Wykaz skrótów
25(OH)D - 25-hydroksywitamina D
ACD - anemia chorób przewlekłych (anemia of chronic disease)
ACPA - przeciwciała przeciwko cytrulinowanym białkom (anti-citrullinated protein antibodies)
ACR - Amerykańskie Towarzystwo Reumatologiczne (American College of Rheumatology)
ADT - terapia antyandrogenowa (androgen deprivation therapy)
AFF - atypowe złamania kości udowej (atypical femoral fractures)
AGE - zaawansowane produkty glikacji (advanced glycation end products)
ALA - kwas ?-linolenowy (alpha-linolenic acid)
ALP - fosfataza zasadowa (alkaline phosphatase)
ANA - przeciwciała przeciwjądrowe (anti-nuclear antibodies)
Anty-CarP - przeciwciała przeciwko karbamylowanym białkom (anti-carbamylated protein antibodies)
anty-CCP - przeciwciała przeciwko cyklicznemu peptydowi cytrulinowanemu (anti-cyclic citrullinated peptide antibodies)
ARA - kwas arachidonowy (arachidonic acid)
BF - bisfosfoniany
BHOF - Fundacja Zdrowia Kości i Osteoporozy (Bone Health and Osteoporosis Foundation)
BILAG - Wskaźnik Aktywności Choroby wg Brytyjskiej Grupy Oceniającej SLE (British Isles Lupus Assessment Group index of disease activity for SLE)
BMD - gęstość mineralna kości (bone mineral density)
BMI - indeks masy ciała (body mass index)
BMP - białka morfogenetyczne kości (bone morphogenetic protein)
BSA - powierzchnia ciała (body surface area)
CCP - cykliczny peptyd cytrulinowy (cyclic citrulline peptide)
CDED - dieta eliminacyjna w chorobie Leśniowskiego-Crohna (Crohn's disease exclusion diet)
ChLC - choroba Leśniowskiego-Crohna (Crohn's disease)
ChZS - choroba zwyrodnieniowa stawów (osteoarthritis)
CI - przedział ufności (confidence interval)
COX2 - cyklooksygenaza 2
CRP - białko C-reaktywne (C-reactive protein)
CVD - choroby sercowo-naczyniowe (cardiovacular disease)
DAS28 - wskaźnik aktywności choroby w odniesieniu do 28 stawów (Disease Activity Score 28)
DGLA - kwas dihomo-gamma-linolenowy (dihomo-gamma-linolenic acid)
DHA - kwas dokozaheksaenowy (docosahexaenoic acid)
Dieta low-FODMAP - dieta o niskiej zawartości fermentujących oligo-, di- i monosacharydów oraz polioli (low in Fermentable oligo-di-mono-saccharides and polyols)
DII - wskaźnik potencjału zapalnego diety (Diet Inflammatory Index)
dsDNA - dwuniciowy DNA
DXA - badanie densytometryczne
ECM - macierz pozakomórkowa (extracellular matrix)
EEN - wyłączne żywienie enteralne (exclusive enteral nutrition)
EGCG - galusan epigallokatechiny (epigallocatechin gallate)
EPA - kwas eikozapentaenowy (eicosapentaenoic acid)
ERA - zapalenie stawów z zapaleniem przyczepów ścięgien (enthesitis-related arthritis)
EULAR - Europejski Sojusz Stowarzyszeń Reumatologicznych (European League Against Rheumatism)
FFQ - kwestionariusz częstotliwości spożycia (Food Frequency Questionnaire)
FGF-21 - czynnik wzrostu fibroblastów 21 (fibroblast growth factor 21)
FLS - synowiocyty o typie fibroblastów (fibroblast like synoviocytes)
FOS - fruktooligosacharydy (fructo-oligosaccharides)
FSMP - żywność specjalnego przeznaczenia medycznego (food for special medical purposes)
GABA - kwas gamma-aminomasłowy
GAG - glikozaminoglikany (glycosaminoglycans)
GDNF - czynnik neurotroficzny pochodzący z linii komórek glejowych (glial cell line-derived neural growth factor)
GFR - wskaźnik filtracji kłębuszkowej (glomerular filtration rate)
GI - indeks glikemiczny (glycemic index)
GL - ładunek glikemiczny (glycemic load)
GLA - kwas gamma-linolenowy (gamma-linolenic acid)
GM-CSF - czynnik stymulujący tworzenie się kolonii granulocytów i makrofagów (granulocyte and macrophages colony stimulating factor)
GPx - peroksydaza glutationowa (glutathione peroxidase)
HAQ - kwestionariusz oceny stanu zdrowia (Health Assessment Questionnaire)
HDL-C - cholesterol lipoprotein o dużej gęstości (high-density lipoprotein)
HEI - indeks zdrowego żywienia (Healthy Eating Index)
HR - współczynnik ryzyka (hazard ratio)
hsCRP - wysokoczułe białko C-reaktywne (high sensitivity C-reactive protein)
HTZ - hormonalna terapia zastępcza
IFN - interferon (interferon)
Ig - immunoglobulina (immunoglobulin)
IGF - insulinopodobny czynnik wzrostu (insulin-like growth factor)
IL - interleukina (interleukin)
IOM - Instytut Medycyny (Institute of Medicine)
JAK-STAT - kinaza janusowa - przekaźnik sygnału i aktywator transkrypcji (Janus kinase - signal transducer and activator of transcription)
KD - dieta ketogeniczna (ketogenic diet)
LDL - lipoproteiny o małej gęstości (low-density lipoprotein)
LMPCh - leki modyfikujące postęp choroby
LPS - lipopolisacharydy (lipopolysaccharide)
ŁZS - łuszczycowe zapalenie stawów (psoriatic arthritis)
MBD - metaboliczne choroby kości (metabolic bone disease)
MCH - średnia masa hemoglobiny w erytrocycie (mean corpuscular hemoglobin)
MCHC - średnie stężenie hemoglobiny w erytrocycie (mean corpuscular hemoglobin concentration)
M-CSF - czynnik stymulujący kolonie makrofagów (macrophage colony stimulating factor)
MDA - minimalna aktywność choroby (minimal disease activity)
MfLS - mieloidalne synowiocyty o fenotypie makrofagów (macrophage-like synoviocytes)
MGP - białko Gla macierzy (matrix Gla protein)
MHC - główny układ zgodności tkankowej (major histocompatibility complex)
MIZS - młodzieńcze idiopatyczne zapalenie stawów
MMP - metaloproteinazy macierzy pozakomórkowej (matrix metalloproteinases)
MSC - mezynchymalne komórki macierzyste (mesenchymal stem/stromal cells)
MUFA - kwasy jednonienasycone (monounsaturated fatty acids)
NCGS - nieceliakalna nadwrażliwość na gluten (nonceliac gluten sensitivity)
NET - zewnątrzkomórkowe sieci neutrofilowe (neutrophil extracellular traps)
NChZJ - nieswoiste choroby zapalne jelit
NK - naturalne komórki cytotoksyczne (natural killer)
NLPZ - niesteroidowe leki przeciwzapalne (non-steroidal anti-inflammatory drugs)
OB - odczyn Biernackiego
OC - osteokalcyna (osteocalcin)
ONJ - martwica kości szczęki (osteonecrosis of the jaw)
OPG - osteoprotegeryna (osteoprotegrin)
Osx - osterix
PASI - wskaźnik aktywności i ciężkości łuszczycy (Psoriasis Area and Severity Index)
PEN - częściowe żywienie dojelitowe (partial enteral nutrition)
PGA - całościowa ocena lekarska (Physician Global Assessment)
PGE2 - prostaglandyna E2
PN - żywienie parenteralne (parenteral nutrition)
PTH - parathormon (parathyroid hormone)
PUFA - wielonienasycone kwasy tłuszczowe (poliunsaturated fatty acids)
RAGE - receptor dla zaawansowanych produktów glikacji (receptor for advanced glycation end products)
RANK - receptor aktywatora jądrowego czynnika kappa-B (receptor activator of nuclear factor ?B)
RANKL - ligand aktywatora receptora jądrowego czynnika kappa-B (receptor activator for nuclear factor ?B ligand)
RCT - randomizowane kontrolowane badanie kliniczne (randomized controlled trial)
Receptor NMDA - receptor glutaminianowy (N-methyl-D-aspartate)
RF - czynnik reumatoidalny (rheumatoid factor)
ROS - reaktywne formy tlenu (reactive oxygen species)
RR - ryzyko względne (relative risk)
Runx2 - czynnik transkrypcyjny rodziny Runx 2 (runt-related transcription factor 2)
RZS - reumatoidalne zapalenie stawów
SAA - surowiczy amyloid A
SCFAs - krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (short-chain fatty acids)
SE - wspólny epitop (shared epitope)
SERM - selektywne modulatory receptorów estrogenowych (selective estrogen receptor modulators)
SFA - nasycone kwasy tłuszczowe (saturated fatty acids)
SGA - subiektywna globalna ocena stanu odżywienia (Subjective Global Assessment)
SLAM-R - Skorygowany Wskaźnik Aktywności SLE (Systemic Lupus Activity Measure Revised)
SLE - toczeń rumieniowaty układowy (systemic lupus erythematosus)
SLEDAI - wskaźnik aktywności tocznia rumieniowatego układowego (Systemic Lupus Erythematosus Disease Activity Index)
SLICC/ACR Damage Index (SDI) - Wskaźnik Uszkodzeń Systemic Lupus International Collaborating Clinics/American College of Rheumatology
SOD - dysmutaza ponadtlenkowa (superoxide dismutase)
SXR - receptor steroidów i ksenobiotyków (steroid and xenobiotic receptor)
TAC - całkowita pojemność antyoksydacyjna (total antioxidant capacity)
TBS - gęstość tkanki gąbczastej (trabecular bone score)
TCR - receptory limfocytu T (T-cell receptor)
TGF-? - transformujący czynnik wzrostu beta (transforming growth factor beta)
Th - limfocyty pomocnicze (T helper cells)
TK - tomografia komputerowa (computed tomography)
TMAO - tlenek trimetyloaminy (trimethylamine-N-oxide)
TNF - czynnik martwicy nowotworów (tumor necrosis factor)
Treg - limfocyty T regulatorowe
TSH - hormon tyreotropowy (thyroid stimulating hormone)
TYK2 - kinaza tyrozynowa 2 (non-receptor tyrosine-protein kinase)
ucOC - nieukarboksylowana osteokalcyna (uncarboxylated osteocalcin)
VAS - wizualna skala analogowa (Visual Analogue Scale)
VEGF - czynnik wzrostu śródbłonka naczyniowego (vascular endothelial growth factor)
ZJD - zespół jelita drażliwego
ZZSK - zesztywniające zapalenie stawów kręgosłupa
1Fizjologia kości i stawów
Marek Tałałaj
1.1. Budowa kości, jej wzrost i zanikanie
Szkielet człowieka jest skomplikowaną anatomiczną strukturą, która stwarza możliwość poruszania się oraz ochrania narządy wewnętrzne i układ krwiotwórczy. Jest także głównym rezerwuarem, gromadzącym 99% wapnia, 88% fosforu i 50% magnezu - substancji mineralnych odgrywających istotną rolę w kluczowych procesach fizjologicznych - oraz źródłem aktywnych biologicznie substancji wpływających na funkcjonowanie wielu tkanek i narządów.
Kości tworzące szkielet pozostają aktywne metabolicznie w ciągu całego życia, mają zdolność przebudowy i adaptacji do zmieniających się warunków. Dzięki temu są zarazem sztywne i twarde, aby sprostać obciążeniom mechanicznym, oraz elastyczne, aby uginać się i absorbować energię. Są tkanką anizotropową zdolną wytrzymać zarówno cykliczne małe obciążenia podczas spaceru lub biegu, jak i nagłe, różnokierunkowe duże siły występujące podczas skoku, lądowania lub zmiany kierunku.
W dzieciństwie i młodości kości zwiększają swoje wymiary zewnętrzne, ale następuje także zmiana ich kształtu, proporcji oraz struktury wewnętrznej. Proces ten nie ma charakteru linearnego. Najszybciej postępuje u nastolatków, którzy w krótkim okresie przyspieszonego wzrostu budują 50-60% ostatecznej masy szkieletu. Do zakończenia okresu pokwitania powstaje ok. 90% szczytowej masy kości, która osiągana jest między 30. a 35. rokiem życia. U mężczyzn maksymalna masa szkieletu jest wyższa niż u kobiet, a jej wartość zależy także od rasy, czynników genetycznych, stylu życia, diety, aktywności fizycznej.
Po 35., 40. roku życia następuje ubytek tkanki kostnej, który jest wynikiem obniżania gęstości kości i niszczenia jej wewnętrznej struktury, gdyż zewnętrzne wymiary szkieletu nie ulegają istotnym zmianom. U kobiet obniżanie masy układu kostnego postępuje w tempie 0,7-2% rocznie i jest szybsze we wczesnym okresie pomenopauzalnym. U mężczyzn ubytek tkanki kostnej wynosi 0,5-1% rocznie. Ocenia się, że między 45. a 75. rokiem życia kobiety tracą ok. 30%, a mężczyźni ok. 15% maksymalnej masy kośćca.
Na szkielet osoby dorosłej składa się ponad 200 kości, zbudowanych z tkanki kostnej korowej i beleczkowej. Kość korowa (zbita) jest twardą tkanką o wysokiej gęstości, pokrywającą z zewnątrz cały szkielet i dominującą w trzonach kości długich. Kość beleczkowa (gąbczasta) tworzy luźną trójwymiarową sieć połączonych ze sobą beleczek z wolnymi przestrzeniami wypełnionymi przez szpik kostny. Zlokalizowana jest głównie w trzonach kręgowych, kościach płaskich oraz nasadach i przynasadach kości długich. W całym szkielecie proporcja masy kości korowej do beleczkowej wynosi w przybliżeniu 80:20.
Tkanka kostna, zarówno zbita, jak i gąbczasta, składa się z części organicznej (tworzącej ok. ? masy kości), części nieorganicznej (stanowiącej ? masy i ok. ? objętości szkieletu) oraz komórek kostnych: osteoklastów, osteoblastów i osteocytów. Część organiczną tworzą głównie kolagen typu 1 oraz niekolagenowe peptydy, proteoglikany i cytokiny macierzy kostnej, wypełniające przestrzenie między włóknami kolagenu. Część mineralna zbudowana jest z fosforanu wapnia, głównie w postaci kryształów hydroksyapatytu, układających się wzdłuż nici kolagenu. Włókna kolagenu zapewniają tkance kostnej elastyczność i odporność na rozciąganie, natomiast składowe mineralne odpowiadają za jej twardość i sztywność.
Ułożone równolegle włókna kolagenu, wraz z towarzyszącymi im kryształami hydroksyapatytu, tworzą uporządkowaną strukturę w formie zmineralizowanych blaszek kostnych, których ułożenie i grubość precyzyjnie odzwierciedlają kierunki sił zewnętrznych, oddziałujących na kości. W obrębie jednej warstwy włókna kolagenu ułożone są równolegle, natomiast orientacja sąsiednich warstw może się od siebie różnić.
1.2. Przebudowa tkanki kostnej
Przebudowa (remodelacja) szkieletu jest ciągłym, trwającym całe życie procesem odnawiania kości przez zastępowanie starej, uszkodzonej tkanki nowym materiałem, zapewniającym utrzymanie integralności strukturalnej i zwiększanie odporności na złamania. Kolejne etapy remodelacji obejmują rekrutację i aktywację komórek osteoprogenitorowych, resorpcję starej kości przez osteoklasty, fazę przejściową oraz budowanie nowej tkanki kostnej przez osteoblasty. Przebudowa wymaga ściśle skoordynowanej, następującej po sobie aktywności komórek kostnych, pozwalającej zachować masę i jakość tkanki kostnej. Na poziomie komórkowym proces ten jest regulowany, koordynowany i nadzorowany przez osteocyty.
Jedynymi komórkami zdolnymi resorbować tkankę kostną są osteoklasty. Są to duże, wielojądrzaste komórki o średnicy 20-100 ?m, powstałe przez fuzję jednojądrzastych preosteoklastów wywodzących się z komórek progenitorowych linii monocytarno-makrofagalnej. Pierwszym etapem resorpcji jest rozpuszczenie kryształów hydroksyapatytu, do którego dochodzi dzięki aktywności pompy protonowej obecnej w pofałdowanej błonie (rąbku szczoteczkowym) osteoklastów. Pompa ta transportuje kationy wodorowe z wnętrza komórek do ograniczonej przestrzeni przylegającej do powierzchni kości i zapewnia jej silne zakwaszenie. Pozbawione osłony hydroksyapatytu włókna kolagenowe są następnie fragmentowane i degradowane przez swoiste kolagenazy kostne: katepsyny K.
Zarówno preosteoklasty, jak i dojrzałe komórki osteoklastyczne posiadają błonowe receptory (receptor activator of nuclear factor ?B, RANK), za pośrednictwem których regulowana jest ich liczba i aktywność. Aktywacja tych receptorów przez swoisty ligand aktywatora receptora jądrowego czynnika ?B (receptor activator for nuclear factor ?B ligand, RANKL) stymuluje proliferację preosteoklastów, łączenie się ich w wielojądrzaste ostoklasty i nasilenie resorpcji tkanki kostnej. Różnicowanie osteoklastów jest także modulowane przez czynnik stymulujący kolonie makrofagów (macrophage colony stimulating factor, M-CSF). Zarówno RANKL, jak i M-CSF produkowane są przez osteoblasty i osteocyty. Komórki te produkują także osteoprotegerynę (osteoprotegrin, OPG), która hamuje resorpcję kości, pełniąc rolę fałszywego receptora, który wiąże RANKL i współzawodniczy z nim o możliwość wiązania z receptorem RANK. Osteoblasty i osteocyty, w zależności od odziaływania na nie hormonów, cytokin i czynników mechanicznych, modulują aktywność resorpcyjną osteoklastów, zwiększając lub zmniejszając sekrecję RANKL i OPG.
W miejsce zresorbowanej kości przy udziale osteoblastów budowana jest nowa tkanka kostna. Osteoblasty pochodzą z mezenchymalnych komórek macierzystych i odpowiadają za tworzenie zarówno organicznej, jak i mineralnej części kości. W pierwszym etapie syntezują one kolagen typu 1 oraz niekolagenowe składniki macierzy kostnej. Po ok. 7-10 dniach organiczna część kości (osteoid) ulega postępującej mineralizacji, która kontrolowana jest m.in. przez osteokalcynę, osteopontynę, osteonektynę i fosfatazę alkaliczną, produkowane przez osteoblasty. U nastolatków, w okresie szybkiego wzrostu i budowania nowej tkanki kostnej, proces jej mineralizacji może nie nadążać za syntezą osteoidu, szczególnie w przypadku niedoboru witaminy D, co przyczynia się do upośledzenia właściwości mechanicznych kości i zwiększa ich podatność na złamania.
Czynnikiem transkrypcyjnym niezbędnym do różnicowania komórek macierzystych w linię osteoblastyczną jest czynnik transkrypcyjny rodziny Runx2 (runt-related transcription factor 2, Runx2). Podczas następujących po sobie proliferacji komórek Runx2 reguluje ekspresję genów kodujących peptydy i cytokiny produkowane przez osteoblasty, takie jak RANKL, OPG, osteokalcyna i sklerostyna. W procesie różnicowania i aktywacji osteoblastów uczestniczy także białko Osterix oraz liczne czynniki autokrynne, parakrynne i hormonalne.
Kluczowym regulatorem procesu tworzenia kości jest ścieżka sygnałowa Wnt/?-katenina. Połączenie glikoproteiny Wnt ze swoistym receptorem błonowym (frizzled) powoduje aktywację tzw. ścieżki kanonicznej (podstawowej), stabilizację wewnątrzkomórkowego białka ?-kateniny i skierowanie procesu różnicowania macierzystych komórek zrębu w stronę osteoblastów, kosztem adipocytów i chondrocytów. Ścieżka Wnt/?-katenina wywiera zarazem hamujący wpływ na różnicowanie preosteoklastów i resorpcję kości przez zwiększenie sekrecji OPG, przyczyniając się w ten sposób do wzrostu masy kości i ich wytrzymałości mechanicznej. Ten kluczowy szlak sygnałowy stymulujący aktywność osteoblastów jest silnie hamowany przez sklerostynę oraz białka Dkk1 i Dkk2 - białka produkowane i wydzielane przez osteocyty, które są fizjologicznymi regulatorami procesu tworzenia kości (rycina 1.1).
Dojrzałe osteoblasty, syntetyzując kolejne warstwy kości o grubości 5-10 ?m, ulegają zatopieniu w nowo utworzonej tkance i przekształcają się w osteocyty, które stanowią 90-95% komórek kostnych. Osteocyty posiadają bardzo liczne, długie wypustki rozmieszczone w kanalikach kostnych i mogą aktywnie funkcjonować przez dziesiątki lat, otoczone zmineralizowaną macierzą kostną. Komórki te tworzą rozbudowaną sieć, umożliwiającą wykrywanie mikrouszkodzeń kości i przekazywanie sygnałów do innych osteocytów, osteoklastów, osteoblastów oraz komórek wyściółki na powierzchni kości. Osteocyty pełnią rolę mechanoreceptorów, przekształcających czynniki stresowe na sygnały biologiczne, wpływające na aktywność komórek i przebudowę tkanki kostnej.
Rycina 1.1
Aktywność osteoklastów, osteoblastów i osteocytów w przebudowie kości
RANKL/OPG regulują aktywność resorpcji tkanki kostnej przez osteoklasty.
Ścieżka sygnałowa Wnt/?-katenina stymuluje proliferację i aktywność osteoblastów.
HSC - hematopoetyczna komórka macierzysta; Frz - receptor błonowy frizzled; MSC - mezenchymalna komórka macierzysta; OPG - osteoprotegeryna; RANK - receptor aktywatora jądrowego czynnika kappa-B; RANKL - ligand aktywatora receptora jądrowego czynnika ?B
Zmodyfikowano na podstawie: Zaidi M., Kim S.M., Mathew M. i wsp.: Bone circuitry and interorgan skeletal crosstalk. eLife, 2023, 11, e83142.
Obciążenia, jakim poddawany jest szkielet podczas codziennej aktywności fizycznej, prowadzą do powstawania deformacji, ruchu płynu śródtkankowego w kanalikach kostnych oraz generowania sygnałów piezoelektrycznych przez pulsacyjnie ściskane kryształy hydroksyapatytu. Wszystkie te elementy konwertowane są przez osteocyty w odpowiedź komórkową, której pierwszym etapem jest rekrutacja osteoklastów do miejsc uszkodzenia kości, a kolejne etapy dopełniają proces ich przebudowy. Szczególnie korzystne dla stymulowania syntezy tkanki kostnej są zmienne bodźce o częstości 1-10 Hz, typowe dla spaceru lub lekkiego biegu.
Osteocyty wpływają na przebudowę kości za pośrednictwem czynników humoralnych. Wytwarzają one RANKL - cytokinę zwiększającą liczbę i aktywność osteoklastów, Runx2 i Osterix - niezbędne do różnicowania osteoblastów, a także kolagen i fosfatazę alkaliczną, warunkujące tworzenie i mineralizację osteoidu. W miejscach podlegających większemu obciążeniu mechanicznemu osteocyty produkują mniej sklerostyny, będącej silnym inhibitorem tworzenia kości, czego efektem jest przyspieszenie w tych obszarach budowy nowej tkanki. Osteocyty wpływają w istotny sposób na homeostazę wapniowo-fosforanową. Generują one m.in. czynnik wzrostu fibroblastów 23, który ogranicza reabsorpcję fosforanów w cewkach nerkowych i znacznie zwiększa ich utratę z moczem.
Mimo swojej długowieczności osteocyty są wrażliwe na efekty starzenia się organizmu. Z wiekiem wyraźnie zmniejsza się ich liczba, a jamki i kanaliki wypełniają się uwapnioną tkanką kostną. Związane z tym ograniczenie przepływu płynu i przekazywania sygnałów biologicznych upośledza możliwość reperowania mikrouszkodzeń kości i zwiększa ryzyko wystąpienia złamań.
Kilkuetapowy proces przebudowy kości odbywa się w tzw. podstawowych jednostkach wielokomórkowych, składających się z osteoklastów, osteoblastów i osteocytów. W kości gąbczastej przebudowa odbywa się na powierzchni beleczek, gdzie jamy resorpcyjne przyjmują postać zagłębień sięgających 60 ?m. Pełen cykl remodelacji trwa ok. 200 dni, ale może ulec skróceniu do 100 dni w niewyrównanej nadczynności tarczycy i pierwotnej nadczynności przytarczyc lub wydłużeniu nawet do 1000 dni w niedoczynności tarczycy i w trakcie terapii lekami antyresorpcyjnymi.
W kości korowej obszar przebudowy ma kształt cylindra o długości 2000 ?m i szerokości 150-200 ?m, ze stożkowatą częścią przednią, w której zlokalizowane są osteoklasty, i spiczastym tyłem, gdzie osteoblasty odkładają i mineralizują warstwy nowej tkanki kostnej. Cylinder taki przesuwa się wzdłuż długiej osi kości, prowadząc do powstania walcowatej struktury zwanej osteonem, w którym blaszki kostne ułożone są koncentrycznie wokół kanału Haversa, zawierającego naczynia krwionośne i nerwy. W warunkach fizjologicznych czas trwania remodelacji jest krótszy niż w kości beleczkowej i wynosi ok. 120 dni, a objętość tkanki kostnej zastępowana nową kością wynosi 0,025 mm3. Powtórna przebudowa w tym samym miejscu szkieletu odbywa się średnio co 2-5 lat, z kilkukrotnie aktywniejszą przebudową w kości beleczkowej niż korowej. Uwzględniając udział obu rodzajów tkanki kostnej w szkielecie, ocenia się, że każdego roku przebudowuje się 3-5% kości korowej i 25-28% kości beleczkowej, całkowicie "odnawiając" szkielet osoby dorosłej co ok. 10 lat.
Podczas przebudowy układu kostnego procesy resorpcji i tworzenia kości są ściśle ze sobą powiązane. Sugeruje się, że jest to efekt oddziaływania białek i cytokin macierzy kostnej. Podczas tworzenia nowej kości osteoblasty deponują w niej liczne związki o działaniu anabolicznym, m.in. transformujący czynnik wzrostu beta oraz insulinopodobne czynniki wzrostu (insulin-like growth factors, IGF). Peptydy te, uwolnione z tkanki kostnej podczas jej resorpcji, silnie stymulują osteogenezę, zwiększając liczbę i aktywność osteoblastów. Mechanizm ten powoduje, że hamowanie resorpcji kości, np. przez leki antyresorpcyjne, redukuje uwalnianie z niej czynników wzrostowych i prowadzi także do ograniczenia tworzenia nowej tkanki kostnej.
1.3. Regulacja przebudowy kości
Remodelacja tkanki kostnej znajduje się pod ścisłą kontrolą gruczołów wydzielania wewnętrznego. Produkowane przez nie hormony regulują homeostazę wapniowo-fosforanową, metabolizm tkanki kostnej, a główną rolę odgrywają parathormon (parathyroid hormone, PTH), kalcytonina, witamina D, estrogeny, androgeny, hormony tarczycy i glikokortykosteroidy.
Parathormon jest 84-aminokwasowym peptydem syntetyzowanym i wydzielanym przez przytarczyce, którego głównym zadaniem jest kontrolowanie homeostazy wapnia i utrzymywanie kalcemii w granicach wartości prawidłowych. W tkance kostnej PTH może wywierać zarówno efekt kataboliczny, jak i anaboliczny. Utrzymujące się stale podwyższone stężenie PTH, m.in. w przebiegu pierwotnej nadczynności przytarczyc, nasila resorpcję kości, indukując sekrecję RANKL i MCSF oraz hamując produkcję OPG przez osteoblasty i osteocyty. Parathormon może także przyspieszać tworzenie kości przez zwiększenie liczby i aktywności osteoblastów. Przyczynia się do tego wzrost stężenia IGF-1 oraz obniżenie ekspresji sklerostyny, a szczególnie silnym stymulatorem osteogenezy jest szybko zmieniające się stężenie PTH w surowicy krwi i środowisku pozakomórkowym.
Kalcytonina jest 32-aminokwasowym hormonem produkowanym przez komórki C tarczycy w odpowiedzi na hiperkalcemię. W przeciwieństwie do PTH obniża ona stężenie wapnia w surowicy krwi i powoduje odkładanie tego kationu w tkance kostnej. Kalcytonina ogranicza resorpcję tkanki kostnej, powodując zmniejszenie liczby osteoklastów oraz ich aktywności, m.in. w wyniku utraty przez nie rąbka szczoteczkowego i zdolności rozpuszczania kryształów hydroksyapatytu. Hormon ten spowalnia także apoptozę osteoblastów i osteocytów.
Witamina D jest niezbędna dla prawidłowego rozwoju szkieletu. Jej aktywny metabolit 1,25(OH)2D (kalcytriol) za pośrednictwem swoistego receptora stymuluje wchłanianie wapnia i fosforanów z przewodu pokarmowego oraz ich reabsorpcję w kanalikach nerkowych. W tkance kostnej kalcytriol stymuluje tworzenie osteoblastów przez różnicowanie macierzystych komórek mezenchymalnych, nasila ich proliferację i dojrzewanie oraz zapewnia mineralizację nowo budowanej kości. Jest też silnym promotorem przekształcania osteoblastów w osteocyty. Istotny niedobór witaminy D prowadzi do osteomalacji z powodu hipokalcemii i hipofosfatemii oraz do wtórnej nadczynności przytarczyc i ubytku masy kostnej.
Estrogeny są jednym z głównych hormonalnych regulatorów metabolizmu kostnego, zarówno u kobiet, jak i u mężczyzn. Modulują one aktywność osteoklastów i osteoblastów, przyczyniając się do ograniczania tempa przebudowy kości. Estrogeny redukują liczbę i aktywność osteoklastów oraz przyspieszają ich apoptozę. Hamują natomiast apoptozę osteoblastów i wydłużają czas ich przeżycia. Niedobór estrogenów, narastający u kobiet w okresie około- i pomenopauzalnym, wiąże się z przyspieszeniem resorpcji tkanki kostnej i redukcją masy kości gąbczastej, a później także korowej. Efekt ten jest szczególnie wyraźny, gdy następuje gwałtowny i głęboki spadek poziomu hormonów m.in. w wyniku operacyjnego usunięcia jajników.
Hormony androgenowe wywierają korzystny wpływ na rozbudowę i utrzymanie tkanki kostnej i mięśniowej u mężczyzn i kobiet. W młodości stymulują one wzrost kości na długość, a w okresie całego życia przyczyniają się do zwiększania ich zewnętrznych wymiarów. Androgeny stymulują różnicowanie osteoblastów, produkcję kolagenu typu 1 oraz sekrecję osteokalcyny i proces mineralizacji. Pod ich wpływem zwiększeniu ulega masa kości beleczkowej i korowej, a także masa i siła mięśni szkieletowych, co pośrednio pobudza tworzenie tkanki kostnej. Niedobór androgenów, które są hormonami anabolicznymi, powoduje spowolnienie osteogenezy i przyspieszony ubytek masy kostnej. Nasileniu ulega resorpcja kości, częściowo w następstwie obniżenia poziomu estrogenów, które pochodzą z aromatyzacji testosteronu.
Hormony tarczycy odgrywają istotną rolę w rozwoju szkieletu, osiągnięciu szczytowej masy kostnej i regulacji procesu przebudowy. Niedoczynność tarczycy powoduje spowolnienie remodelacji, co w niewielkim stopniu modyfikuje masę tkanki kostnej, ale może wpłynąć na ryzyko złamań. Niewyrównana nadczynność tarczycy charakteryzuje się natomiast zwiększoną aktywnością zarówno osteoklastów, jak i osteoblastów, z ujemnym bilansem procesów przebudowy i postępującym ubytkiem masy kostnej. Towarzyszy temu pogorszenie jakości tkanki kostnej i zwiększona częstość złamań szkieletu.
Glikokortykosteroidy są hormonami niezbędnymi dla funkcjonowania organizmu, ale ich nadmiar, zarówno pochodzenia endo-, jak i egzogennego, wywiera bardzo negatywne skutki dla układu kostnego. Glikokortykosteroidy powodują szybki ubytek masy kostnej i znaczne pogorszenie wytrzymałości mechanicznej szkieletu, szczególnie w obszarach z przewagą kości gąbczastej. Hormony te silnie hamują tworzenie kości przez bezpośrednie ograniczenie proliferacji i różnicowania osteoblastów oraz nasilenie apoptozy zarówno osteoblastów, jak i osteocytów. Glikokortykosteroidy ograniczają wchłanianie wapnia z przewodu pokarmowego i zwiększają jego utratę z moczem. Ujemny bilans wapnia oraz hamowanie wątrobowej hydroksylacji witaminy D prowadzą do wtórnej nadczynności przytarczyc i przyspieszenia resorpcji kości przez osteoklasty. Ponadto glikokortykosteroidy ograniczają wydzielanie hormonów estrogenowych i androgenów w następstwie hamowania sekrecji gonadotropin.
Istotny wpływ na stan układu kostnego wywierają mięśnie szkieletowe. Generują one obciążenia, jakim podlega szkielet, i istotnie wpływają na intensywność procesów przebudowy kości. Ponadto tkanka mięśniowa pełni funkcję gruczołu wydzielania wewnętrznego, oddziałującego na kości za pośrednictwem czynników humoralnych. Mięśnie szkieletowe syntetyzują kilkaset miokin, głównie o charakterze peptydowym, które modyfikują strukturę i funkcje zarówno samych mięśni, jak i sąsiadujących z nimi tkanek. Wykazano, że miostatyna, syntetyzowana przez miocyty w warunkach spoczynku, jest silnym inhibitorem proliferacji i wzrostu komórek mięśniowych, ale redukuje także liczbę osteoblastów, zwiększając zarazem liczbę i objętość adipocytów. Iryzyna, która produkowana jest przez komórki mięśniowe podczas wysiłku fizycznego i po jego zakończeniu, nasila proliferację osteoblastów oraz spowalnia apoptozę osteocytów. Synteza tego peptydu spada jednak z wiekiem i przyczynia się do postępującej osteosarkopenii.
Znaczne ograniczenie aktywności fizycznej, zwłaszcza połączone z zaburzeniami przewodnictwa nerwowego, powoduje bardzo szybkie obniżenie masy szkieletu. Wykazano, że u osób z niedowładem lub pozostających długotrwale w pozycji leżącej ubytek masy kostnej może sięgać 2% miesięcznie, a w przypadku porażenia kończyn dolnych w następstwie urazu - nawet 7% miesięcznie.
Stopniowy ubytek zmineralizowanej tkanki kostnej po 40. roku życia, powiązany z postępującą destrukcją mikroarchitektury kości, jest procesem fizjologicznym. Przebiega on szybciej w obszarach szkieletu obfitujących w kość beleczkową, m.in. w trzonach kręgowych, natomiast wolniej w rejonach, gdzie przeważa kość korowa, m.in. w szyjce kości udowej. Konsekwencją obniżania masy kostnej i spowolnienia procesu remodelacji w wieku senioralnym jest biologiczne starzenie się kości i wzrost ryzyka złamań szkieletu.
1.4. Struktura i fizjologia stawów
Stawy są kluczowymi elementami motorycznymi narządu ruchu. Ich 3 główne składowe to chrząstka stawowa, więzadła i torebka, determinujące jakość stawu, jego stabilność i wydolność czynnościową.
Chrząstka stawowa pokrywa nasady kości w jamach stawów maziowych. Jest ona wysoce wyspecjalizowaną, lepko-sprężystą tkanką, która zapewnia gładką i nawilżoną powierzchnię umożliwiającą bezbólowy i niemal pozbawiony tarcia ruch w stawie. Odgrywa także kluczową rolę w absorbowaniu, amortyzowaniu, rozpraszaniu i przenoszeniu obciążeń do leżącej poniżej kości podchrzęstnej.
Grubość chrząstki w zależności od lokalizacji wynosi 1,8-3,1 mm i może ulegać zmianom nawet w zdrowych stawach. Wykazano, że różnice grubości między kończynami tej samej osoby są niewielkie i nie przekraczają 5%. Mężczyźni mają nieco grubszą chrząstkę niż kobiety (ok. 10%), ale znacznie większą powierzchnię stawów (ok. 25%), nawet po uwzględnieniu różnic parametrów antropometrycznych. Grubość chrząstki zmniejsza się z wiekiem, szczególnie u kobiet, nawet przy braku uszkodzeń typowych dla zmian degeneracyjnych.
Dojrzała chrząstka stawowa określana jest mianem chrząstki hialinowej (szklistej) z powodu jej przejrzystego wyglądu, który odzwierciedla główne składowe: wodę, kolagen, proteoglikany i niewielką liczbę komórek. Odsetek wody sięga nawet 80% w jej warstwie powierzchniowej i zmniejsza się stopniowo do 65% w warstwie głębokiej. W wodzie rozpuszczone są nieorganiczne jony sodu, wapnia, potasu i chloru.
Komórki tkanki chrzęstnej - chondrocyty, zajmujące 2-10% objętości chrząstki - otoczone są macierzą pozakomórkową (extracellular matrix, ECM), decydującą o fizykochemicznych i mechanicznych właściwościach chrząstki. W macierzy dominują włókna kolagenu, głównie typu 2, stanowiące ok. 75% suchej masy, oraz proteoglikany, tworzące 20-30% suchej masy chrząstki.
Chondrocyty są wyspecjalizowanymi komórkami, odgrywającymi kluczową rolę w tworzeniu ECM oraz zachowaniu jej integralności. Komórki te wywodzą się z mezenchymalnych komórek zrębu, charakteryzują długim okresem aktywności biologicznej i ograniczoną zdolnością mitotyczną. Poza wszystkimi elementami strukturalnymi macierzy kostnej chondrocyty produkują także m.in. kolagenazy i metaloproteinazy (matrix metalloproteinases, MMP), biorące udział w degradacji kolagenu, oraz agrekanazy, powodujące fragmentację proteoglikanów.
Chondrocyty rzadko tworzą połączenia międzykomórkowe, reagują jednak na oddziaływanie czynników wzrostowych, obciążenia mechaniczne, siły piezoelektryczne i zmiany ciśnienia hydrostatycznego. Wykazano, że cykliczne obciążanie chrząstki z częstością 0,1-1 Hz stymuluje syntezę kolagenu i proteoglikanów, podczas gdy obciążenie statyczne jest związane z proporcjonalną do jego siły degradacją ECM.
Chondrocyty otoczone są cienką warstwą macierzy okołokomórkowej, zbudowanej z kolagenu i proteoglikanów, stanowiącej barierę dyfuzyjną dla dużych molekuł. Smukłe pasma kolagenu typu 2, o średnicy 10-15 nm, tworzą wokół chondrocytów gęsto splecioną siatkę - kapsułę okołokomórkową. Macierz okołokomórkowa działa jak mechaniczna tarcza ochronna oraz selektywny przekaźnik sygnałów biochemicznych. Współdziała również w konwertowaniu obciążeń mechanicznych, jakim podlega chrząstka, na sygnały biologiczne. Na zewnątrz kapsuły otaczającej chondrocyty skład ECM ulega zmianie i tworzy tzw. macierz terytorialną, a dalej międzyterytorialną.
Zdrowa chrząstka stawowa posiada 4 różniące się od siebie strefy: powierzchniową, pośrednią, głęboką i uwapnioną. Każda z nich charakteryzuje się swoistym uporządkowaniem i organizacją chondrocytów oraz składem i ułożeniem elementów ECM.
Rycina 1.2
Struktura oraz budowa histologiczna chrząstki stawowej, kości podchrzęstnej i błony maziowej stawu
Zmodyfikowano na podstawie: Kurz B., Lange T., Voelker M. i wsp.: Articular cartilage-from basic science structural imaging to non-invasive clinical quantitative molecular functional information for AI classification and prediction. Int. J. Mol. Sci., 2023, 24, 14974.
Stawowa powierzchnia chrząstki pokryta jest dodatkowo bardzo cienką, delikatną warstwą o grubości od kilkuset nanometrów do jednego mikrometra. Błona ta - nazywana lamina splendens - jest nadzwyczaj ważną częścią stawu, zapewniającą bardzo niski współczynnik tarcia, nawilżenie powierzchni oraz odgrywającą kluczową rolę w zachowaniu mechanicznych właściwości chrząstki pod wpływem obciążenia. Błona ta pozbawiona jest komórek i zawiera włókna kolagenowe ułożone równolegle do powierzchni stawu. Jako pierwsza podlega degradacji w procesach zwyrodnieniowych i nie wykazuje zdolności regeneracyjnych.
Strefa powierzchniowa stanowi 10-20% grubości chrząstki stawowej i jest szczególnie ważna dla zachowania jej trwałości. Warstwa leżąca bliżej szpary stawowej zawiera gęsto upakowane wiązki relatywnie cienkich (średnio 18 nm) włókien kolagenowych, biegnących równolegle do powierzchni. Poniżej znajdują się spłaszczone, ułożone równolegle do powierzchni chondrocyty. Ta szczególna aranżacja pozwala chronić głębsze warstwy chrząstki przed siłami ścinającymi oraz przenosić i rozpraszać część obciążenia stawu. Strefa powierzchniowa zawiera mniej proteoglikanów, co ułatwia dyfuzję składników odżywczych do położonych poniżej struktur oraz migrację dużych biomolekuł. Zawarte w niej splecione pęczki włókien kolagenowych łączą się z ułożonymi skośnie włóknami w głębszych warstwach chrząstki, tworząc trójwymiarową sieć zakotwiczoną aż w kości podchrzęstnej.
Strefa środkowa tworzy 40-60% grubości chrząstki. Charakteryzuje się mniejszą koncentracją chondrocytów, a w ECM dominuje kolagen typu 2, którego włókna w większości przebiegają skośnie, tworząc struktury przypominające arkady. Stężenie proteoglikanów jest tu najwyższe spośród wszystkich warstw chrząstki.
Strefa głęboka chrząstki stawowej nazywana jest również warstwą promienistą, gdyż znajdujące się w niej grube włókna kolagenowe przebiegają prostopadle do powierzchni stawu. Wraz z kolejną częścią uwapnioną obejmuje 20-50% podłużnego przekroju chrząstki. W warstwie głębokiej chondrocyty układają się głównie w postaci kolumn, równolegle do orientacji włókien kolagenu, a ich zagęszczenie jest znacznie niższe w porównaniu z warstwą powierzchniową i środkową. Komórki te, obok kolagenu typu 2, syntetyzują także kolagen typu 10, który przyczynia się do utrzymania integralności strukturalnej i bardziej efektywnego absorbowania uderzeń. Strefa głęboka charakteryzuje się znacznie mniejszą zawartością wody oraz wyższym stężeniem ujemnie naładowanych proteoglikanów, dzięki czemu stawia najsilniejszy opór siłom ściskającym chrząstkę.
Strefa głęboka oddzielona jest od strefy uwapnionej linią o grubości 2-10 ?m, określaną w piśmiennictwie anglojęzycznym mianem tidemark. Linia ta stanowi granicę między pozbawioną naczyń, nieuwapnioną chrząstką a unaczynioną strefą podlegającą stopniowej mineralizacji aż do granicy z kością. Jest ona miejscem zakotwiczenia giętkich, pionowych włókien kolagenowych strefy głębokiej, co pomaga chronić je przed rozerwaniem lub skręceniem.
Strefa uwapniona zawiera zwiększającą się stopniowo ilość hydroksyapatytu, dzięki czemu redukowany jest gradient między twardą kością i miękką, elastyczną chrząstką stawową. Wykazano, że strefa uwapniona jest 10-100 razy twardsza od chrząstki stawowej, a zarazem ok. 10 razy bardziej miękka od tkanki kostnej. Istotną rolę w procesie wapnienia chrząstki przypisuje się chondrokalcynie - białku o silnym powinowactwie do wapnia, które wiąże się z hydroksyapatytem w ośrodkach wapnienia ECM.
Strefa uwapniona charakteryzuje się obecnością hipertroficznych chondrocytów, zawiera mniej proteoglikanów, a stosunkowo dużo kolagenu typu 10. Odgrywa istotną rolę w kotwiczeniu i łączeniu włókien kolagenu ze strefy głębokiej z kością podchrzęstną, zapewniając optymalną integrację poszczególnych warstw chrząstki stawowej i redukując skoncentrowane urazy na styku chrząstki i kości.
Kość gąbczasta, znajdująca się w nasadach kości długich, pokryta jest cienką warstwą kości zbitej, zwanej warstwą podchrzęstną. Kość gąbczasta charakteryzuje się bogatym unaczynieniem, warunkującym optymalny przebieg gojenia w przypadku jej uszkodzenia, jest jednak mało wytrzymała na urazy uszkadzające jej strukturę. Istotne znaczenie mają zatem elementy buforujące obrażenia mechaniczne. Warstwa podchrzęstna w części bliższej jamie stawowej tworzy zbitą, porowatą, uwapnioną płytę przecinaną naczyniami i włóknami nerwowymi, a w części dystalnej łączy się z beleczkami kości gąbczastej. Wieloelementowe połączenie kostno-chrzęstne zaczyna się więc głęboką warstwą chrząstki stawowej i obejmuje tidemark, chrząstkę uwapnioną, linię cementową i kość podchrzęstną, w której znajdują się nerwy czuciowe i naczynia krwionośne oddzielone od chrząstki linią cementową.
Jedynie strefa uwapniona chrząstki stawowej odżywiana jest krwią z warstwy podchrzęstnej. Pozostałe warstwy chrząstki nie są unerwione, nie mają naczyń krwionośnych ani chłonnych i odżywiane są jedynie poprzez dyfuzję płynu maziowego, wtłaczanego podczas ruchu stawu.
Płyn maziowy jest dynamicznym rezerwuarem białek generowanych przez chrząstkę i maziówkę oraz składników osocza krwi. Zawarte w nim białka, fosfolipidy, kwas hialuronowy i lubrycyna powodują, że płyn stawowy znakomicie nawilża i odżywia chrząstkę stawową. Lubrycyna jest glikoproteiną produkowaną przez synowiocyty i chondrocyty, odgrywającą istotną rolę w redukowaniu tarcia na powierzchni stawu. Pokrywa powierzchnię chrząstki, zapobiega przywieraniu do niej komórek i białek, zapewnia nawilżenie powierzchni stawowej i niemal całkowicie niweluje opór tarcia. Ekspresja lubrycyny obniża się znacznie w przebiegu zmian degeneracyjnych.
Kluczową rolę w prawidłowym odżywianiu chrząstki stawowej odgrywa bogato unaczyniona błona maziowa, będąca wewnętrzną częścią torebki stawowej. Wyściółkę błony maziowej od strony szpary stawowej stanowią synowiocyty. Synowiocyty typu A są makrofagami, które absorbują i rozkładają resztki tkankowe z jamy stawowej, natomiast synowiocyty typu B produkują składniki płynu maziowego i macierzy międzykomórkowej (rycina 1.2).
Chrząstka stawowa jest lepko-sprężystą tkanką, która wykazuje właściwości anizotropowe, co pozwala jej sprostać oddziaływaniu sił ściskających, rozciągających i ścinających.
Wytrzymałość na ściskanie i zdolność do ulegania odwracalnej deformacji pod wpływem działania sił mechanicznych chrząstka zawdzięcza obecności wody oraz agrekanów rozmieszczonych w sieci włókien kolagenowych. Agrekany, czyli swoiste proteoglikany tkanki chrzęstnej, są makrocząsteczkami składającymi się z glikozaminoglikanów (glycosaminoglycans, GAGs) połączonych z białkowym rdzeniem. Glikozaminoglikany są wielocukrami, które tworzą podstawowe podjednostki chrząstki stawowej: siarczany chondroityny, keratanu, dermatanu, heparanu oraz kwas hialuronowy. Cząsteczki te, a zwłaszcza siarczan chondroityny oraz siarczan keratanu mają ujemne ładunki elektryczne (SO42-), przez co łańcuchy agrekanów odpychają się od siebie, przyciągając jednocześnie kationy sodu i wapnia oraz dipolarne cząsteczki wody krążącej w macierzy. Wiązanie dużych ilości wody, ograniczane przez trójwymiarową sieć włókien kolagenowych, generuje powstanie wewnętrznego dodatniego ciśnienia, zwanego w dosłownym tłumaczeniu ciśnieniem obrzmienia (swelling pressure), które zapewnia utrzymanie wysokiej koncentracji proteoglikanów i sprężystość tkanki chrzęstnej.
Pod wpływem nacisku, spowodowanego nagłym, krótkotrwałym obciążeniem stawu, płyn śródtkankowy wypychany jest z macierzy, a ujemnie naładowane cząsteczki GAG zbliżają się do siebie. Nasila to znacznie siły odpychania elektrostatycznego i zapobiega dalszemu odkształcaniu chrząstki. Po usunięciu nacisku woda szybko powraca do elektroujemnych domen. Takie przerywane, wielokrotne obciążanie chrząstki stawowej powoduje deformacje ograniczone do warstwy powierzchniowej. Przy długotrwałym obciążeniu stawu deformacja sieci włókien kolagenowych jest silniejsza i obejmuje całą grubość chrząstki.
Odporność chrząstki na rozciąganie jest zasługą włókien kolagenowych. W chrząstce stawowej tworzą one gęstą, trójwymiarową sieć, której organizacja zmienia się w poszczególnych strefach. Włókna kolagenu typu 2, stanowiące > 90% wszystkich białek kolagenowych tej tkanki, mogą ulegać rozciąganiu, ale nie więcej niż o 10% swojej pierwotnej długości. Kolagen typu 2 jest bardzo stabilną cząsteczką, zbudowaną z 3 identycznych łańcuchów polipeptydowych ?1 o masie 95 kDa, skręconych wokół siebie. Jego struktura potrójnej spirali może być przecięta jedynie przez proteazy, takie jak katepsyna K oraz kolagenolityczne MMP, spośród których najsilniejsza jest MMP-13. Kolagenowi typu 2 towarzyszy - w ograniczonym zakresie - m.in. kolagen typu 11, tworzący włókna odporne na działanie kolagenaz, oraz kolagen typu 9, występujący w obwódce jamek chondrocytów.
Interakcja sieci kolagenowej i wiążących wodę proteoglikanów zapewnia chrząstce stawowej jej unikalne właściwości biomechaniczne, pozwalające znosić wielokrotne silne obciążenie stawu. Chrząstka stawowa ma jednak bardzo ograniczone możliwości reperowania uszkodzeń, dlatego nawet niewielkie urazy mogą być początkiem jej postępującej degradacji i rozwoju zmian zwyrodnieniowych. Destrukcja chrząstki zaczyna się od jej strefy powierzchniowej, która wraz z lamina splendens jest najważniejszą warstwą determinującą zachowanie właściwości poślizgowych stawu. Z wiekiem w głębszych warstwach spada zawartość proteoglikanów w wyniku ich degradacji oraz zmniejszonej syntezy przez malejącą liczbę coraz mniej aktywnych chondrocytów.
Naturalny proces starzenia chrząstki jest znacznie przyspieszany przez nadmierne obciążanie stawu, czego następstwem jest ścieńczenie chrząstki, ograniczenie zdolności absorpcji energii i nadmierne przekazywanie nacisków na leżącą poniżej kość podchrzęstną. W patogenezie tych negatywnych zmian istotną rolę odgrywa zwiększona aktywność MMP, zwłaszcza MMP-13 oraz agrekanaz 1 i 2, które powodują fragmentację agrekanów przez cięcie ich rdzenia białkowego i odpowiadają za degradację tych cząsteczek w zapalnych i degeneracyjnych chorobach stawów.
Na strukturę i funkcjonowanie kości i stawów od lat młodości do wieku senioralnego wpływa ogromna liczba złożonych czynników. Wiele z nich wynika z predyspozycji genetycznych. Czynniki modyfikowalne, które wpływają negatywnie na układ ruchu, powinny być jednak zdecydowanie i skutecznie eliminowane. Umiarkowana aktywność fizyczna, która stwarza szansę zachowania sprawnego poruszania się i samodzielności przez długie lata, powinna natomiast stać się codziennym rytuałem.
Dbanie o sprawność układu ruchu, zdrowie kości i stawów, to zadanie na całe życie!
Piśmiennictwo
1. Bonewald L.F.: The amazing osteocyte. J. Bone Min. Res., 2011, 26, 229-238. 2. Boyle W.J., Simonet W.S., Lacey D.L.L.: Osteoclast differentiation and activation. Nature, 2003, 423, 337-342. 3. Brotto M., Bonewald L.: Bone and muscle: Interactions beyond mechanical. Bone, 2015, 80, 109-114. 4. Burr D.: The contribution of the organic matrix to bone's material properties. Bone, 2002, 31, 8-11. 5. Capulli M., Paone R., Rucci N.: Osteoblast and osteocyte: games without frontiers. Arch. Bioch. Biophys., 2014, 561, 3-12. 6. Carson J.A., Manolagas S.C.: Effects of sex steroids on bones and muscles: similarities, parallels, and putative interactions in health and disease. Bone, 2015, 80, 67-78. 7. Chijimatsu R., Saito T.: Mechanisms of synovial joint and articular cartilage development. Cell. Mol. Life Sci., 2019, 76, 3939-3952. 8. Clarke B.: Normal bone anatomy and physiology. CJASN, 2008, 3(Suppl 3), S131-S139. 9. Coaccioli S., Sarzi-Puttini P., Zis P. i wsp.: Osteoarthritis: new insight on its pathophysiology. J. Clin. Med., 2022, 11, 6013. 10. Cucchiarini M., de Girolamo L., Filardo G. i wsp.: Basic science of osteoarthritis. J. Exp. Orthop., 2016, 3, 22. 11. Currey J.D.: The structure and mechanics of bone. J. Materials. Sci., 2012, 47, 41-54. 12. Dallas S.L., Prideaux M., Bonewald L.F.: The osteocyte: an endocrine cell... and more. Endocr. Rev., 2013, 34, 658-690. 13. Davis S., Roldo M., Blunn G. i wsp.: Influence of the mechanical environment on the regeneration of osteochondral defects. Front. Bioeng. Biotechnol., 2021, 9, 603408. 14. Day T.F., Guo X., Garrett-Beal L. i wsp.: Wnt/betacatenin signaling in mesenchymal progenitors controls osteoblast and chondrocyte differentiation during vertebrate skeletogenesis. Dev. Cell., 2005, 8, 739-750. 15. Donell S.: Subchondral bone remodelling in osteoarthritis. EFORT Open Rev., 2019, 4, 221-229. 16. Ebrahimi M., Turunen M.J., Finnila M.A. i wsp.: Structure-function relationships of healthy and osteoarthritic human tibial cartilage: experimental and numerical investigation. Ann. Biomed. Eng. 2020, 48, 2887-2900. 17. Eriksen E.F.: Cellular mechanisms of bone remodeling. Rev. Endocr. Metab. Disord., 2010, 11, 219-227. 18. Eschweiler J., Horn N., Rath B. i wsp.: The biomechanics of cartilage - an overview. Life, 2021, 11, 302. 19. Eyre D.R., Wu J.J.: Collagen structure and cartilage matrix integrity. J. Rheumatol. Suppl., 1995, 43, 82-85. 20. Faingold A., Cohen S.R., Reznikov N. i wsp.: Osteonal lamellae elementary units: Lamellar microstructure, curvature and mechanical properties. Acta Biomaterialia, 2013, 9, 5956-5962. 21. Fonseca H., Moreira-Gonçalves D., Coriolano H.J.A. i wsp.: Bone quality: The determinants of bone strength and fragility. Sports Med., 2014, 44, 37-53. 22. Guo J., Yan P., Qin Y. i wsp.: Automated measurement and grading of knee cartilage thickness: A deep learning-based approach. Front. Med., 2024, 11, 1337993. 23. Hart D.A.: Regulation of bone by mechanical loading, sex hormones, and nerves: Integration of such regulatory complexity and implications for bone loss during space flight and post-menopausal osteoporosis. Biomolecules, 2023, 13, 1136. 24. Hart N.H., Newton R.U., Tan J. i wsp.: Biological basis of bone strength: anatomy, physiology and measurement. J. Musculoskelet Neuronal Interact., 2020, 20, 347-371. 25. Heiland G.R., Zwerina K., Baum W. i wsp.: Neutralisation of Dkk-1 protects from systemic bone loss during inflammation and reduces sclerostin expression. Ann. Rheum. Dis., 2010, 69, 2152-2159. 26. Hu L., Chen W., Qian A. i wsp.: Wnt/?-catenin signaling components and mechanisms in bone formation, homeostasis, and disease. Bone Research, 2024, 12, 39. 27. Karsenty G.: The complexities of skeletal biology. Nature, 2003, 423, 316-318. 28. Kazemi M., Williams J.L.: Properties of cartilage-subchondral bone junctions: A narrative review with specific focus on the growth plate. Cartilage, 2021, 13(Suppl 2), 16S-33S. 29. Kohrt W.M., Barry D.W., Schwartz R.S.: Muscle forces or gravity: What predominates mechanical loading on bone? Med. Sci. Sports Exerc., 2009, 41, 2050-2055. 30. Kosinska M.K., Ludwig T.E., Liebisch G. i wsp.: Articular joint lubricants during osteoarthritis and rheumatoid arthritis display altered levels and molecular species. PLoS One, 2015, 10, e0125192. 31. Krakowski P., Rejniak A., Sobczyk J. i wsp.: Cartilage integrity: a review of mechanical and frictional properties and repair approaches in osteoarthritis. Healthcare, 2024, 12, 1648. 32. Kurz B., Lange T., Voelker M. i wsp.: Articular cartilage-from basic science structural imaging to non-invasive clinical quantitative molecular functional information for AI classification and prediction. Int. J. Mol. Sci., 2023, 24, 14974. 33. Langdahl B., Ferrari S., Dempster D.W.: Bone modeling and remodeling: Potential as therapeutic targets for the treatment of osteoporosis. Ther. Adv. Musculoskelet. Dis. 2016, 8, 225-235. 34. Lee Y., Choi J., Hwang N.S.: Regulation of lubricin for functional cartilage tissue regeneration: A review. Biomater. Res., 2018, 22, 9. 35. Linkhart T.A., Mohan S., Baylink D.J.: Growth factors for bone growth and repair: IGF, TGF beta and BMP. Bone, 1996, 19(1 Suppl), 1S-12S. 36. Lopes D., Martins-Cruz C., Oliveira M.B. i wsp.: Bone physiology as inspiration for tissue regenerative therapies. Biomaterials, 2018, 185, 240-275. 37. Matsuo K.: Cross-talk among bone cells. Curr. Opin. Nephrol. Hypertens., 2009, 18, 292-297. 38. Muir H.: The chondrocyte, architect of cartilage. Biomechanics, structure, function and molecular biology of cartilage matrix macromolecules. Bioessays, 1995, 17, 1039-1048. 39. Nilsson M., Ohlsson C., Odén A. i wsp.: Increased physical activity is associated with enhanced development of peak bone mass in men: A five-year longitudinal study. J. Bone Miner. Res., 2012, 27, 1206-1214. 40. Ogawa H., Matsumoto K., Terabayashi N. i wsp.: Association of lubricin concentration in synovial fluid and clinical status of osteoarthritic knee. Mod. Rheumatol., 2017, 27, 489-492. 41. Ozcivici E., Luu Y.K., Adler B. i wsp.: Mechanical signals as anabolic agents in bone. Nat. Rev. Rheumatol., 2010, 6, 50-59. 42. Pedersen B.K.: Muscle as a secretory organ. Compr. Physiol., 2013, 3, 1337-1362. 43. Raggatt L.J., Partridge N.C.: Cellular and molecular mechanisms of bone remodeling. J. Biol. Chem., 2010, 285, 25103-25108. 44. Siddiqui J.A., Partridge N.C.: Physiological bone remodeling: Systemic regulation and growth factor involvement. Physiology, 2016, 31, 233-245. 45. Sievänen H.: Immobilization and bone structure in humans. Arch. Biochem. Biophys., 2010, 503, 146-152. 46. Sophia Fox A.J., Bedi A., Rodeo S.A.: The basic science of articular cartilage. Sports Health, 2009, 1, 461-468. 47. Thambyah A., Broom N.: On how degeneration influences load-bearing in the cartilage-bone system: A microstructural and micromechanical study. Osteoarthr. Cartil., 2007, 15, 1410-1423. 48. Thompson W.R., Rubin C.T., Rubin J.: Mechanical regulation of signaling pathways in bone. Gene, 2012, 503, 179-193. 49. Tzelepi V., Tsamandas A.C., Zolota V. i wsp.: Bone anatomy, physiology and function. W: Bone metastases: a translational and clinical approach. (red. D. Kardamakis, V. Vassiliou, E. Chow). Springer Netherlands, Dordrecht 2009, 3-30. 50. Umlauf D., Frank S., Pap T. i wsp.: Cartilage biology, pathology, and repair. Cell. Mol. Life Sci., 2010, 67, 4197-4211. 51. Vincent T.L., Alliston T., Kapoor M. i wsp.: Osteoarthritis pathophysiology - therapeutic target discovery may require a multi-faceted approach. Clin. Geriatr. Med., 2022, 38, 193-219. 52. Wang K., Ren Y., Lin S. i wsp.: Osteocytes but not osteoblasts directly build mineralized bone structures. Int. J. Biol. Sci., 2021, 17, 2430-2448. 53. Weiner S., Traub W., Wagner H.D.: Lamellar bone: Structure function relations. J. Struct. Biol., 1999, 126, 241-255. 54. Wu M., Chen G., Li Y.P.: TGF-? and BMP signaling in osteoblast, skeletal development, and bone formation, homeostasis and disease. Bone Res., 2016, 4, 16009. 55. Zaidi M., Kim S.M., Mathew M. i wsp.: Bone circuitry and interorgan skeletal crosstalk. eLife, 2023, 11, e83142; doi.org/10.7554/eLife.83142. 56. Zhang L., Guan Q., Wang Z. i wsp.: Consequences of aging on bone aging and disease. Aging Dis., 2024, 15, 2417-2452.
