Πόσο σημαντική είναι η δομή του κολλαγόνου των οστών για την αντοχή τους;
(Μ. Πενταράκης, Ορθοπαιδικός, manpent@yahoo.com)
Η διάμεση ουσία των οστών (bone matrix) παράγεται από τους οστεοβλάστες και αποτελεί το βασικό υπόστρωμα του οστίτη ιστού το οποίο ονομάζεται μεσοκυττάριος ή θεμέλιος ουσία (matrix) και αποτελείται από 35% οργανικά συστατικά (οστεοειδές) και από 65% ανόργανα (ασβέστιο, φώσφορος, μαγνήσιο κ.ά). Τα οργανικά συστατικά είναι το κολλαγόνο (90% περίπου) και οι μη κολλαγονικές πρωτεΐνες, όπως είναι π.χ. οι πρωτεογλυκάνες (γλυκοζαμινογλυκάνες), η οστεοκαλσίνη, η οστεοποντίνη, η οστεονεκτίνη, η οστική σιελοπρωτεΐνη, ο M-CSF (monocyte-colony stimulating factor), ο RUNX2, το RANK-ligand, η οστεοπροτεγερίνη κ.ά.
Το μόριο του κολλαγόνου της θεμέλιας ουσίας οστών είναι τύπου Ι, αποτελείται δηλαδή από δύο ειδικά αμινοξέα, την υδροξυλυσίνη και την υδροξυπρολίνη. Η δομή του μορίου δημιουργείται από τρεις αλυσίδες των προαναφερόμενων αμινοξέων, οι οποίες διαπλέκονται σαν πλεξίδα. Πολλά μόρια κολλαγόνου δημιουργούν τα κολλαγονικά ινίδια. Πολλά ινίδια δημιουργούν τις ίνες του κολλαγόνου. Κάθε ίνα του κολλαγόνου είναι εξαιρετικά ανθεκτική στις εξωτερικές δυνάμεις οποιασδήποτε φοράς. Εχει υπολογιστεί ότι για να διαρραγεί μία ίνα κολλαγόνου Ι απαιτείται δύναμη τουλάχιστον 10 κιλών. Οι ίνες στη συνέχεια διαπλέκονται με τέτοιο τρόπο ώστε να δημιουργούν ένα στερεό υπόβαθρο, δηλαδή μια επίπεδη επιφάνεια (έναν καμβά), πάνω στον οποίο θα επικαθίσουν οι κρύσταλλοι του υδροξυαπατίτη για να δημιουργηθεί το οστικό ύφασμα. Εδώ θα πρέπει να τονιστεί ότι σε κάθε επίπεδο στρώσης (layer), το οποίο δημιουργούν οι οστεοβλάστες, οι κολλαγόνες ίνες έχουν διαφορετική φορά έτσι ώστε να αντέχουν και να προστατεύουν το οστούν από τις εξωτερικές δυνάμεις (κάθετες, παράλληλες, στροφικές κ.ά.) οι οποίες εξασκούνται στην συγκεκριμένη περιοχή του οστού (www.osteonews.gr).
Η διάμεση ουσία των οστών (bone matrix) είναι ένα φυσικό βιο-υλικό το οποίο διαθέτει ανώτερες μηχανικές ιδιότητες σε σύγκριση με τα συνθετικά υλικά. Τα συνθετικά υλικά είναι δύσκολο να επιτύχουν συνδυασμό αντοχής και σκληρότητας, έτσι αυτά που έχουν μεγάλη αντοχή δεν έχουν υψηλό βαθμό σκληρότητας και το αντίστροφο.
Στους διάφορους ανθρώπινους ιστούς και όργανα, η διάμετρος των ινών ή των ινιδίων του Col είναι διαφορετική, π.χ. η διάμετρος των ινών του Col σε υγιή τένοντα είναι περί τα 120nm διπλάσια δλδ από την αντίστοιχη διάμετρο σε άλλα όργανα.
Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το δίκτυο των ινών του Col διαδραματίζει μεγάλο ρόλο στην οστική σκληρότητα αλλά μικρό στην οστική ακαμψία. Με την πάροδο της ηλικίας οι μηχανικές ιδιότητες του μυελού των οστών μειώνονται και εμφανίζεται απώλεια αντοχής των οστών.
Οι μηχανικές ιδιότητες του μυελού των οστών επηρεάζονται από των επιμετάλλωση των ινών του Col η οποία πραγματοποιείται μέσω της επασβέστωσης και της φωσφορυλίωσης τους (υδροξυαπατίτης). Παλαιότερες μελέτες έδειξαν ότι η χαμηλή συγκέντρωση ασβεστίου λειτουργεί ωφέλιμα στο δίκτυο του Col αλλά υπολείπεται σε κρυσταλλική επιμετάλλωση (υδροξυαπατίτης κ.ά). Η υψηλή συγκέντρωση ασβεστίου λειτουργεί ανασταλτικά στη δικτύωση των ινών του Col, ενώ αντίθετα ευοδώνει την εναπόθεση κρυστάλλων υδροξυαπατίτου και άλλων.
Ακόμη διάφορες ασθένειες (κληρονομικές ή επιγενείς) προκαλούν μια σειρά μεταβολών στη σύνθεση και την δομή των οστών, η οποία με τη σειρά της οδηγεί σε αλλαγές στις μηχανικές ιδιότητες της διάμεσης ουσίας των οστών. Σε περιπτώσεις υποβιταμίνωσης C π.χ. η παραγωγή φυσιολογικών κολλαγόνων ινιδίων μειώνεται σημαντικά και εμφανίζεται η νόσος σκορβούτο με χαρακτηριστικά τα οστικά προβλήματα της (https://www.sciencedirect.com/topics/medicine-and-dentistry/osteoblast).
Δυστυχώς λίγα είναι γνωστά για την διάγνωση και θεραπεία των νοσημάτων των οστών, οι οποίες οφείλονται σε διαταραχές της σύνθεσης και της δομής του οστεοειδούς δηλαδή της οργανικής διάμεσης ουσίας των οστών καθώς και του συνόλου των μηχανικών ιδιοτήτων της, ίσως γιατί η έρευνα έχει επικεντρωθεί πολλά χρόνια τώρα στο ανόργανο τμήμα της και στις μεταβολές των κρυστάλλων του (υδροξυαπατίτης κ.ά.) (https://www.nature.com/articles/s41413-022-00223).