant jest twardy i stabilny, co zapewnia trwałe połączenie złamanej kości. Wraz z narastaniem na niego nowej tkanki kostnej jego struktura się rozpuszcza. W ten sposób zostaje on zastąpiony całkowicie przez nową kość. Standardowe implanty stalowe mogą podlegać korozji, co w konsekwencji wymusza ich wymianę na nowe. Opracowany przez naukowców z Sydney materiał jest nietoksyczny i nie wywołuje reakcji odpornościowej. Budują go elementy wchodzące w skład naturalnej kości. Dzięki temu ciało „nie widzi” intruza, który i tak z czasem z niego zniknie, a elementy jego rozkładu wejdą w skład nowej tkanki.

Rozmowy na odległość

Według najnowszych badań nasze kości to prawdziwe gaduły. Potrafią porozumiewać się z wieloma organami, m.in. nerkami i mózgiem. Używają do tego hormonów. Te niesamowite nośniki informacji mają olbrzymi wpływ na nasze zdrowie. Dotychczas udało się opisać czterech hormonowych posłańców: osteokalcynę, sklerostynę, czynnik wzrostu fibroblastów 23 (FGF-23) oraz lipokainę 2 (LCN-2).

W trakcie badań przeprowadzonych na myszach okazało się, że kość potrafi „zdecydować” o tym, kiedy mamy przestać jeść. Wszystko za sprawą LCN-2. Do tej pory uważano, że najważniejszym producentem LCN-2 w organizmie jest tkanka tłuszczowa, a kości używają tej substancji jedynie do walki z zakażeniem bakteryjnym. Kość jest jednak w stanie wytworzyć 10 razy więcej LCN-2 niż komórki tłuszczowe. Po posiłku poziom lipokainy 2 wzrasta aż trzykrotnie. Z krwią wędruje ona do mózgu, gdzie łączy się z receptorami komórek nerwowych regulujących apetyt. Podanie LCN-2 bezpośrednio do podwzgórza spowodowało u myszy spadek apetytu oraz masy ciała. Badania u ludzi z cukrzycą typu 2 i otyłością udowodniły, że we krwi tych pacjentów poziom LCN-2 jest o wiele niższy niż u ludzi zdrowych. Jeśli hormon ten u ludzi działa na podobnej zasadzie jak u gryzoni, może stać się potężnym narzędziem terapeutycznym w leczeniu otyłości. Naukowcy podkreślają, że badania ciągle są w fazie wstępnej i jeszcze sporo czasu dzieli nas od wykorzystania LCN-2 w praktyce.

Inny hormon wytwarzany przez komórki kościotwórcze (osteoblasty) to osteokalcyna. Okazało się, że oprócz procesu odbudowy kości reguluje również męską płodność. Wynik przeprowadzonych na myszach doświadczeń okazał się zdumiewający – hormon ten oddziaływał na jądra, zwiększając produkcję testosteronu, który odpowiada za ilość i jakość plemników. Z kolei eksperymenty z myszami pozbawionymi genu kodującego osteokalcynę potwierdziły hipotezę, iż jest ona kluczowa w zachowaniu prawidłowego funkcjonowania męskiego układu rozrodczego. Podobny mechanizm może występować również u ludzi. Zbyt mała ilość osteokalcyny lub uszkodzenie jej receptora mogą być nieznaną do tej pory przyczyną występowania bezpłodności u mężczyzn.

Osteokalcyna wpływa także na metabolizm trzustki, pobudzając ją do produkcji insuliny. Dzięki temu może być wkrótce wykorzystana jako lek na otyłość i cukrzycę. Co więcej, udowodniono, że hormon ten ma silne właściwości przeciwstarzeniowe. Stare myszy, którym podano osteokalcynę, pokonywały dystanse podobne do tych osiąganych przez młode osobniki. U ludzi poziom tego hormonu wzrasta w trakcie wysiłku fizycznego, a u myszy dodatkowo wpływa na nastrój i pamięć. Ponadto, przechodząc przez łożysko, bierze udział w rozwoju mózgu mysiego zarodka.

Katarzyna Kornicka
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Katedra Biologii Eksperymentalnej

***

Kosteczki słuchowe

Kłoteczek, kowadełko i strzemiączko to najmniejsze kości występujące u ssaków. Zlokalizowane są w uchu środkowym, gdzie biorą udział w przekazywaniu bodźców dźwiękowych ze świata zewnętrznego do układu nerwowego. Co ciekawe, to jedyne kości, które nie zmieniają swojego rozmiaru przez całe nasze życie! Już w momencie narodzin są ostatecznie ukształtowane.

***

Kości w liczbach

• Każda dłoń składa się z 27 kości, a stopa z 26. Łącznie stanowi to aż 106 kości, a więc połowę ich całkowitej liczby w naszym ciele.

• Większość dorosłych ma 24 żebra, ale u jednej na 500 osób (ok. 1% populacji) rozwija się dodatkowe żebro szyjne, zlokalizowane przy siódmym kręgu szyjnym.

• Kości stanowią ok. 14% masy naszego ciała.

• Najstarszy nowotwór kości odkryto w szkielecie neandertalczyka, liczącym 120 tys. lat.

• Kości są charakterystyczne dla kręgowców, które stanowią jedynie 2% gatunków zwierząt na Ziemi.

***

Brakująca kość

Kość prącia – bakulum – występuje u większości zwierząt mięsożernych, owadożernych, nietoperzy, a nawet niektórych naczelnych. Oczywiście brak jej u człowieka. Jednak pojawiają się doniesienia o przypadkach mężczyzn, u których doszło do skostnienia tkanki łącznej w wyniku urazu. Głównym zadaniem bakulum jest usztywnianie narządu w czasie kopulacji. Według naukowców dobór naturalny zapobiegł jej wykształceniu się u ludzi, aby partnerka mogła ocenić stan zdrowia mężczyzny.