Bioceramics: Properties, characterizations and applications 5. 3. HARD TISSUE HEALING AND REMODELING Hojení a opravné procesy kosti jsou podobně jako hojení kůže regenerativní. Jedinou další tkání s regenerativní schopností jsou játra. Rozsah regenerace je ale omezený. Jevy následující po zranění jsou komplexní a uplatňuje se v nich řada faktorů. Pochopení tohoto procesu je nezbytné pro navrhování a používání materiálů a pomůcek pro podporu rychlého hojení bez nežádoucích efektů. 5. 3. 1. Proces hojení tvrdých tkání Po zranění - zlomení se v kosti rozbíhá řada reakcí: -z poškozených cév uniká krev, rozlévá se tkání, vzniká hematom -poškozená neživá tkáň je odbourávána -proliferují buňky bílé krevní řady, fibroblasty a osteogenní buňky -formuje se kalus, obal lemující místo fraktury -v místě zlomeniny vzniká nejprve fibrózní tkáň, která je nahrazena spongiózní kostní tkání a nakonec kostí lamelární -na závěr se v lamelární kosti obnovují Haversovské systémy Obrázek 1: Počáteční fáze hojení kosti převzato z [1]
Obrázek 2: Pokročilé hojení převzato z [1] Proces hojení trvá v závislosti na řadě faktorů cca 4-6 týdnů, lze jej rozdělit na tyto fáze, které se navzájem překrývají: týden po úrazu probíhá hlavně proces formování kalusu: Fibroblasty a osteogenní buňky proliferují a putují do místa fraktury. Zde vytváří fibrózně kolagenní základ kalusu. V 1. týdnu se dále se rozbíhají tyto procesy: Osteogenní buňky se dále vyvíjí v osteoblasty a chondroblasty. Chondroblasty vznikají z osteogenních buněk, které pronikly hlouběji do prostoru mezi zlomenými částmi kosti, kde je ve srovnání s povrchem kosti slabší prokrvení. Zde formují chrupavčitou tkáň. Tento proces vrcholí zhruba ve 2. týdnu po zranění a trvá asi do 4. týdne. Osteoblasty se usídlují na povrchu kosti a kalcifikací přeměňují kalus v trabekuly spongiózní kosti. Tento proces vrcholí zhruba měsíc po zranění a probíhá asi do 6. týdne. Takže cca měsíc po zranění je kalus formován třemi typy tkáně: kolagenem produkovaným fibroblasty, chrupavčitou tkání a trabekulami spongiózní kosti. V závěru hojení kosti (asi po měsící od zranění) probíhá nahrazení spongiózní kosti kostí lamelární a remodelace Haversovských kanálků v kosti.
Obrázek 3: Časový rozsah jednotlivých fází hojení kosti převzato z [1] Podobně jako kostní tkáň se obnovuje i kostní dřeň. Dřeňová dutina se nejprve vyplňuje hmotou kalusu a posléze se přeměňuje na fibrózní tkáň obklopenou spongiózní kostí. Ta se postupně mění v kost kompaktní, obnovuje se cévní zásobení a krevní elementy osídlují dutinu kostní dřeně. Procesu hojení se účastní řada komplexních látek, hlavně proteinů, jako například skupina BMP kostní morfogenetické proteiny. Obrázek 4: Sekvence aminokyselin kostních morfogenetických proteinů a jejich vzájemná příbuznost převzato z [1]
Délka horizontální čáry souvisí s počtem odlišností mezi proteiny či skupinami protein, kratší čáry indikují větší příbuznost mezi molekulami aminokyselin. Například BMP-2 a BMP-4 mají velmi málo odlišností v sekvenci jejich aminokyselin, zatímco BMP-2 a TGF-β jsou značně odlišné. Zajímavá pozorování spojená s hojením kosti: -produkce kolagenu a polysacharidů zřejmě úzce souvisí s procesem hojení kosti, zvýšení jejich produkce lze tedy považovat za známku zahájení hojivého procesu - srovnáním elektrického potenciálu kosti před a po zlomení lze pozorovat posun směrem k záporným hodnotám, posun je spojen se vzrůstem buněčné aktivity. Stejně tak je pozorována tato změna potenciálu v epifýzách u normálně rostoucí kosti v dětství. 5. 3. 2. Remodelace kosti Pochopení tohoto procesu je klíčové pro správný výběr materiálu a designu implantátu. To lze doložit faktem, že pokud je například kostní výztuž příliš tuhá, povede to k zužování kosti pod ní, a to proto, že hojení probíhá v souladu principem stress shielding ochrana před nevhodným namáháním. Tento koncept funkčního přizpůsobení kosti popsal poprvé Wolff v roce 1870 jako tzv. zákon transformace kosti, kde uvádí, že proces remodelace spongiózní kosti sleduje matematická pravidla, která odpovídají kostním trajektoriím. Obrázek 5: a)frontální řez hlavicí femuru, b) trajektorie spongiózní kosti - převzato z [1]
Přesný mechanismus remodelace kosti není dosud přesně znám. Existuje několik teorií: -piezoelektrická teorie: kost se remodeluje vnímáním mechanických tahů a tlaků, které vznikají cyklickým zatěžováním a uvolňováním. Mechanické změny generují elektrickou aktivitu, která spouští remodelační proces. Pokus: Stimulací negativní elektrodou vzniká kalus se stejným nábojem, jako je ten získaný ohýbáním kosti. Tuto teorii vyvinuli v 50. letech minulého století Fukuda a Yasuda, byla později potvrzena týmem Basetta a Brightona. -teorie potenciálových proudů: formování kosti ovlivňují proudy negativních a pozitivních iontů, způsobují změny potenciálů a těmi je řízena míra depozice kostní tkáně. Větší namáhání v určitém směru pak vede k větším tokům iontů a k výraznější depozici tkáně. Přesný mechanismus tato teorie nezachycuje. Proces remodelace kosti lze rozdělit na dvě části: povrchová a vnitřní remodelace. Povrchovou remodelací se rozumí resorpce a depozice kostní tkáně na vnější povrchy kostí periostální povrchy, vnitřní remodelace je zesilování a resorpce na vnitřních površích kostí, vedoucí ke změnám hustoty kostní hmoty. Ve spongiózní kosti může být tento proces realizován rozšiřováním jednotlivých trabakul. V lamelární kosti se vnitřní remodelace uskutečňuje změnou šířky průsvitu osteonů, případně úplným zánikem osteonů (osteoporóza). Obrázek 6: Osteony (Haversovské systémy) lamelární kosti - převzato z [1]
Použitá literatura: [1]PARK, Joon. Bioceramics: Properties, Characterizations, and Applications. Springer, 2008. 364 p. ISBN: 0387095446. Překlad Milada Chudíčková, 3. května 2009