UNIVERZITET U SARAJEVU

FAKULTET SPORTA I TJELESNOG ODGOJA

KOŠTANO TKIVO I MEHANIČKE OSOBINE KOSTIJU

Uvod

Koštano tkivo u dinamičkom je procesu neprestana trošenja i obnavljanja, pa je ravnoteža u razgradnji i stvaranju nove kosti preduvjet za zdravo koštano tkivo. Slabljenje strukture, odnosno kvalitete kosti, osnovna je odrednica osteoporoze, a posljedica je poremećaja ravnoteže u procesu koštane pregradnje. Tijekom života koštana izgradnja stagnira, a već nakon 30. godine razgradnja kosti dostiže i u odgovarajućim okolnostima čak premašuje izgradnju. Brojni sekundarni čimbenici dodatno pojačavaju taj proces te potiču prekomjeran gubitak kosti. To su najčešće: nedovoljan unos kalcija, nedostatak D vitamina, neprimjerena tjelesna aktivnost i štetne navike. Koštana masa je ukupna količina koštanog tkiva u kosturu, te podrazumijeva mineralnu i proteinsku komponentu. Koštana gustoća odnosi se na sadržaj minerala u kosti. Mineralna gustoća kosti može se izmjeriti uz pomoć uređaja pod nazivom denzitometar. Mineralna gustoća nije isključivi pokazatelj kvalitete kosti, ali je objektivna i mjerljiva vrijednost na temelju koje se barem približno može procijeniti i rizik za prijelom kosti. Taj se rizik udvostručuje na svakih 10 posto gubitka koštane mase. Od rođenja do uznapredovale dobi koštano tkivo podliježe brojnim utjecajima. Manjak koštane mase može se očitovati u različitim razdobljima života, počevši od adolescencije, rane ili zrele odrasle dobi, razdoblja postmenopauze, do starosti. Gubitak koštane mase uvjetuju brojni unutranji i vanjski čimbenici, pri čemu je njihovo međudjelovanje izrazito složeno. Razumijevanje tih procesa i poznavanje odgovornih čimbenika nužni su kako bi se pravodobno mogle poduzeti odgovarajuće preventivne ili terapijske mjere.

2

Koštano tkivo

Koštano tkivo je vrsta potpornog vezivnog tkiva koje se obrazuje kod odraslog

organizma umjesto hrskavičavog tkiva embriona. Uobličeni elementi ovog tkiva su kosti koje pružaju tijelu potporu i zajedno sa mišićima omogućavaju kretanje.

Funkcije

Koštano tkivo ima veliki broj veoma značajnih funkcija za organizam: • daje tijelu potporu • zajedno sa mišićnim tkivom omogućava kretanje • štiti vitalne organe (mozak u lobanjskoj čahuri, srce u grudnoj duplji), • rezervoar je jona kalcijuma i fosfora koji se po potrebi iz njega mogu mobilisati

ili u njega skladištiti.

Osnovne komponente

U izgradnji, kao i kod većine vezivnih tkiva, učestvuju: • koštane ćelije:

o osteoblasti, o osteociti i o osteoklasti i

• čvrste koštane mase (međućelijska supstanca ili matriks) • vlakna uronjena u matriks.

Osteoblasti i osteklasti Osteoblasti

3

Koštane ćelije

Osteoblasti su prave ćelije koštanog tkiva koje se nalaze na površini koštanog matriksa i u njega zalaze tankim citoplazmatičnim nastavcima. Aktivno učestvuju u održavanju koštanog tkiva sintetišući čitav niz proteina kolagene i nekolagene prirode:

• osteopontina • osteoklacina • koštanog sijaloproteina • fibronektina • nekih faktora rasta • alkalne fosfataze • tenascin.

Sintetska aktivnost osteoblasta je pod kontrolom mnogih faktora: • faktora rasta, • nekih hormona, kao što su parathormon, polni hormoni.

Osteociti su potpuno okrušeni koštanom masom i leže u prostoru koji se naziva lakuna. Čitava površina ovih ćelija je pokrivena tankim citoplazmatičnim nastavcima koji zalaze u kanalikule (uzani kanalići) koštanog matriksa. Zbog tih nastavaka dobijaju paukolik oblik i često naziv paukolike ćelije. Preko nastavaka komuniciraju kako međusobno tako i sa osteoblastima i na taj način se obavlja neophodna razmena materija. Razmena materija obavlja se od ćelije do ćelije pošto u međućelijskom matriksu nema krvnih sudova. Slično osteoblastima i ove ćelije sintetišu organske materije koštanog matriksa.

Osteoklasti se od ostalih koštanih ćelija razlikuju po: • džinovskim razmjerama (prečnik im dostiže 400 μm); • porijeklu pošto ne potiču od osteopotentnih ćelija već, prema pretpostavci

najvećeg broja istraživača, od monocita. Smješteni su na površini koštane mase u ulegnućima koja se nazivaju Haušipove (Howship, 19. vek) lakune i koje sami osteoklasti stvaraju. Pokretne su ćelije pa im je i oblik promjenljiv. Sintetišu hidrolitičke enzime čime obavljaju proces resorbovanja i demineralizacije koštanog matriksa tokom rastenja i remodeliranja kostiju. Usljed toga se smatraju pravim makrofagima koji fagocitiraju koštani matriks.Međutim, oni nisu klasični makrofagi pošto razlaganje matriksa ne obavljaju lizozomima unutar ćelije nego ogromnim vanćelijskim lizozomom koji se nalazi u prostoru između osteoklasta i koštanog matriksa.

Koštani međućelijski matriks

Koštani matriks sačinjavaju dvije komponente podjednakih razmjera: • organska i • neorganska.

4

Organsku komponentu sintetišu osteoblasti. Prije nego što se izvrši njegova mineralizacija matriks se naziva osteoid i naleže uz površinu osteoblasta i koštanog matriksa. Osteoid se sastoji od:

• u najvećem dijelu (95%) kolagena vlakna raspoređena u slojeve; • prokolagena • proteoglikana • hijaluronana • gradivnih glikoproteina.

Neogransku komponentu čine joni kalcijuma, fosfora, magnezijuma, kalijuma, natrijuma, bikarbonata i citrata. Najvažniji su joni kalcijuma i fosfata jer obrazuju:

• kristale hidroksiapatita koji mogu biti u obliku tankih pločica ili štapića i postavljeni su paralelno sa kolagenim vlaknima;

• amorfni kalcijum-fosfat.

Histološka organizacija - osteon

Koštane ćelije i mineralizovani međućelijski matriks obrazuju strukturu osteon (Haverzov sistem) koja predstavlja osnovnu strukturnu jedinicu formirane kosti. Osteon je izgrađen na vrlo precizan način, sastoji se od:

• Haverzovog kanala u kome su smješteni krvni i limfni sudovi, kao i nervni završeci;

• osteoblasti ćelije koje pokrivaju unutrašnju površinu Haverzovog kanala obrazujući jednu vrstu epiteloidnog sloja i sintetišu komponente koštanog matriksa;

• lamela koje su raspoređene koncentrično oko Haverzovog kanala i izgrađene su od koštanog matriksa, a prožete kanalikulima ;

• osteocita ćelija koje su kružno raspoređene između lamela, a njihovi citoplazmatični nastavci zalaze u kanaliće u lamelama;

• cementa, sloja matriksa različitog od onog u lamelama po tome što ne sadrži kanaliće.

Formirana kost se sastoji od velikog broja osteona koji su međusobno povezani sistemom kanala nazvanih Folkmanovi kanali (Volkmann) postavljenim pod pravim ili kosim uglom u odnosu na Haverzove kanale.

Osteon

5

Vezivni omotači

Na površinama kostiju nalaze se vezivni omotači: • periosteum sloj koji se nalazi na spoljašnjoj površini kosti; on sadrži:

o fibroblaste o snopove kolagenih vlakana o krvne sudove o osteopotentne ćelije, koje mogu pod uticajem različitih nadražaja da se

diferenciraju u osteoblaste; obrazuju spoljašnje lamele koje potpuno obavijaju kost:

• endosteum je unutrašnji omotač, tanki sloj veziva sa ostepotentnim ćelijama koje obrazuju unutrašnje lamele.

Osteopotentne ćelije oba sloja omogućavaju: • rast kostiju u širinu • zarastanje prelomljene kosti • obrazovanje novih osteoblasta.

Periosteum i endosteum duge kosti

Vrste koštanog tkiva

Kosti, duge i pljosnate, sastoje se od dvije vrste koštanog tkiva:

• kompaktnog koje se nalazi na površini kosti, građeno je od osteona i čini 90% skeleta; količina koštanog matriksa u ovom tkivu iznosi 95%; godišnje se kod čovjeka obnovi samo 4% ovog tkiva;

• sunđerasto se nalazi u unutrašnjosti kosti, građeno je od trabekula između kojih su šupljine koje su kod dugih kostiju ispunjene koštanom srži pa je usljed toga količina koštanog matriksa mnogo manja (25%)nego u kompaktnom ; svake godine kod čovjeka se obnovi oko 25% ovog tkiva.

6

Građa duge kosti: kompaktno i sunđerasto koštano tkivo Sunđerasto tkivo pod mikroskopom - trabekule

Remodeliranje kostiju

Odstranjivanje starog i stvaranje novog koštranog matriksa čime se omogućava stalno obnavljanje i održavanje kopštanog tkiva odvija se tokom čitavog života. Za proces remodeliranja neophodno je učešće:

• osteoblasta • osteoklasta • koštanog matriksa • hormona: parathormona, kalcitonina • različitih faktora rasta • citokinina.

Dešava se kroz faze koje se ciklično smjenjuju. Osteoblasti, prvobitno neaktivni, se sintetski aktiviraju i stvaraju faktore koji izazivaju nastanak prvo preosteoklasta,a zatim i njihovo udruživanje u osteoklaste. Osteoklasti razaraju koštani matriks stvarajući udubljenja (lakune)na njegovoj površini koje se popunjavaju aktivnošću osteoblasta i ćelija sa osteogenom sposobnošću. Posle toga sledi opet neaktivan period koji je istovremeno početak novog ciklusa remodeliranja. Kod čovjeka jedan ciklus traje oko 3 meseca.

Okoštavanje

Duge i pljosnate kosti okoštavaju se na različite načine:

• unutarmembranskim načinom okoštavaju pljosnate kosti • unutarhrskavičavim načinom vrši se okoštavanje dugih kostiju.

Unutarmembransko okoštavanje je direktan način okoštavanja jer se tokom njega mezenhimske ćelije transformišu u osteoblaste, što znači da obrazovanju kosti ne prethodi hrskavičava forma. Sam početak ogleda se u obrazovanju grupa mezenhimskih ćelija koje su međusobno povezane preko tankih citoplazmatskih nastavaka tako da grade neku vrstu ostrvca. Unutar ostrvca se skladište prvo organske materije matriksa, a zatim počinje i njegova mineralizacija čime se obrazuje koštana

7

spikula. Koštane spikule se obrazuju na velikom broju mjesta da bi se kasnije, radom mezenhimskih ćelija sa osteogenim potencijalom, spojile u jedinstvenu koštanu masu.

Unutarhrskavičavo (endohondrijsko) okoštavanje je indirektan način prisutan kod kostiju koje su u ranijem embrionalnom periodu razvića bile izgrađene od hijaline hrskavice. Prvo dolazi do djelimičnog uklanjanja hrskavičavog tkiva da bi se na njegovo mjesto obrazovalo novo, koštano tkivo. U ovom procesu veoma su značajni krvni sudovi kojima se do hrskavice dopremaju ćelije sa osteogenom potencijom.

Mehaničke osobine kostiju Najčvršću supstancu čovjekovog tijela predstavljaju kosti. Kosti diktiraju stalni oblik tijelu, suprostavljaju se istezanju i pritisku kako unutarnjih tako i spoljnih sila a svojom čvrstinom i oblikom uslovljavaju način kretanja. U kretanju čovjeka veliku ulogu imaju duge, cjevaste kosti koje nisu jednakomjerno građene, gledajući njihov presjek. U biti, imaju tanje dijafize i proširene epifize. Veća površina uzglobljavanja potrebna je radi smanjenja pritiska u samom zglobu. Duge kosti nisu ni sasvim ravne. One imaju lučni oblik da bi se lakše i sa umjerenim elasticitetom, suprostavile pritiscima kojima su izložene po uzdužnoj osi kosti. Definitivno je dokaznao da se taj luk formira tokom života kao odgovor na spoljne sile koje dijeluju na čovjeka. I pored elasticiteta cjevastih kostiju, u biomehaničkim analizama ih posmatramo kao savršeno krute poluge. Kada se sila koja djeluje na kost poveća do te mjere da ona više nemože odgovoriti elastičnom reakcijom, ista prelazi u plastičnu.

8

Proces koštane adaptacije je vrlo spor proces. Smatra se da tipična zakrivljivanja dugih kostiju traju cijelog života. Pored toga, dokazano je da proces očvršćavanja kostiju treningom i proces dekalcifikacije po prestanku treninga mjeri godinama. Naravno prosec kalcifikacije je puno sporiji od procesa dekalcifikacije. O ovakvim pojavama moramo voditi računa u planiranju sportskog treninga i primjeni kineziterapije u rehabilitaciji. Iz ovakvog procesa proizilazi i fenomen neusklađenosti čvrstoće pojedinih elemenata lokomotornog aparata, kod mladih sportista, što može za posljedicu imati akutne i kronične povrede . Kosti, uz zglobove, predstavljaju pasivni dio lokomotornog aparata jer ne generišu sopstvene, već prenose spoljne sile. Iz biomehaničkog aspekta kosti su krute, koštane poluge čija je osnovna funkcija prenošenje mišićnih i drugih sila a čime se obezbjeđuje održavanje raznih ravnotežnih položaja, željenih pokreta, prostijih i složenijih kretnih zadataka. Dakle kosti daju oslonac tijelu za njegove svakodnevne motoričke zadatke. Kvalitativna i kvantitativna ravnoteža između različitih vrsta tkiva zaslužna je za lakoću i otpornost kosti. Dok joj je unutrašnjost spužvasta, lagana i elastična, vanjski slojevi kosti moraju biti čvrsti kako bi zašitili krvne žile i dragocjenu koštanu srž. Koštana srž je “tvornica” u kojoj nastaju sva krvna tjelašca.

9

Zaključak Na kvalitetu koštanog tkiva znatno utiče veličina koštane mase u mladosti, odnosno tzv. vršna koštana masa. Ona se postiže relativno rano, već između 20. i 25. godine života, ranije u djevojaka nego u mladića. Izgradnja kostiju u djetinjstvu i adolescenciji od osobite je važnosti, jer određuje otpornost na prijelome u kasnijem razdoblju života. Što je veća vršna koštana masa, manja je vjerojatnost razvoja osteoporoze i prijeloma kosti. Brojni su faktori koji određuju vršnu koštanu masu. To su ponajprije genska struktura (naslijeđe), spol, etničke karakteristike i hormoni. Nadalje, od izvanredne važnosti za postizanje "dobre", visoke vršne koštane mase su prehrana, odnosno unos kalcija i vitamina D te tjelesna aktivnost. Spol znatno utječe na koštanu masu tokom puberteta, te je ona u dječaka čak 25 posto veća nakon završenog sazrijevanja. Muškarci općenito imaju veću koštanu masu. Na to, među ostalim, utiču i dimenzije, odnosno veličina kosti, primjerice kralježaka, te je rizik za prijelom kralješka četiri do osam puta veći u žena nego u muškaraca. Izvjesne razlike u veličini koštane mase postoje i između različitih etničkih skupina. Tako crna populacija u SAD-u ima nešto veću koštanu masu od ostalih rasa, odnosno etničkih skupina. Hormoni imaju snažan utjecaj na kost u razvoju. Učinak spolnih hormona izrazito je složen. Oni reguliraju metabolizam kalcija i proteina te potiču lučenje drugih hormona: hormona rasta i inzulinu sličnog faktoru rasta. Tokom djetinstva i adolescencije kost se izgrađuje i koštana masa raste, naravno ako su zadovoljeni osnovni uslovi, što podrazumijeva uredan spolni razvoj, odgovarajuću prehranu i tjelesnu aktivnost. U odrasloj dobi koštana masa se "održava" i gubitci su minimalni, ako su zadovoljeni opći uvjeti. Pritom treba ponovno istaknuti kontinuitet unosa kalcija i vitamina D, te redovitu tjelesnu aktivnost. Također treba imati na umu povećane potrebe za kalcijem i D vitaminom tokom trudnoće i dojenja. Utjecaj starenja na koštano tkivo - Već oko tridesete godine života dolazi do obrata u procesu koštane pregradnje u korist razgradnje. Starenjem se koštana masa gubi, a kosti slabe. To je posljedica povećane resorpcije kosti zbog pojačane aktivnosti osteoklasta u skladu s hormonskim promjenama u organizmu, te smanjene aktivnosti osteoblasta i involucijskih procesa (procesa starenja). Tome pridonose i slabija tjelesna aktivnost, fiziološko smanjenje sposobnosti apsorpcije kalcija u crijevu i bubregu, te smanjena sinteza vitamina D. Dodatni faktor je prisustvo različitih bolesti starije dobi koje narušavaju cjelokupni integritet organizma. Prirodan proces gubitka koštane mase vrlo je spor u oba spola. Taj proces znatno se ubrzava u prvim godinama nakon menopauze, te u prvih pet do 10 godina može iznositi i 20 posto ukupne koštane mase. Hormonske promjene u žena osnovni su razlog raširenosti i težine bolesti u ženskoj populaciji. Nakon sedamdesete godine života, gubitak koštane mase u žena se usporava, ali nikad potpuno ne prestaje. Gubitak kosti u dubokoj starosti iznosi 30 - 50 posto u žena, odnosno 20 - 30 posto u muškaraca.

10

Literatura

• Mikić B. ,Bjeković G. –Biomehanika sportske lokomotacije • Interna medicina-Koštano tkivo kroz životni vijek • Internet

11

12

Sadržaj

Uvod ........................................................................................................................................... 2

Koštano tkivo ............................................................................................................................. 3 Funkcije .............................................................................................................................................. 3 Osnovne komponente ......................................................................................................................... 3 Koštane ćelije ...................................................................................................................................... 4 Koštani međućelijski matriks ............................................................................................................. 4 Histološka organizacija - osteon ........................................................................................................ 5 Vezivni omotači .................................................................................................................................. 6 Vrste koštanog tkiva ........................................................................................................................... 6 Remodeliranje kostiju ........................................................................................................................ 7 Okoštavanje ........................................................................................................................................ 7

Mehaničke osobine kostiju ........................................................................................................ 8

Zaključak ................................................................................................................................. 10

Literatura ................................................................................................................................. 11 Sadržaj......................................................................................................................................12