13-02-2018

Με αυτόν τον θαυμαστό τρόπο ξεκινά η επούλωση των καταγμάτων σε κυτταρικό επίπεδο. Ιωάννης Κωνσταντινίδης, Ορθοπαιδικός Χειρουργός (john.konstantinidis@gmail.com)

Με αυτόν τον θαυμαστό τρόπο ξεκινά η επούλωση των καταγμάτων σε κυτταρικό επίπεδο.
Ιωάννης Κωνσταντινίδης, Ορθοπαιδικός Χειρουργός (john.konstantinidis@gmail.com
 
Η Νανοεπιστήμη - Νανοτεχνολογία αποτελεί ένα διεπιστημονικό πεδίο, το οποίο μελετά τις νέες ιδιότητες των υλικών, όταν αυτά αποκτήσουν μέγεθος στις διαστάσεις της νανοκλίμακας, δηλαδή περίπου 1-100 nm. Πράγματι, μελέτη του Πανεπιστημίου της Βαρκελώνης επί της αυτοδιορθωτικής ικανότητας των οστών και την ενεργοποίηση των κυττάρων που είναι υπεύθυνα για το σχηματισμό νέου οστίτη ιστού, αποκαλύπτει το ρόλο ενός ηλεκτρομηχανικού φαινομένου στην νανοκλίμακα, το καμπτοηλεκτρικό φαινόμενο (flexoelectricity), ως έναν πιθανό μηχανισμό για την πυροδότηση της κυτταρικής απόκρισης και την καθοδήγησή της σε όλη τη διαδικασία επούλωσης των καταγμάτων.
Είναι γνωστό από τα τέλη της  δεκαετίας του '50 ότι τα οστά παράγουν ηλεκτρική ενέργεια υπό πίεση κατά τη διαδικασία της πώρωσης των καταγμάτων και τη διαδικασία της οστικής ανακατασκευής (remodelling). Η ηλεκτρική αυτή διεργασία αποδόθηκε στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο του κολλαγόνου, του οργανικού συστατικού των οστών. Έκτοτε όμως, είχαν παρατηρηθεί δείκτες της οστικής επούλωσης που δεν αφορούσαν το κολλαγόνο, αφήνοντας υπόνοιες για τη συμμετοχή και άλλων διαδικασιών. Στη συγκεκριμένη μελέτη οι ερευνητές αναφέρθηκαν στο ηλεκτρικό πεδίο κατά την ανανέωση του οστίτη ιστού μέσα και γύρω από τα μικροκατάγματα που προκαλούνται στα οστά σε καθημερινή βάση, αποκαλύπτοντας το καμπτοηλεκτρικό φαινόμενο των ανόργανων συστατικών του οστού. 
Το καμπτοηλεκτρικό φαινόμενο συνδέει στην ουσία τη μηχανική παραμόρφωση της μεμβράνης με τις ηλεκτρικές της ιδιότητες. Καθώς η κυτταρική μεμβράνη έχει δομή υγρού κρυστάλλου αποτελούμενου από ηλεκτρικά δίπολα, τα λιπίδια, όταν εφαρμόζεται επάνω της μια καμπτική παραμόρφωση, τότε αλλάζει ο προσανατολισμός των διπόλων και δημιουργείται ηλεκτρική πόλωση μεταξύ των επιφανειών της. Το φαινόμενο δηλαδή αυτό αφορά την ιδιότητα κάποιων υλικών να εκπέμπουν ηλεκτρικό δυναμικό μικρής τάσης μετά την εφαρμογή ανομοιόμορφης πίεσης, απάντηση  εξαιρετικά εντοπισμένη που εξασθενεί όσο αυξάνει η απόσταση από το σημείο της μέγιστης πίεσης. Το φαινόμενο αυτό παρατηρήθηκε να εκλύεται στην κορυφή της ρωγμής των μικροκαταγμάτων, μια μικρή περιοχή που συγκεντρώνει τη μέγιστη τάση που μπορεί να αντέξει ένα υλικό πριν από την πλήρη ρήξη του. Μια περιοχή που αποκλείει, ωστόσο, την παραγωγή ηλεκτρικού πεδίου από το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο που μπορεί να προκληθεί από το κολλαγόνο.
Μελετώντας τις διαβαθμίσεις της παραμόρφωσης (strain) στα οστά και το ανόργανο συστατικό τους, τον υδροξυαπατίτη, οι ερευνητές μπόρεσαν να υπολογίσουν το ακριβές μέγεθος αυτού του ηλεκτρικού πεδίου καταλήγοντας ότι είναι επαρκώς μεγάλο στην κορυφή της ρωγμής ώστε να ανιχνευθεί από τα υπεύθυνα κύτταρα και να διεγερθεί η οστική επιδιόρθωση, εμπλέκοντας άμεσα το καμπτοηλεκτρικό φαινόμενο στην επουλωτική διαδικασία. Επιπλέον, δεδομένου ότι τα κύτταρα που είναι υπεύθυνα για τη σύνθεση νέου οστίτη ιστού, οι οστεοβλάστες, προσδένονται σε αυτή την κορυφή, φαίνεται ότι η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου σηματοδοτεί το σημείο αυτό ως το επίκεντρο της βλάβης, καθιστώντας το κινούμενο φάρο στην προσπάθεια επιδιόρθωσης καθώς η ρωγμή θεραπεύεται.
Αυτά τα αποτελέσματα υπόσχονται εξελίξεις στην προσθετική τεχνολογία, την ανάπτυξη βιομιμητικών ή αυτοθεραπευτικών υλικών και τη μηχανική των ιστών, όπου νέα υλικά θα μπορούν να αναπαράγουν ή να ενισχύουν αυτό το ηλεκτρικό φαινόμενο καθοδηγώντας την αναγέννηση των ιστών και επιτυγχάνοντας μια πιο επιτυχημένη ενσωμάτωση των εμφυτευμάτων.
 
 
Πηγή:  Fabian Vasquez-Sancho, Amir Abdollahi, Dragan Damjanovic, Gustau Catalan. Flexoelectricity in Bones. Advanced Materials, 2018; 1705316 DOI: 10.1002/adma.201705316