Kiến thức thể hình cơ bản

Xương – cấu tạo và chức năng

Xương là gì?

Xương đóng vai trò là bộ khung cho cơ thể và là nguồn dự trữ cho của canxi và photphat vào những thời điểm thiếu khoáng chất. Nó bao gồm các tế bào từ hai dòng riêng biệt, nguyên bào tạo xương và tế bào hủy xương, và chất nền ngoại bào bị vôi hóa mà các tế bào này tiết ra và tái tạo. Quá trình hình thành xương bắt đầu từ trong phôi thai, hoặc qua chất trung gian sụn, như trong trường hợp xương dài, hoặc thông qua qua trung gian màng, hay như trong trường hợp xương phẳng của hộp sọ.

Đĩa tăng trưởng sản xuất sụn tại các vị trí chuyên biệt trên xương dài, quá trình chuyển hóa sụn này thành xương sau đó dẫn đến tăng trưởng theo chiều dọc sau khi sinh. Sự tăng trưởng và phát triển của xương được quy định bởi các cơ chế di truyền, cơ họcnội tiết tố.

Nói chung, ảnh hưởng di truyền quyết định cấu trúc cơ bản của bộ xương, trong khi phản ứng với tải trọng thì yếu tố cơ học sẽ điều chỉnh mức độ bền của xương. Đồng thời, các cơ chế nội tiết tố ảnh hưởng đến sự dịch chuyển của canxi và photphat đến và đi từ bộ xương, do đó cho phép xương hoạt động như một kho chứa các khoáng chất này và sẽ là nguồn cung chính trong những thời điểm thiếu hụt về canxi (ví dụ: mang thai và thời gian cho con bú). Ở cấp độ tế bào, sự phát triển của xương được điều phối bởi một loạt các cytokine (1) tương tác và các yếu tố tăng trưởng, chúng kiểm soát sự phân chia, trưởng thành và hoạt động của tế bào xương.

Khi cơ chế kiểm soát chức năng tế bào xương vì nguyên nhân nào đó bị ức chế và vô hiệu hoá, đặc biệt là trong quá trình luân chuyển xương ở người lớn, sẽ dẫn đến mất xương, và điều này có thể gây ra chứng loãng xương lâm sàng. Các trạng thái bệnh về xương khác là kết quả của sự thiếu hụt dinh dưỡng, ví dụ, còi xương, hoặc do các khuyết tật di truyền, ví dụ như bệnh hoại tử xương hoặc sự không hoàn hảo của quá trình tạo xương.

Các loại xương, thành phần và cấu trúc

Có hai loại xương trong bộ xương – xương dẹt, ví dụ, hộp sọ và xương dài, ví dụ, xương đùi.

Chất nền xương

Chất nền xương là một vật liệu được tổng hợp có được sức mạnh từ pha khoáng chất (các khoáng chất được pha trộn với nhau) chịu nén và một mạng lưới các sợi collagen chịu được sức căng. Pha khoáng chất của xương – canxi hydroxyapatite Ca10 (PO4) 6 (OH) 2 – được chia nhỏ thành một lớp khảm của các vi tinh thể nhỏ, do đó tạo ra diện tích bề mặt lớn để trao đổi ion và hạn chế sự lan rộng của các vết nứt. Chất nền xương cũng chứa một số protein không tạo màng chuyên biệt, chẳng hạn như osteocalcin, osteonectin và osteopontin.

Cấu trúc xương

Hai loại cấu trúc xương bên trong có thể nhìn thấy bằng mắt thường.

  • Xương vỏ não, cứng hơn và nặng nhất hai dạng,. Nó bao gồm các trụ song song của ma trận (xương cốt) được sắp xếp dọc theo trục chịu lực của xương. Trong mỗi lớp xương, chất nền được lắng đọng thành các lớp đồng tâm, mỗi lớp dày 2-3 mm, với hướng sợi chiếm ưu thế (giống như ván ép nhiều lớp). Ống trung tâm của mỗi xương chứa các tế bào xương, mạch máu và dây thần kinh.
  • Xương hình thang, dạng kiến trúc thứ hai, được tìm thấy ở phần cuối của các xương dài và ở giữa các đốt sống. Nó bao gồm một mạng lưới các thanh chống bằng xương, mỗi thanh dày 100–500 mm. Mặc dù yếu hơn xương vỏ não, nhưng nó có tính tế bào cao hơn và do đó hoạt động trao đổi chất nhiều hơn.

Tế bào xương

Nguyên bào tạo xương

Các tế bào tạo xương được gọi là nguyên bào xương. Chúng có nồng độ kiềm phosphatase cao, một loại enzym cần thiết để khoáng hóa chất nền, và hiển thị các đặc điểm cấu trúc phản ánh hoạt động tiết mạnh của chúng. Nguyên bào xương được sắp xếp như một lớp tế bào đóng gói chặt chẽ trên bề mặt xương đang phát triển, với mỗi nguyên bào xương sẽ sản xuất gấp ba lần khối lượng xương của chính nó trong khoảng 3 ngày. Chất nền xương mới được tổng hợp được tạo ra ở dạng không tổng hợp (gọi là osteoid (2) ) và bao gồm các sợi collagen I có liên kết chéo cao (tạo độ bền kéo cho mô) và một số protein không liên kết như osteocalcin. Osteoid cũng giàu các yếu tố tăng trưởng có nguồn gốc từ nguyên bào xương – yếu tố tăng trưởng giống insulin II (IGF-II) và yếu tố tăng trưởng biến đổi – và những yếu tố này có thể điều chỉnh sự luân chuyển xương cục bộ. Sau khi hình thành, osteoid được khoáng hóa. Trong xương vỏ não, sự phát triển tinh thể bắt đầu tại các vị trí dọc theo các sợi collagen và được điều chỉnh bởi các phân tử ức chế được giải phóng bởi các nguyên bào xương. Khoảng 10–20% nguyên bào xương bị mắc kẹt trong chất nền mà chúng đã tạo ra và được gọi là tế bào xương. Chúng vẫn liên kết với bề mặt xương thông qua các quá trình dài của tế bào và dường như phản ứng với tải trọng cơ học. Do đó, tế bào xương có thể chịu trách nhiệm kết hợp kích thích cơ học với sự phát triển của xương. Nguyên bào xương góp phần kiểm soát quá trình tiêu xương, đáp ứng với các tín hiệu tiêu xương bằng cách sản xuất các enzym phân hủy và bằng cách giải phóng các phân tử làm tăng hoạt động và tuyển dụng của tế bào hủy xương. Do đó, nguyên bào xương có thể điều phối quá trình luân chuyển xương bằng cách chuyển từ hình thành xương sang kiểm soát quá trình tiêu xương.

Hormone hệ thống điều chỉnh sự phát triển hoặc chức năng của bộ xương bao gồm: hormone tăng trưởng (growth hormone), oestradiol và vitamin A

Hormone tăng trưởng kích thích sự phát triển của xương bằng cách thúc đẩy sự phân chia tế bào giữa các tế bào chondrocytes của mảng tăng trưởng. Nó hoạt động một phần bằng cách kích thích sản xuất IGF-I. Mặc dù không có nghi ngờ gì về việc giảm mức độ oestradiol sau thời kỳ mãn kinh bình thường, vai trò của oestradiol trong sinh học xương vẫn còn mờ mịt. Khám phá gần đây về thụ thể oestradiol trong nguyên bào xương cho thấy nó có thể có ảnh hưởng trực tiếp đến tế bào tạo xương. Vitamin A rất quan trọng để duy trì quá trình tái tạo xương bình thường. Nó cũng có thể tham gia vào việc kiểm soát sự hình thành mô hình ba chiều trong quá trình phát triển chồi chi – Limb bud (3).

Điều chỉnh cục bộ sự tăng sinh, trưởng thành và chức năng của tế bào xương bởi các yếu tố tăng trưởng polypeptide

Một loạt các yếu tố tăng trưởng (ví dụ, yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi và IGF-I) kích thích sự phân chia của các tế bào tiền nguyên bào. Các phân tử tín hiệu khác (ví dụ: yếu tố tăng trưởng biến đổi) có liên quan đến các sự kiện phát triển như hình thành đốt sống, hàm và vòm miệng. Nguyên bào xương tự sản sinh ra nhiều yếu tố tăng trưởng này và lắng đọng chúng trong chất nền ngoại bào của chúng, cho thấy chúng điều phối các nhóm tế bào nhỏ tại các vị trí cụ thể. Việc tuyển chọn tế bào xương được điều chỉnh bởi nhiều yếu tố tăng trưởng tế bào máu, được gọi là ‘yếu tố kích thích thuộc địa’. Một số trong số này được tạo ra bởi các tế bào tạo xương. Nguyên bào xương cũng đã được chứng minh là sản xuất ra các yếu tố kích thích các tế bào hủy xương trưởng thành tái hấp thụ.

Cơ chế phát triển xương

Xương dẹt và xương dài phát sinh bởi hai cơ chế:

Sự phát triển của xương dài (ví dụ, xương đùi): sự hóa thành nội mạc. Các giai đoạn chính của sự phát triển xương dài được thể hiện trong Hình 2. Các xương dài bắt đầu như các vùng sụn trong giai đoạn đầu phôi thai. Chúng phát triển khi các tế bào ngoại vi phân chia nhanh chóng bổ sung thêm các tế bào chondrocytes mới bên ngoài cấu trúc và khi các tế bào cũ hơn trong phần thân sụn phân chia, mở rộng và tiết ra chất nền (Hình 2A). Các tế bào chondrocytes lâu đời nhất (nằm ở giữa) mở rộng, vôi hóa chất nền của chúng và được gọi là ‘phì đại’ (Hình 2B). Sau đó nguyên bào xương tiết ra một lớp xương bao quanh trục giữa của sụn, tạo thành ‘xương cổ sơ cấp’. được kéo dài và dày lên bởi các thế hệ nguyên bào xương kế tiếp nhau. Sau khi được thành lập, xương cổ sơ cấp được xuyên qua một số điểm bởi các tế bào hủy xương (Hình 2C). Những chất này nhanh chóng ăn mòn lớp sụn bên trong bị vôi hóa, chỉ còn lại một khung nâng đỡ bên trong xương quai xanh. Khi xương ngoại vi tăng cường sức mạnh, các tế bào hủy xương loại bỏ khung này để rời khỏi khoang tủy. Tiếp tục phát triển xương dài: đĩa tăng trưởng Xương dài tiếp tục phát triển tại các ‘đĩa tăng trưởng biểu sinh’ chuyên biệt (Hình 3). Tế bào chondrocytes tăng sinh ở phía trên cùng của tấm tăng trưởng tạo thêm các tế bào mới, trong khi các tế bào con cháu trưởng thành hơn của chúng tiết ra chất nền và mở rộng, do đó tạo ra sự phát triển theo chiều dọc. Cuối cùng, các tế bào chondrocytes phì đại và vôi hóa chất nền của chúng. Các tế bào xương hiện diện trong khoang tủy xâm lấn lớp sụn đã vôi hóa này, phá hủy vách ngăn ngang ngăn cách các tế bào sụn. Điều này để lại các thanh dọc của sụn vôi hóa chiếu vào khoang tủy, và những thanh này hoạt động như một khung cho sự lắng đọng xương sau đó. Sự vôi hóa hoàn toàn của mảng tăng trưởng vào cuối tuổi dậy thì đánh dấu sự kết thúc của quá trình tăng trưởng theo chiều dọc.

Hóa chất nội màng (ví dụ, xương sọ)

Các xương phẳng của hộp sọ bắt đầu như những tấm mô phôi có tính mạch máu cao. Các tế bào chưa biệt hóa trong các tấm này phân hóa trực tiếp thành các nguyên bào xương và tạo thành một mạng lưới phát xạ của các gai xương nằm song song với bề mặt của não. Trong quá trình tăng trưởng, các thế hệ nguyên bào xương kế tiếp thêm xương mới vào bên ngoài và ngoại vi của cấu trúc này, trong khi các tế bào hủy xương hấp thụ lại từ bề mặt bên trong để duy trì độ dày và hình dạng tương xứng.

Hình 2

Hình 3

Teo xương: Ảnh hưởng của nội tiết tố và ảnh hưởng của tuổi tác

Xương phát triển về kích thước và sức mạnh cho đến khi đạt được khối lượng xương cao nhất vào khoảng 35 tuổi. Khối lượng đỉnh khác nhau giữa các phân nhóm nhân khẩu học (nam cao hơn 25–30% so với nữ; cao hơn 10% ở người da đen so với người da trắng), mặc dù có sự khác biệt lớn trong mỗi nhóm. Khối lượng xương sau đó suy giảm theo tuổi tác và là kết quả của nhiều yếu tố khiến một cá nhân bị mất xương. Do đó, khối lượng xương quan sát được của một cá nhân trên 35 tuổi đại diện cho khối lượng xương đỉnh của họ trừ đi lượng xương mất tích lũy liên quan đến tuổi tác và bất kỳ tổn thất nào do bệnh tật hoặc các yếu tố nguy cơ cụ thể.

Sự luân chuyển xương và mất xương do tuổi tác

Xương liên tục được phân hủy và thay thế trong suốt cuộc đời, do đó huy động canxi cho nhu cầu của hệ thống và ngăn ngừa sự tích tụ của vật liệu bị gãy do mỏi cũ. Thông thường, 4% xương vỏ não và 25% xương trabecular được thay thế mỗi năm. Nguồn nguyên liệu để tạo ra xương mới là các tiền chất của tế bào hủy xương. Những tế bào trưởng thành này hợp nhất thành các tế bào hủy xương đa nhân, và hấp thụ lại chỗ lõm sâu 60 mg trong bề mặt xương trong khoảng thời gian khoảng 10 ngày. Nguyên bào xương có nguồn gốc từ các tế bào chưa biệt hóa nằm trong vùng lân cận của vị trí tái hấp thu sau đó thay thế vật liệu được hấp thụ lại. Toàn bộ quá trình kéo dài khoảng 4 tháng. Sau thập kỷ thứ tư của cuộc đời, quá trình cải tạo xương không thể thay thế hoàn toàn xương được phục hồi, do đó sự luân chuyển xương tạo ra sự mất xương thực. Điều này được gọi là ‘mất xương liên quan đến tuổi tác’ (tương ứng là 0,3% và 1% khối lượng xương đỉnh mỗi năm ở nam và nữ) xảy ra bất kể giới tính, hoạt động thể chất, dinh dưỡng hoặc tình trạng kinh tế xã hội. Tỷ lệ của nó phụ thuộc vào tần suất của các chu kỳ tu sửa và sự mất cân bằng giữa lượng xương được phục hồi và thay thế tại mỗi lần tu sửa. Do đó, sự mất xương liên quan đến tuổi tác xảy ra nhanh hơn ở xương trabecular (xương quay nhanh hơn) và tăng lên bởi các yếu tố thúc đẩy chu chuyển xương (thiếu canxi thoáng qua). Các yếu tố nguy cơ hoặc trạng thái bệnh liên quan đến khối lượng xương đỉnh thấp hoặc tỷ lệ mất xương tăng lên bao gồm kích thước cơ thể nhỏ, lười vận động, không hoạt động, mãn kinh tự nhiên sớm, chán ăn, nhiễm độc giáp và hội chứng Cushing. Cuối cùng, sự kết hợp giữa khối lượng xương giảm và kiến ​​trúc bề mặt bị phá vỡ (khi các thanh chống xương riêng lẻ bị cắt đứt hoặc bị loại bỏ khỏi mạng lưới) dẫn đến giảm sức mạnh của xương và tăng nguy cơ gãy xương.

Các nguyên nhân khác gây mất xương: cường cận giáp và bệnh ác tính

Cường cận giáp là một rối loạn nội tiết được đặc trưng bởi nồng độ canxi huyết thanh tăng và mất xương vỏ não tăng. Nó thường do một u tuyến lành tính tiết ra quá nhiều PTH, do đó làm tăng cả quá trình hủy xương và giữ canxi ở thận. Mất xương bệnh lý cũng là đặc điểm của nhiều trạng thái bệnh ác tính. Sự phá hủy xương có thể là kết quả của sự hoạt hóa tế bào hủy xương ở vùng lân cận ngay với khối u xâm lấn hoặc do tác động toàn thân của các yếu tố tuần hoàn do tế bào khối u tiết ra.

Estrogen (hay Oestrogen)

Tình trạng hormone sinh dục và sự tăng trưởng vượt bậc ở tuổi dậy thì rất quan trọng trong việc xác định khối lượng xương khi trưởng thành. Ngược lại, quá trình mất xương tăng nhanh trong những năm đầu tiên sau mãn kinh do bộ xương thích nghi với tế bào chondrocytes phân chia nhanh chóng thêm các tế bào mới vào tấm tăng trưởng Tế bào chondrocytes trưởng thành mở rộng và tổng hợp ma trận Tế bào chondro phì đại vôi hóa ma trận của chúng

Nguyên bào xương xâm lấn sụn bị vôi hóa, để lại các thanh dọc của vật liệu làm khung để hình thành xương tiếp theo Hình 3 Tiếp tục phát triển theo chiều dọc ở đĩa tăng trưởng. 224 XƯƠNG giảm nồng độ estrogen. Nói chung, phụ nữ sau mãn kinh bị mất xương nhanh nhất có nồng độ hormone sinh dục nội sinh thấp nhất. Mặc dù vai trò tạo xương của oestrogen ở cấp độ tế bào vẫn chưa rõ ràng, nhưng những phát hiện gần đây cho thấy oestrogen có thể có ảnh hưởng trực tiếp đến các tế bào tạo xương.

Chú thích

  • Cytokine là các protein hay glycoprotein không phải kháng thể được sản xuất và phóng thích bởi các tế bào bạch cầu viêm và một số tế bào khác không phải bạch cầu. Các protein này hoạt động trong vai trò là các chất trung gian điều hòa giữa các tế bào trong cơ thể. Cytokine khác với các hormone kinh điển vì chúng được sản xuất bởi nhiều loại tổ chức khác nhau chứ không phải bởi các tuyến biệt hóa nào. Cytokine là các protein có trọng lượng phân tử thấp, thường từ 8 đến 30 kDa, trung bình khoảng 25 kDa
  • osteoid là phần hữu cơ không được tổng hợp hóa của chất nền xương hình thành trước khi mô xương trưởng thành . Nguyên bào xương bắt đầu quá trình hình thành mô xương bằng cách tiết ra chất tạo xương dưới dạng một số protein cụ thể . Khi chất tạo xương trở nên khoáng hóa , nó và các tế bào xương lân cận đã phát triển thành mô xương mới. Osteoid chiếm khoảng năm mươi phần trăm thể tích xương và bốn mươi phần trăm trọng lượng xương. Nó được cấu tạo từ sợi và chất nền . Loại chất xơ chủ yếu là collagen loại I và bao gồm 90% chất tạo xương. Chất nền chủ yếu được tạo thành từ chondroitin sulfat và osteocalcin .
  • Limb pud: Chồi chi hay chồi chân tay. Các chồi chân tay là một cấu trúc hình thành vào đầu năm có xương sống phát triển chi . Là kết quả của sự tương tác giữa ngoại bì và trung bì bên dưới , sự hình thành xảy ra vào khoảng tuần thứ tư của quá trình phát triển. Trong quá trình phát triển của phôi thai người, chồi chi trên xuất hiện vào tuần thứ ba và chồi chi dưới xuất hiện bốn ngày sau đó.

Thao khảo: https://en.wikipedia.org/wiki/Bone