Rodzaje tworzenia kości
Kość powstaje w zarodku na dwa ogólne sposoby. W przypadku większości kości ogólny kształt jest najpierw określany jako model chrząstki, który następnie jest stopniowo zastępowany kością (tworzenie kości śródchrzęstnej). Kilka kości (takich jak obojczyk i kalwarium) rozwija się w skondensowanym obszarze tkanki włóknistej bez chrzęstnego związku pośredniego (tworzenie kości błonowej). W długich kościach kołnierz gąbczastej kości błonowej jest najpierw układany w tkankach włóknistych otaczających chrzęstny model trzonu. Jednocześnie chrząstka głęboko do tego kołnierza zaczyna się degenerować i zwapniać. Kość jest następnie penetrowana przez naczynia krwionośne, które wyrastają do modelu zwyrodnieniowego i usuwają zwapnioną chrząstkę zamkniętą w kołnierzu. Inwazja naczyniowa przebiega w kierunku obu końców modelu równolegle z ciągłym rozszerzaniem kostnego kołnierza. Pozostawia to strukturę składającą się z dwóch chrzęstnych nasad na końcach wydrążonego kostnego trzonu.
Wzrost od tego momentu odbywa się na dwa sposoby. Promieniowy wzrost zachodzi przez osadzanie się nowej kości na powierzchni okostnej i z grubsza równoważną resorpcję na powierzchni okostnej. Wzrost podłużny obejmuje zastąpienie chrząstki kością od strony wału płytki wzrostowej, w tempie ściśle dopasowanym do szybkości produkcji nowej chrząstki przez samą płytkę. Płytka wzrostowa składa się z wysoce uporządkowanych rzędów komórek chrząstki; rząd najbardziej oddalony od trzonu kości jest warstwą podstawną lub zarodkową, odpowiedzialną za replikację komórek i wzrost chrząstki. Złożona sekwencja wzrostu podłużnego składa się z degeneracji komórek chrząstki najdalej od warstwy zarodkowej, zwapnienia chrząstki w tym obszarze, osadzania się na niej cienkiej warstwy prawdziwej kości (pierwotna gąbczasta), a na koniec resorpcji osteoklastycznej w celu rozszerzenia jamy rdzeniastej równolegle z podłużnym wzrostem i przekształceniem konturu wału.
Ten proces wzrostu chrząstki, zwyrodnienia, zwapnienia i ostatecznego zastąpienia przez kości jest odpowiedzialny za większość wzrostu długości u kręgowców. Najpierw zaczyna się w zarodku i trwa do pełnej dojrzałości szkieletu, kiedy u większości gatunków płytki wzrostu łączą się i znikają.
Pojawienie się centrów kostnienia nasady i ich ostateczne połączenie, które można wykryć za pomocą zwykłych promieni rentgenowskich, zwykle przebiega zgodnie z uporządkowaną i przewidywalną sekwencją, która ma wielką wartość w ocenie zaburzeń wzrostu i rozwoju. Ze względu na skomplikowaną interakcję kilku elementów tkanek w procesie kostnienia śródchrzęstnego obszar przynasadowy kości jest siedliskiem lub w znacznym stopniu odzwierciedla wiele odżywczych lub metabolicznych zaburzeń wzrostu. Przykłady zaburzeń związanych z tym mechanizmem wzrostu obejmują krzywicę i karłowatość achondroplastyczną.
Fizjologia kości
Równowaga wapnia i fosforanów
Równie ważna jak właściwości strukturalne kości jest rola kości w utrzymaniu składu jonowego krwi i płynów śródmiąższowych organizmu. Wszystkie kręgowce posiadające prawdziwą kość wykazują stężenie jonów wapnia w płynie ustrojowym około 50 mg na litr (1,25 milimola) i stężenie fosforu w zakresie 30–100 mg na litr (1–3 milimole). Poziomy te, szczególnie wapnia, są niezwykle ważne dla utrzymania normalnej funkcji nerwowo-mięśniowej, transmisji międzyneuronalnej, integralności i przepuszczalności błon komórkowych oraz krzepnięcia krwi. Sztywna stałość, z jaką utrzymuje się poziom wapnia, zarówno u osobnika, jak i we wszystkich wyższych klasach kręgowców, świadczy o biologicznym znaczeniu takiej regulacji. Około 99 procent całkowitego wapnia w organizmie i 85 procent całkowitego fosforu w ciele znajduje się w mineralnych złożach kości; tak więc kość jest w stanie ilościowo pośredniczyć w dostosowaniu stężenia tych dwóch jonów w krążących płynach ustrojowych. Takie korekty zapewniają trzy hormonalne pętle kontrolne (systemy kontroli ze sprzężeniem zwrotnym) i co najmniej trzy mechanizmy działające lokalnie. Pętle hormonalne obejmują hormon przytarczyc (PTH), kalcytoninę (CT) i witaminę D i dotyczą wyłącznie regulacji stężenia jonów wapnia i jonów fosforu.
PTH i witamina D działają w celu podniesienia poziomu zjonizowanego wapnia w płynach ustrojowych, a CT (z ciała ultimobranchialnego lub komórek C tarczycy) działa na ich obniżenie. Wydzielanie każdego hormonu jest kontrolowane przez poziom jonów wapnia we krwi krążącej. Przy normalnym stężeniu wapnia poziom wydzielania wszystkich trzech hormonów jest niski. Kiedy poziom zjonizowanego wapnia we krwi spada, następuje niemal natychmiastowy wzrost syntezy i wydzielania PTH. PTH ma trzy główne działania w utrzymywaniu stężenia wapnia we krwi. Bezpośrednio stymuluje nerki w celu zwiększenia reabsorpcji kanalikowej wapnia z ultrafiltratu, który w przeciwnym razie zostałby wydalony z moczem. Stymuluje również nerkę do aktywacji głównej krążącej postaci witaminy D w osoczu. Calcitrial wchodzi do krążenia i dociera do jelita cienkiego, gdzie działa na rzecz zwiększenia wydajności absorpcji wapnia z diety w krwiobiegu.
PTH i kalcytrialne mogą również stymulować osteoblasty do wytwarzania czynnika różnicowania osteoklastów (ODF). Osteoblasty, które mają ODF na swoich powierzchniach, mogą oddziaływać z komórkami prekursorowymi osteoklastów (monocytów), aby skłonić je do dojrzałych osteoklastów. Osteoklasty z kolei uwalniają kwas solny i enzymy do zmineralizowanej kości oraz uwalniają wapń i fosfor do krążenia. Tak więc, gdy niedobór wapnia w diecie jest niewystarczający, aby zaspokoić zapotrzebowanie organizmu na wapń, zarówno PTH, jak i kalcyt działają wspólnie na osteoblasty w celu rekrutacji prekursorów osteoklastów, aby stać się dojrzałymi osteoklastami. Gdy zapotrzebowanie organizmu na wapń jest zaspokojone przez odpowiednie spożycie wapnia w diecie, zarówno PTH, jak i kalcyt działają na osteoblasty, zwiększając ich aktywność, co prowadzi do zwiększonego tworzenia kości i mineralizacji. Kalcytonina jest jedynym hormonem, który oddziałuje bezpośrednio na osteoklasty, które mają na to receptor. Zmniejsza dojrzałą aktywność osteoklastyczną, tym samym hamując ich funkcję.
PTH i kalcyt są również ważne w utrzymywaniu poziomu fosforu w surowicy. PTH zaburza wchłanianie zwrotne fosforu przez kanaliki nerkowe, powodując zwiększone wydalanie fosforu przez nerki. Mechanizm ten, który służy do obniżenia poziomu fosforu we krwi, jest znaczący, ponieważ wysokie poziomy fosforanów hamują, a niskie poziomy wzmacniają reabsorpcję osteoklastyczną. Sam jon wapnia ma podobny wpływ na proces osteoklastyczny: wysokie poziomy hamują, a niskie poziomy wzmacniają działanie czynników działających układowo, takich jak PTH. Z drugiej strony PTH stymuluje produkcję kalcytu, co z kolei stymuluje jelito cienkie, aby zwiększyć jego skuteczność w przyswajaniu fosforu z diety.
Niedobór witaminy D powoduje słabą mineralizację szkieletu, powodując krzywicę u dzieci i osteomalację u dorosłych. Wady mineralizacji wynikają ze zmniejszenia wydajności wchłaniania wapnia w jelitach, co powoduje zmniejszenie stężenia zjonizowanego wapnia we krwi. Powoduje to wzrost PTH w krążeniu, co zwiększa poziom wapnia w surowicy i obniża poziom fosforu w surowicy z powodu zwiększonego wydalania fosforu z moczem.
Dokładna funkcja kalcytoniny nie jest w pełni zrozumiała. Może jednak zrównoważyć podwyższenie wysokich poziomów jonów wapnia poprzez zmniejszenie aktywności osteoklastów, co powoduje zahamowanie wchłaniania kości.
