Organizm człowieka wytwarza w znacznych ilościach minerały, które są niezbędne do jego prawidłowego funkcjonowania. Szczególną i niedocenioną rolę odgrywają minerały fosforanowe stanowiące główny element układu kostnego. Wytworzone przez tkanki biologiczne w sposób naturalny, stanowią najważniejszy dla organizmu magazyn pierwiastków. Minerały te zawierają głównie wapń i fosfor, ale w niewielkich ilościach występują w nich również: magnez, stront, bar, fluor, ołów, cynk, żelazo i inne. Na kontakcie tych minerałów i otaczającego je biologicznie czynnego środowiska istnieje równowaga chemiczna. W stanach chorobowych, a także w innych momentach życia równowaga ta może zostać zaburzona. Oznacza to, że pierwiastki z tkanek biologicznych wydzielają się, tworząc minerały kostne, natomiast przy zmianie warunków fizykochemicznych minerały te ulegają rozpuszczeniu, a uwolnione w ten sposób pierwiastki wnikają do tkanek biologicznych (Szymański et al. 1991; Pawlikowski & Pfitzner 1999; Pawlikowski & Niedźwiedzki 2002). Zjawiska te sprowadzają się do reakcji chemicznych zachodzących w określonych warunkach potencjału oksydacyjno-redukcyjnego Eh i stężenia jonów wodorowych pH (Szymański et al. 1991).
Układ kostny pełni funkcję elementu nośnego tkanek miękkich oraz chroniącego delikatne narządy (płuca, mózg). Ponadto stanowi rolę magazynu pierwiastków. Warunki fizyko-chemiczne panujące w tkankach organizmu ludzkiego sprzyjają tworzeniu się różnego rodzaju faz krystalicznych.
Krystalizacja substancji mineralnych w tkankach może być wynikiem normalnych procesów biologicznych lub skutkiem zaburzeń patologicznych (Pawlikowski 1993). Jako główny czynnik inicjujący krystalizację apatytu w organizmie, uważa się zdefektowany strukturalnie kolagen, wchodzący w skład chrząstek i tkanki łącznej.
Badania nad strukturą białkową kolagenu potwierdziły fakt, iż kolagen może mieć miejscami strukturę krystaliczną (Szymański et al. 1991). Wynika z nich także, że kolagen może inicjować łączenie jonów fosforu i wapnia w formę krystalitów. Szczególnie korzystnym miejscem nukleacji kryształów apatytu w tkance łącznej okazały się przestrzenie pomiędzy włóknami kolagenu (Szymański et al. 1991).
Bardzo ważne zjawisko opisał Neuman, który wykazał, że płyny ustrojowe mogą zawierać nadmiar fosforanów. Jego zdaniem dzieje się tak wtedy, gdy następuje oddzielenie płynów zewnątrz- i wewnątrzkomórkowych błonami biologicznymi, co niesie ze sobą zróżnicowanie stężeń jonów Ca i P w różnych tkankach. Fosforany są również
Dyskusja i podsumowanie wyników
łatwo przechwytywane przez ładunki elektrostatyczne występujące na powierzchni włókien kolagenowych (Szymański et al. 1991).
Innym, bardzo ważnym czynnikiem odgrywającym rolę w formowaniu kryształów apatytu są mitochondria komórkowe. Pobraniu wapnia przez mitochondria towarzyszy pobranie fosforu z njabliższego otoczenia (Szymański et al. 1991). Doprowadza to w konsekwencji do powstania nieorganicznych i niekrystalicznych związków wapnia i fosforu. W związkach tych stosunek Ca/P jest bardzo zbliżony do tego, jaki występuje w apatycie kostnym. W tych warunkach mikrokryształki apatytu formują się najpierw w mitochondriach, następnie w mikroinkluzjach oraz w dużych obszarach cytoplazmy (Szymański et al. 1991).
Gospodarka fosforowo-wapniowa organizmu człowieka związana jest bezpośrednio z poziomem witaminy D oraz działalnością tarczycy i przytarczyc produkujących hormony: kalcytoninę i parathormon (Popovitzer et al. 1974; Szymański et al. 1991). Istotne są również zawartości wapnia i fosforu we krwi oraz płynach międzykomórkowych (Szymański et al. 1991). W gospodarce tej wapń i fosfor są dostarczane do kości, ale mogą być również pobierane z kości np. w stanach chorobowych (Szymański et al. 1991).
Zawartość fosforu w organizmie człowieka stanowi około 1% całkowitej masy ciała, z czego 85% umiejscowione jest w kościach, a pozostała ilość w tkankach miękkich. Całkowita zawartość wapnia w ustroju człowieka wynosi około 1000 g, z czego 99% umiejscowione jest w kościach, a 1% w płynie pozakomórkowym i tkankach miękkich (Marcinowska – Suchowierska et al. 1998). Dorosły człowiek powinien dostarczać organizmowi od 0,8 g do 1,2 g wapnia dziennie (Norman 1979; Szymański et al. 1991), natomiast zapotrzebowanie na fosfor jest nieco mniejsze i wynosi około 0,9 g dziennie (Szymański et al. 1991). Nawet niewielkie wahania zawartości tych pierwiastków mogą powodować zaburzenia w funkcjonowaniu całego organizmu. Nieprawidłowości te mogą wynikać głównie ze złej diety (zbyt uboga lub zbyt bogata w Ca i P) (Krawitt 1973; Szymański et al. 1991), ale również mogą być związane z poziomem witaminy D. Ponadto gospodarka wapniowo-fosforowa organizmu człowieka może ulec zaburzeniu w wyniku schorzeń tarczycy i przytarczyc, a także w związku z procesem starzenia się organizmu, który jest przyczyną zrzeszotnienia kości (osteoporozy) polegającego na jego demineralizacji (Szymański et al. 1991).
Odpowiednia podaż wapnia i witaminy D w diecie jest podstawą rozwoju i prawidłowego funkcjonowania szkieletu. Ponadto powoduje zminimalizowanie utraty Ca
Dyskusja i podsumowanie wyników
z kości w okresie starzenia się organizmu, zmniejszając tym samym ryzyko wystąpienia złamań (Badurski et al. 2011).
Witamina D zmniejsza ryzyko złamań, działając na kość nie tylko przez regulację gospodarki wapniowo-fosforanowej i bezpośredni wpływ na osteoblasty, ale również przez komórki mięśniowe i nerwowe, przez co zmniejszone jest ryzyko upadku (Van Schoor et al. 2008; Bischoff-Ferrari 2010; Badurski et al. 2011). Odpowiednia podaż wapnia jest niezbędna do prawidłowej mineralizacji kości oraz przyczynia się do utrzymania optymalnej masy kostnej (Badurski et al. 2011). W kościach wapń jest odkładany w postaci soli wapniowo-fosforanowych (hydroksyapatytów). Zmniejszenie masy kostnej, przy jednoczesnym zachowaniu proporcji pomiędzy częścią mineralną a matrycą kości, stanowi istotę osteoporozy. Niedobór wapnia wydaje się być główną przyczyną tej choroby (Marcinowska – Suchowierska et al. 1999).
Zjawisko osteoporozy jest następstwem wcześniejszych zjawisk mineralizacji kości, które mają miejsce w okresie wzrostu organizmu. Proces mineralizacji kolagenu kostnego zmienia w kościach proporcje pomiędzy tkankami biologicznymi a apatytem kostnym na korzyść apatytu. W ten sposób zwiększa się udział apatytu, a zmniejsza komórek kostnych i innych elementów biologicznych. Komórki kostne mają zdecydowanie utrudnione warunki funkcjonowania, a przede wszystkim utrudniony kontakt z układem krwionośnym, który utrzymuje je przy życiu. Z jednej strony odżywianie komórek kostnych jest trudniejsze, a z drugiej zaś dochodzi do zmniejszenia tempa odprowadzania produktów metabolizmu komórek kostnych. Warunki fizyko-chemiczne, panujące w rejonie komórek kostnych sprawiają, że apatyt wykrystalizowany na włóknach kolagenowych jest chemicznie niestabilny i zaczyna się rozpuszczać. Doprowadza to do niszczenia wiązań kolagen – apatyt. Skutkiem tego zjawiska jest nie tylko rozpuszczanie apatytu, ale również niszczenie włókien kolagenowych, co w konsekwencji prowadzi do rozwoju osteoporozy (Szymański et al. 1991, Pawlikowski 2001, Pawlikowski & Niedźwiedzki 2002, Pawlikowski 2005).
Przeprowadzone badanie densytometryczne plastrów głów kości udowej wskazuje, że badany materiał objęty jest zjawiskiem osteoporozy (Bieniek et al. 2010, 2011a, 2011b). Potwierdza to wskaźnik T-score, który jest kryterium rozpoznawania tej choroby. T-score w badanym materiale waha się od -9,6 do – 2,5 i informuje, że materiał objęty jest procesem na pograniczu osteopenii i osteoporozy do silnie zaawansowanej osteoporozy. Uzyskane podczas badania densytometrycznego wyniki BMD wahają się od 0,067 g/cm2
Dyskusja i podsumowanie wyników
Tabela 7.1.1. Zestawienie wyników badania densytometrycznego
badanych głów kości udowej.
Region Wiek Powierzchnia
(cm2) BMC(g) BMD (g/cm2) T-score 1m4A 30 0,56 0,08 0,140 -7,9 1m3A 30 0,62 0,27 0,437 -6,1 1m3B 30 0,77 0,07 0,088 -9,6 2m3A 45 1,19 0,72 0,603 -4,5 2m3B 45 0,93 0,11 0,116 -9,4 2m2A 45 0,60 0,44 0,736 -2,5 3m3A 48 0,53 0,10 0,193 -8,3 3m3B 48 1,21 0,54 0,449 -6,3 4m3B 50 2,39 1,09 0,455 -5,8 5m4A 56 0,59 0,04 0,067 -8,6 5m4B 56 1,15 0,43 0,377 -6,5 5m3A 56 2,33 0,78 0,336 -7,0 5m3B 56 1,85 0,18 0,095 -9,5 5m2A 56 2,49 1,11 0,447 -5,1 5m2B 56 2,64 0,22 0,083 -9,2 6m5A 58 1,37 0,16 0,113 -9,0 6m5B 58 1,57 0,88 0,561 -5,3 6m2A 58 2,04 0,95 0,465 -4,9 6m2B 58 2,07 0,53 0,255 -7,6 7m3A 59 0,45 0,05 0,103 -9,1 7m3B 59 0,50 0,19 0,383 -6,9 8m2A 64 1,82 0,29 0,160 -8,6 8m2B 64 1,50 0,82 0,547 -5,4 9m3A 68 0,93 0,43 0,465 -4,9 9m3B 68 1,92 0,30 0,155 -8,5
* BMC – zawartość mineralna kości * BMD – gęstość mineralna kości
Badanie densytometryczne wskazuje również, że osteoporoza nie rozwija się jednolicie w głowach kości udowej. Dodatkowo wykonane badanie DEXA, obejmujące miejsca o najmniejszej i największej gęstości mineralnej kości (BMD) potwierdza, że w badanych plastrach występują miejsca o różnych wartościach wskaźnika T-score.
Obraz badanych plastrów głowy kości udowej, uzyskany podczas badania densytometrycznego, umożliwił stworzenie przestrzennego modelu przedstawiającego rozmieszczenie osteoporozy w badanej głowie kości udowej.
Analizując model, można zauważyć, że najsilniej zaawansowana osteoporoza rozwija się głównie na brzegach głowy kości udowej i obejmuje coraz to większe powierzchnie w kierunku szyjki kości udowej (Bieniek et al. 2011a, 2011b). Zjawisko to może być spowodowane występowaniem martwicy jałowej kości, która może doprowadzać do zaburzenia ukrwienia badanej części kości, a w konsekwencji do rozwoju osteoporozy. Innym, ważnym czynnikiem rozwoju osteoporozy na brzegach głów kości udowej może
Dyskusja i podsumowanie wyników
być zniszczona chrząstka stawowa, do której migrują pierwiastki Ca i P, powodując tym samym rozwój omawianej choroby. Zarówno obserwacje densytometryczne rozwoju i rozmieszczenia osteoporozy, jak i nie załączone tutaj badania chrząstki analizowanych głów kości udowej, sugerują transfer Ca i P z kości bezpośrednio do otaczającej je chrząstki.
Przeprowadzone badania densytometryczne obejmowały pocięte na około 1 cm plastry głów kości udowej. Pozwoliło to na określenie dokładnej lokalizacji miejsc rozwoju osteoporozy badanych kości.
Należy zauważyć, że u pacjentów, którym wykonuje się wszczepienie endoprotezy badanie densytometryczne przeprowadzone jest dla całych głów, co daje mniej szczegółowe informacje o osteoporozie. Gdy mamy do czynienia z całą głową kości udowej bardziej wiarygodne wydaje się być badanie głowy kości udowej metodą przeprowadzonej warstwowo tomografii komputerowej. Pozwoliłaby ona na lepsze zobrazowanie zjawiska zrzeszotnienia kości, niż daje badanie densytometryczne całej, nie pociętej na plastry głowy kości udowej.
Badania mineralogiczne, w tym szlify mikroskopowe zostały wykonane w tych regionach plastrów głów kości udowej, gdzie badanie densytometryczne wskazywało na zaawansowaną osteoporozę. Obszary te charakteryzowały się skrajnymi wartościami gęstości mineralnej kości (BMD).
Badanie przy użyciu mikroskopu polaryzacyjnego pozwoliło na oszacowanie w tych miejscach grubości beleczek kostnych oraz przestrzeni międzybeleczkowych, czego nie można było wykonać podczas badania densytometrycznego. Ponadto mikroskop polaryzacyjny pozwolił na obserwację morfologii poszczególnych beleczek kostnych i przestrzeni międzybeleczkowych, jak również oszacowanie ich procentowego udziału w poszczególnych partiach głowy kości udowej. Analizując szlify mikroskopowe przy użyciu mikroskopu polaryzacyjnego, można zauważyć, że badane plastry kości różnią się wielkością beleczek kostnych oraz przestrzeni międzybeleczkowej. Średnie wymiary beleczek kostnych wahają się od 0,21 mm do 1,12 mm, natomiast średnie wymiary przestrzeni międzybeleczkowej mają od 0,26 mm do 1,05 mm (Tabela 7.1.2).
Wyliczony procentowy udział beleczek kostnych w badanych próbkach wynosi od 17% do 69%, a przestrzeni międzybeleczkowej od 21% do 83%. Dane zebrane podczas mineralogicznego badania głów kości udowej wskazują, że im bardziej zaawansowana jest w nich osteoporoza (wskaźnik T-score o niższej wartości), tym mniejsze wymiary mają
Dyskusja i podsumowanie wyników
informują również, że im mniejszy jest procentowy udział beleczek kostnych, tym mniejsze są ich średnie wymiary. Natomiast im większy procentowy udział przestrzeni międzybeleczkowej, tym większe są średnie wymiary przestrzeni międzybeleczkowej.
Tabela 7.1.2. Zestawienie danych uzyskanych podczas obserwacji szlifów mikroskopowych głów kości udowej.
Region Wiek Średnie wymiary przestrzeni międzybeleczkowej [mm] Średnie wymiary beleczek kostnych [mm] Udział procentowy przestrzeni międzybeleczkoych [%] Udział procentowy beleczek kostnych [%] 1m4A 30 1,00 0,21 76 24 1m3A 30 0,44 0,47 53 47 1m3B 30 0,57 0,34 60 40 2m3A 45 0,29 0,58 37 63 2m3B 45 0,26 0,78 21 79 2m2A 45 0,39 0,78 31 69 3m3A 48 0,84 0,39 74 26 3m3B 48 0,49 1,12 31 69 4m3B 50 0,77 0,43 54 46 5m4A 56 0,66 0,41 66 34 5m4B 56 1,05 0,23 83 17 5m3A 56 0,42 0,40 46 54 5m3B 56 0,91 0,32 75 25 5m2A 56 0,37 0,40 47 53 5m2B 56 0,60 0,23 83 17 6m5A 58 0,70 0,24 70 30 6m5B 58 0,28 0,63 38 62 6m2A 58 0,37 0,42 44 56 6m2B 58 0,45 0,36 55 45 7m3A 59 1,01 0,25 80 20 7m3B 59 0,71 0,26 71 29 8m2A 64 0,80 0,34 59 41 8m2B 64 0,36 0,69 35 65 9m3A 68 0,41 0,41 41 59 9m3B 68 0,58 0,24 75 25
Zastosowany w badaniach mikroskop skaningowy dzięki dużej głębi ostrości umożliwił obserwację morfologii badanych próbek, w tym samych beleczek kostnych. W analizowanych regionach, objętych osteoporozą, obserwowano nie tylko budowę beleczek kostnych oraz przestrzeni międzybeleczkowych, ale również budowę sieci włókien kolagenowych zmineralizowanych przez apatyt kostny.
Obserwując morfologię próbek, można zauważyć, że kryształy apatytu kostnego przyjmują niekiedy formę gruzełkową lub blaszkową. Mikrokryształki występujące w obrębie włókien kolagenowych, tworzą wraz z kolagenem beleczki kostne.
Przeprowadzone analizy chemiczne beleczek kostnych (w mikroobszarze – metodą EDS) wskazują na większe zawartości wapnia niż fosforu w badanych obszarach. Jednak
Dyskusja i podsumowanie wyników
na niektórych widmach energetycznych EDS intensywność piku pochodzącego od fosforu jest zbliżona, a niekiedy większa od intensywności piku pochodzącego od wapnia. Ponadto analizy chemiczne w systemie EDS wykazały śladowe ilości takich pierwiastków jak: sód, magnez oraz krzem w badanym materiale (Bieniek et al. 2011b). Sugeruje to nierównomierne odprowadzanie wapnia i fosforu z kości objętych osteoporozą.
Badania metodą rentgenowskiej analizy dyfrakcyjnej pozwoliły na identyfikację faz mineralnych występujących w badanych głowach kości udowej. Odległości międzypłaszczyznowe, które posłużyły do identyfikacji faz mineralnych występujących w próbkach, wskazują na obecność hydroksyapatytu węglanowego. Ponadto na dyfraktogramach rentgenowskich zostały zarejestrowane słabe piki pochodzące od fluorapatytu. Wielkość i szerokość pików na dyfraktogramach wskazują na różny stopień uporządkowania struktury wewnętrznej hydroksyapatytu węglanowego. Najsłabiej krystaliczny apatyt występuje w próbkach 2m4A, 7m2a oraz 7m2B. Pozostałe próbki charakteryzują się dość wysokim stopniem uporządkowania struktury wewnętrznej fazy mineralnej je budującej. Obserwowane niewielkie oscylacje parametrów dhkl w apatycie z poszczególnych kości, wskazują na niewielką zmienność parametrów jego sieci atomowej.
Przeprowadzone badania dały możliwość wnikliwej obserwacji i analizy zjawiska osteoporozy w badanym materiale. Zastosowana densytometria wskazała obszary o rożnej gęstości kości, które stały się podstawą dalszych badań. Ponadto badanie densytometryczne poszczególnych plastrów umożliwiło obserwację rozwoju i rozmieszczenia osteoporozy zarówno w samych plastrach kości, jak i całych głowach.
Przeprowadzone badania mineralogiczne dały więcej szczegółowych informacji dotyczących morfologii samych beleczek kostnych i przestrzeni między nimi, niż badania densytometryczne. Obserwacje przy pomocy mikroskopu polaryzacyjnego pozwoliły określić wielkość poszczególnych beleczek kostnych i przestrzeni międzybeleczkowej, a badanie przy użyciu mikroskopu skaningowego umożliwiło przy dużych powiększeniach obserwację włókien kolagenowych zmineralizowanych przez apatyt, czego nie można obserwować podczas badania densytometrycznego. Ponadto badania mineralogiczne wskazały, że obszary objęte osteoporozą zbudowane są nie tylko z mniejszej ilości beleczek kostnych, lecz także same beleczki są cieńsze i zubożone w Ca i P. Przeprowadzone badanie densytometryczne było podstawą rozpoznania obszarów głów kości udowej z osteoporozą, a badania mineralogiczne dotyczyły wnikliwej analizy zmian zachodzących w układzie kostnym człowieka.
Wnioski