โครงสร้างและการปรับโครงสร้างกระดูก

กระดูกเป็นเนื้อเยื่อผสมผสานที่มีชีวิตประกอบด้วยแร่ธาตุและคอลลาเจน จัดเรียงตัวเป็นโครงกระดูกที่แข็งแรงแต่ปรับตัวได้ และการปรับโครงสร้างกระดูกเป็นกระบวนการของเซลล์ตลอดชีวิตที่กระดูกถูกสลายและสร้างขึ้นมาใหม่ตลอดเวลา ทั้งสองสิ่งนี้อธิบายว่าทำไมกระดูกจึงเป็นทั้งส่วนรองรับทางกลไกที่แข็งแรงและเป็นอวัยวะที่มีพลวัต ซ่อมแซมตัวเองได้ และปรับโครงสร้างให้เข้ากับภาระและความต้องการทางเมตาบอลิซึม

Definition

กระดูกเป็นเนื้อเยื่อเกี่ยวพันที่มีแร่ธาตุประกอบด้วยเมทริกซ์คอลลาเจนชนิดที่ 1 ที่มีไฮดรอกซีอะพาไทต์ จัดเรียงตัวเป็นกระดูกส่วนนอกที่หนาแน่นและกระดูกส่วนในที่มีรูพรุน การปรับโครงสร้างกระดูกเป็นกระบวนการที่เชื่อมโยงกันโดยเซลล์ ซึ่งมีการสลายกระดูกตามด้วยการสร้างกระดูกอย่างต่อเนื่องเพื่อฟื้นฟูโครงกระดูก

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการจัดระเบียบของกระดูกทั้งในระดับมหภาคและจุลภาค (กระดูกส่วนนอกและกระดูกส่วนใน, ออสทีออน, เยื่อหุ้มกระดูก) เซลล์ที่สร้างและสลายกระดูก (ออสทีโอบลาสต์, ออสทีโอคลาสต์, ออสทีโอไซต์) และวงจรการปรับโครงสร้างกระดูกที่เชื่อมโยงกันซึ่งรักษาและฟื้นฟูเนื้อเยื่อกระดูก เป็นข้อมูลอ้างอิงเชิงโครงสร้างและสรีรวิทยา และไม่ได้กล่าวถึงการจัดการโรคกระดูกใดๆ

Core questions

• กระดูกส่วนนอกและกระดูกส่วนในมีการจัดระเบียบอย่างไรในระดับเนื้อเยื่อและโครงสร้างจุลภาค?
• เซลล์ใดบ้างที่ทำหน้าที่สร้าง สลาย และรับรู้แรงกลในกระดูก และเซลล์เหล่านี้ทำงานร่วมกันอย่างไร?
• วงจรการปรับโครงสร้างกระดูกดำเนินไปอย่างไร และสัญญาณใดบ้างที่ควบคุมความสมดุลของวงจรนี้?
• โครงสร้างและการปรับโครงสร้างกระดูกร่วมกันกำหนดความสามารถทางกลไกของกระดูกได้อย่างไร?

Key concepts

• กระดูกส่วนนอก (กระดูกทึบ) และกระดูกส่วนใน (กระดูกพรุน)
• ออสทีออนและระบบฮาเวอร์เซียน
• ออสทีโอบลาสต์, ออสทีโอคลาสต์, และออสทีโอไซต์
• เมทริกซ์ผสมคอลลาเจน-ไฮดรอกซีอะพาไทต์
• การส่งสัญญาณ RANK/RANKL/ออสทีโอโปรเทเจอริน
• การสร้างกระดูก (Modeling) เทียบกับการปรับโครงสร้างกระดูก (Remodeling)
• การรับรู้แรงกลโดยออสทีโอไซต์

Key theories

การปรับโครงสร้างกระดูกที่เชื่อมโยงกัน (หน่วยเซลล์หลายเซลล์พื้นฐาน)

การฟื้นฟูกระดูกเข้าใจได้ว่าเป็นลำดับที่เชื่อมโยงกันทั้งในเชิงเวลาและพื้นที่ ซึ่งการสลายกระดูกโดยออสทีโอคลาสต์ตามด้วยการสร้างกระดูกโดยออสทีโอบลาสต์ภายในหน่วยเซลล์หลายเซลล์พื้นฐาน โดยมีแกน RANK/RANKL/ออสทีโอโปรเทเจอรินควบคุมความสมดุลระหว่างทั้งสอง

Mechanisms

กระดูกได้รับคุณสมบัติทางกลไกจากส่วนประกอบของคอลลาเจนที่มีแร่ธาตุ: ระยะแร่ธาตุให้ความแข็งและความแข็งแรงในการรับแรงกด ในขณะที่เมทริกซ์คอลลาเจนให้ความเหนียว เนื้อเยื่อมีการหมุนเวียนอย่างต่อเนื่องโดยหน่วยเซลล์หลายเซลล์พื้นฐาน ซึ่งออสทีโอคลาสต์จะสลายกระดูกส่วนหนึ่ง และออสทีโอบลาสต์จะเติมเต็มในภายหลัง ออสทีโอไซต์ที่ฝังอยู่ในเมทริกซ์จะรับรู้ความเครียดทางกลไกและช่วยชี้นำว่าการปรับโครงสร้างกระดูกจะเกิดขึ้นที่ใด ปฏิกิริยา RANKL-RANK กระตุ้นการแยกตัวของออสทีโอคลาสต์ ในขณะที่ออสทีโอโปรเทเจอรินทำหน้าที่เป็นตัวรับล่อเพื่อยับยั้งการสลายกระดูก ดังนั้นระดับสัมพัทธ์ของโมเลกุลเหล่านี้จึงกำหนดสมดุลของการหมุนเวียน นอกเหนือจากกลไกแล้ว กระดูกยังมีส่วนร่วมในสรีรวิทยาทั่วร่างกาย รวมถึงการส่งสัญญาณของต่อมไร้ท่อที่เชื่อมโยงโครงกระดูกกับการเผาผลาญพลังงาน

Clinical relevance

ความเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้างจุลภาคของกระดูกและความสมดุลของการปรับโครงสร้างกระดูกเป็นพื้นฐานในการตีความการสมานกระดูก คุณภาพกระดูก และการปรับตัวของโครงกระดูกที่ศัลยแพทย์กระดูกและข้อพึ่งพา หัวข้อนี้อธิบายว่าเนื้อเยื่อกระดูกถูกสร้างและฟื้นฟูอย่างไร และไม่ใช่แนวทางในการวินิจฉัยหรือรักษาโรคกระดูกเมตาบอลิซึมในบุคคลใดบุคคลหนึ่ง

Evidence & guidelines

ชีววิทยาเชิงโครงสร้างและเซลล์ของกระดูกได้รับการยืนยันผ่านงานทดลองเบื้องต้นและรวบรวมไว้ในตำราอ้างอิงทางสรีรวิทยาและกายวิภาคศาสตร์ หัวข้อนี้สรุปความรู้เชิงอ้างอิงดังกล่าวมากกว่าเส้นทางการจัดการทางคลินิกใดๆ

History

ประวัติศาสตร์ทางเนื้อเยื่อวิทยาแบบดั้งเดิมได้กำหนดออสทีออนและการจัดระเบียบของกระดูกส่วนนอกและกระดูกส่วนใน ในขณะที่ความเข้าใจเชิงเซลล์ของการหมุนเวียนกระดูกก้าวหน้าตลอดศตวรรษที่ 20 ด้วยการระบุออสทีโอบลาสต์ ออสทีโอคลาสต์ และออสทีโอไซต์ การค้นพบระบบ RANK/RANKL/ออสทีโอโปรเทเจอรินประมาณปี 2000 ได้ชี้แจงการควบคุมระดับโมเลกุลของการสลายกระดูก และงานวิจัยต่อมาได้เปิดเผยว่ากระดูกยังทำหน้าที่เป็นอวัยวะต่อมไร้ท่อ ซึ่งขยายมุมมองของการปรับโครงสร้างกระดูกนอกเหนือจากกลไก

Key figures

• Gerard Karsenty
• Lawrence Riggs

Seminal works

• hofbauer-2000
• lee-2007

Frequently asked questions

กระดูกส่วนนอกและกระดูกส่วนในแตกต่างกันอย่างไร?

กระดูกส่วนนอก (กระดูกทึบ) เป็นเปลือกนอกที่หนาแน่นซึ่งจัดเรียงตัวเป็นออสทีออนและให้ความแข็งแรงและความแข็งแกร่งส่วนใหญ่ของโครงกระดูก ในขณะที่กระดูกส่วนใน (กระดูกพรุน) เป็นโครงข่ายภายในที่มีรูพรุนซึ่งกระจายแรงและมีพื้นที่ผิวสูงกว่าสำหรับการแลกเปลี่ยนเมตาบอลิซึม

การปรับโครงสร้างกระดูกทำหน้าที่อะไร?

การปรับโครงสร้างกระดูกจะแทนที่กระดูกเก่าหรือกระดูกที่เสียหายด้วยเนื้อเยื่อใหม่ผ่านการสลายและการสร้างที่เชื่อมโยงกันอย่างต่อเนื่อง เพื่อรักษาความสมบูรณ์ทางกลไก ซ่อมแซมความเสียหายระดับจุลภาค และมีส่วนช่วยในการรักษาสมดุลของแร่ธาตุ