ชีววิทยาและการปรับโครงสร้างกระดูก

กระดูกเป็นเนื้อเยื่อที่มีชีวิตและมีการสร้างใหม่ตลอดเวลา ตลอดช่วงชีวิตวัยผู้ใหญ่ กระดูกเก่าในระดับจุลภาคจะถูกสลายและถูกแทนที่ด้วยกระดูกใหม่ในกระบวนการที่ประสานกันซึ่งเรียกว่าการปรับโครงสร้าง (remodeling) วงจรนี้ดำเนินการโดยเซลล์สร้างกระดูก (osteoclasts) เซลล์สร้างกระดูก (osteoblasts) และเซลล์กระดูก (osteocytes) และถูกควบคุมโดยระบบส่งสัญญาณจำนวนหนึ่ง ซึ่งช่วยรักษากระดูกให้แข็งแรง ซ่อมแซมความเสียหายระดับจุลภาค และรักษาสมดุลของแร่ธาตุ

Definition

การปรับโครงสร้างกระดูก (Bone remodeling) เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นตลอดชีวิตและจำเพาะตำแหน่ง ซึ่งเซลล์สลายกระดูก (osteoclasts) จะสลายกระดูกที่มีอยู่เดิม และเซลล์สร้างกระดูก (osteoblasts) จะสร้างกระดูกใหม่ในหน่วยที่เชื่อมโยงกัน เพื่อปรับปรุงโครงสร้างกระดูกและควบคุมมวลและคุณภาพของกระดูก

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมถึงเซลล์ของกระดูก ระยะของวงจรการปรับโครงสร้าง และกลไกระดับโมเลกุลหลัก — โดยเฉพาะ RANK/RANKL/osteoprotegerin และ WNT/sclerostin — ที่เชื่อมโยงการสลายกระดูกกับการสร้างกระดูก เนื้อหานี้เป็นพื้นฐานทางชีววิทยาเพื่อความเข้าใจโรคกระดูกเมตาบอลิกและยาที่ออกฤทธิ์ต่อกระดูก โดยไม่มีคำแนะนำทางการแพทย์

Core questions

• บทบาทของเซลล์สลายกระดูก (osteoclasts), เซลล์สร้างกระดูก (osteoblasts) และเซลล์กระดูก (osteocytes) คืออะไร?
• ระยะของวงจรการปรับโครงสร้างกระดูกมีอะไรบ้าง?
• การสลายและการสร้างกระดูกเชื่อมโยงกันอย่างไร?
• RANKL และ osteoprotegerin ควบคุมเซลล์สลายกระดูกได้อย่างไร?
• การส่งสัญญาณ WNT/sclerostin ควบคุมการสร้างกระดูกได้อย่างไร?

Key concepts

• เซลล์สลายกระดูก (Osteoclasts) (การสลาย)
• เซลล์สร้างกระดูก (Osteoblasts) (การสร้าง)
• เซลล์กระดูก (Osteocytes) (การรับรู้แรงกล)
• หน่วยเซลล์หลายเซลล์พื้นฐาน (Basic multicellular unit)
• การเชื่อมโยงของการสลายและการสร้าง
• แกน RANK/RANKL/osteoprotegerin
• การส่งสัญญาณ WNT และ sclerostin
• อัตราการหมุนเวียนของกระดูก (Bone turnover rate)

Mechanisms

การปรับโครงสร้างกระดูกดำเนินไปตามลำดับที่แน่นอน: การกระตุ้น, การสลายโดยเซลล์สลายกระดูกหลายนิวเคลียส (multinucleated osteoclasts), ระยะย้อนกลับ, การสร้างเนื้อกระดูกใหม่ (new osteoid) โดยเซลล์สร้างกระดูก (osteoblasts), และการสะสมแร่ธาตุ (mineralization) เซลล์กระดูก (osteocytes) ที่ฝังอยู่ในเนื้อกระดูกจะรับรู้ความเครียดเชิงกลและความเสียหายระดับจุลภาค และควบคุมว่าการปรับโครงสร้างจะเกิดขึ้นที่ใด การสร้างเซลล์สลายกระดูกถูกควบคุมโดยแกน RANK/RANKL/osteoprotegerin: RANKL ที่ผลิตโดยเซลล์ต้นกำเนิดของเซลล์สร้างกระดูก (osteoblast-lineage cells) จะกระตุ้นการสร้างเซลล์สลายกระดูก ในขณะที่ osteoprotegerin ทำหน้าที่เป็นตัวรับล่อ (decoy receptor) ที่ยับยั้งการสร้างเซลล์สลายกระดูก (Hofbauer et al., 2000) การสร้างกระดูกได้รับการส่งเสริมโดยการส่งสัญญาณ WNT แบบดั้งเดิม (canonical WNT signaling) ซึ่ง sclerostin ที่มาจากเซลล์กระดูก (osteocyte-derived sclerostin) จะยับยั้งการทำงานของเซลล์สร้างกระดูก (Baron & Kneissel, 2013) ความสมดุลระหว่างสัญญาณเหล่านี้จะเป็นตัวกำหนดว่าวงจรการปรับโครงสร้างกระดูกนั้นเป็นแบบสุทธิเป็นกลาง (net neutral) แบบสร้าง (anabolic) หรือแบบสลาย (catabolic)

Clinical relevance

ความเข้าใจเกี่ยวกับการปรับโครงสร้างกระดูกอธิบายว่าเหตุใดโรคกระดูกเมตาบอลิกจึงเกิดขึ้นจากความไม่สมดุลระหว่างการสลายและการสร้างกระดูก และเหตุใดการบำบัดสมัยใหม่จึงออกฤทธิ์โดยการกำหนดเป้าหมายไปที่กลไกเหล่านี้ — ตัวอย่างเช่น โดยการยับยั้ง RANKL หรือ sclerostin เนื้อหานี้เป็นข้อมูลพื้นฐานด้านชีววิทยากระดูกและไม่ถือเป็นคำแนะนำทางการแพทย์

Evidence & guidelines

กรอบการทำงานของเซลล์ในการปรับโครงสร้างกระดูกและกลไก RANKL/osteoprotegerin และ WNT/sclerostin ได้รับการยืนยันผ่านการวิจัยในห้องปฏิบัติการและการวิจัยแบบแปลผล (translational research) ซึ่งสรุปไว้ในบทความทบทวนที่น่าเชื่อถือ (Hofbauer et al., 2000; Baron & Kneissel, 2013); ความเกี่ยวข้องกับโรคและการบำบัดได้รับการสังเคราะห์ในบทความทบทวนทางคลินิกเกี่ยวกับโรคกระดูกพรุน (Compston et al., 2019)

History

ภาพรวมของเซลล์กระดูกในฐานะเนื้อเยื่อที่มีการปรับโครงสร้างถูกสร้างขึ้นผ่านการศึกษาทางจุลพยาธิวิทยาและชีววิทยาของเซลล์กระดูกในศตวรรษที่ 20 การค้นพบระบบ RANK/RANKL/osteoprotegerin ประมาณปี 2000 และการรับรู้ sclerostin ในภายหลังว่าเป็นตัวยับยั้ง WNT ได้เปลี่ยนแปลงสาขาวิชานี้ โดยเปลี่ยนชีววิทยาพื้นฐานให้เป็นเป้าหมายระดับโมเลกุลสำหรับการบำบัด

Key figures

• Roland Baron
• Lorenz Hofbauer
• Stavros Manolagas

Seminal works

• hofbauer-2000
• baron-2013

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างการสร้างรูปร่างกระดูก (bone modeling) และการปรับโครงสร้างกระดูก (remodeling) คืออะไร?

การสร้างรูปร่างกระดูกเป็นการปรับรูปร่างกระดูกโดยการเพิ่มหรือกำจัดเนื้อเยื่อที่พื้นผิวที่แยกกัน ซึ่งส่วนใหญ่เกิดขึ้นในระหว่างการเจริญเติบโต ในขณะที่การปรับโครงสร้างกระดูกเป็นการสร้างกระดูกที่มีอยู่เดิมขึ้นใหม่โดยการเชื่อมโยงการสลายและการสร้างที่ตำแหน่งเดียวกันตลอดชีวิต

เซลล์กระดูก (osteocytes) ทำหน้าที่อะไร?

เซลล์กระดูกเป็นเซลล์กระดูกที่มีจำนวนมากที่สุด; ฝังอยู่ในเนื้อกระดูกที่มีแร่ธาตุ พวกมันรับรู้แรงทางกลและความเสียหาย และส่งสัญญาณเพื่อกำหนดว่าการปรับโครงสร้างจะเกิดขึ้นที่ใดและเมื่อใด รวมถึงการผลิต sclerostin ด้วย