Mechanostat
Mechanostat to termin opisujący sposób, w jaki obciążenie mechaniczne wpływa na strukturę kości poprzez zmianę masy (ilości kości) i architektury (jego rozmieszczenia), aby zapewnić strukturę, która jest odporna na zwykłe obciążenia przy ekonomicznej ilości materiału . Ponieważ zmiany w szkielecie dokonują się w procesach tworzenia ( wzrost kości ) i resorpcji (utrata kości), mechanostat modeluje wpływ tych procesów na szkielet poprzez ich komórki efektorowe, osteocyty, osteoblasty i osteoklasty. Termin ten został wymyślony przez Harolda Frosta : chirurg ortopeda i badacz obszernie opisany w artykułach odnoszących się do Frost i Webster Jee's Utah Paradigm of Skeletal Physiology w latach 60. Mechanostat jest często definiowany jako praktyczny opis prawa Wolffa opisanego przez Juliusa Wolffa (1836–1902), ale nie jest to do końca dokładne. Wolff napisał swoje traktaty o kości po tym, jak Culmann i von Meyer opisali obrazy przekrojów kości, którzy zasugerowali, że rozmieszczenie rozpórek ( beleczek ) na końcach kości było wyrównane z naprężeniami doświadczanymi przez kość. Od tego czasu ustalono, że metody statyczne użyte do tych obliczeń linii naprężeń były nieodpowiednie do pracy nad belkami, które były w rzeczywistości zakrzywionymi belkami, odkrycie opisane przez Lance'a Lanyona, czołowego badacza w tej dziedzinie, jako „triumf dobry pomysł na matematykę”. Podczas gdy Wolff zebrał prace Culmanna i von Meyera, to francuski naukowiec Roux jako pierwszy użył terminu „adaptacja funkcjonalna”, aby opisać sposób, w jaki szkielet zoptymalizował się pod kątem swojej funkcji, chociaż wielu przypisuje Wolffowi to.
Według Mechanostatu wzrost i utrata masy kostnej jest stymulowana przez miejscową, mechaniczną, sprężystą deformację kości. Przyczyną sprężystej deformacji kości są szczytowe siły powodowane przez mięśnie (np. mierzalne za pomocą mechanografii ). Adaptacja ( pętla kontroli sprzężenia zwrotnego ) kości zgodnie z maksymalnymi siłami jest uważana za proces trwający całe życie. W związku z tym kość dostosowuje swoje właściwości mechaniczne zgodnie z potrzebną funkcją mechaniczną: masą kostną, geometrią kości i wytrzymałością kości (patrz także Wskaźnik naprężenia i odkształcenia , SSI) dostosować do codziennego użytku/potrzeb. „Maksymalna siła” w tym kontekście jest uproszczeniem rzeczywistego wkładu do kości, który inicjuje zmiany adaptacyjne. Chociaż wielkość siły (na przykład ciężar ładunku) jest ważnym wyznacznikiem jej wpływu na szkielet, nie jest to jedyny czynnik. Szybkość przyłożenia siły jest również krytyczna. Powolne przyłożenie siły przez kilka sekund nie jest odbierane przez komórki kostne jako bodziec, ale są one wrażliwe na bardzo szybkie przyłożenie sił (takich jak uderzenia) nawet o mniejszej wielkości. Uważa się, że wibracje kości o wysokiej częstotliwości przy bardzo małych wartościach stymulują zmiany, ale badania w tej dziedzinie nie są całkowicie jednoznaczne. Oczywiste jest, że kości lepiej reagują na obciążenie/ćwiczenie z przerwami między poszczególnymi zdarzeniami, tak więc dwa obciążenia oddzielone dziesięciosekundową przerwą są silniejszymi bodźcami niż dziesięć obciążeń w ciągu tych samych dziesięciu sekund.
Dzięki tej pętli kontrolnej w zdrowym ciele istnieje liniowa zależność między polem przekroju mięśnia (jako zastępcą typowych maksymalnych sił, jakie mięsień jest w stanie wytworzyć w warunkach fizjologicznych) a polem przekroju kości (jako zastępcą kości wytrzymałość).
Relacje te mają ogromne znaczenie, zwłaszcza w stanach utraty masy kostnej, takich jak osteoporoza , ponieważ dostosowany trening wykorzystujący wymagane maksymalne siły działające na kość może być zastosowany do stymulacji wzrostu kości, a tym samym zapobiegania utracie masy kostnej lub pomagania w jej minimalizowaniu. Przykładem takiego efektywnego treningu jest trening wibracyjny lub wibracja całego ciała .
Modelowanie i przebudowy
Frost zdefiniował cztery obszary elastycznej deformacji kości, które mają różne konsekwencje dla pętli kontrolnej:
-
Nieużywanie: Odkształcenie < około 800μOdkształcenie: Przebudowa (adaptacja i naprawa kości) Masa i wytrzymałość kości są zmniejszone. -
Stan zaadaptowany: obciążenie od około 800 μOdkształcenie do około 1500μOdkształcenie: Przebudowa (naprawa kości) Masa i wytrzymałość kości pozostają stałe (homeostaza: resorpcja kości = tworzenie się kości). -
Przeciążenie: Odkształcenie > około 1500μOdkształcenie: Modelowanie (wzrost kości): masa kości i wytrzymałość kości są zwiększone. -
Złamanie: Odkształcenie > około 15000 μOdkształcenie: Przekroczono maksymalne odkształcenie sprężyste, powodując złamanie kości.
Zgodnie z tym typowa kość (np. piszczel ) ma margines bezpieczeństwa około 5 do 7 między typowym obciążeniem (od 2000 do 3000 μOdkształcenie) a obciążeniem złamania (około 15000 μOdkształcenie).
Powyższe komentarze są częścią tego, jak szkielet reaguje na obciążenie, ponieważ różne kości szkieletu mają szereg nawykowych środowisk naprężeń (obejmujących wielkość, tempo, częstotliwość, okresy odpoczynku itp.) i nie są one jednolite. Liczby w tabeli są tylko teoretyczne i mogą odzwierciedlać reakcję środka kości długiej w określonych okolicznościach. Inne części tej samej kości i inne kości tego samego osobnika doświadczają różnych obciążeń i dostosowują się do nich pomimo różnych progów między nieużywaniem, utrzymaniem i formowaniem adaptacyjnym. Ponadto struktura kości jest kontrolowana przez złożoną serię różnych czynników, takich jak poziom wapnia, wpływ hormonów, wiek, dieta, płeć, choroba i farmaceutyki. Kość doświadczająca tego, co w pewnych okolicznościach byłoby postrzegane jako bodziec do tworzenia większej ilości materiału, może albo być utrzymywana na stałym poziomie, przy niskim poziomie krążącego wapnia, albo to samo obciążenie może jedynie złagodzić stopień resorpcji doświadczanej u starszej osoby z kością - choroba wyniszczająca.
Jednostka: Szczep E
Sprężyste odkształcenie kości jest mierzone w µStrain . 1000μStrain = 0,1% zmiany długości kości.
- Odkształcenie E na długości l i zmiana długości Δ l :
Należy wziąć pod uwagę, że wytrzymałość kości w dużym stopniu zależy od geometrii i kierunku działania sił w stosunku do tej geometrii. Na przykład obciążenie złamania dla sił osiowych kości piszczelowej jest około 50 do 60 razy większe niż masa ciała. Obciążenie niszczące dla sił prostopadłych do kierunku osiowego jest około 10 razy mniejsze.
Różne typy kości mogą mieć różne progi modelowania i przebudowy. Próg modelowania piszczeli wynosi około 1500 µStrain (0,15% zmiany długości), podczas gdy próg modelowania części kości czaszki jest zupełnie inny. Niektóre części czaszki, takie jak dolna szczęka (żuchwa), doświadczają znacznych sił i naprężeń podczas żucia, ale kopuła czaszki musi pozostać mocna, aby chronić mózg, nawet jeśli nie doświadcza czegoś, co można by uznać za stymulujące naprężenia. W jednym badaniu, w którym zmierzono naprężenia w czaszce żywego człowieka, wykazano, że naprężenia w czaszce nigdy nie przekraczały 1/10 szczytowego naprężenia w kości piszczelowej tego samego osobnika, przy podobnych różnicach w szybkości odkształcania. Sugeruje to, że albo kości czaszki są bardzo wrażliwe na ekstremalnie niskie obciążenia, albo że „podstawowa genetyczna” ilość kości w czaszce w tym, co jest faktycznie nieużywane, nie jest modyfikowana przez skutki obciążenia. To, czy czaszki bokserów są grubsze niż u normalnych osobników, jest intrygującym pytaniem, na które nie ma odpowiedzi.
Ponieważ fizyczne, materiałowe właściwości kości nie ulegają zmianie w różnych typach kości ciała, ta różnica w progu modelowania skutkuje zwiększeniem masy kostnej i wytrzymałości kości, a tym samym zwiększeniem współczynnika bezpieczeństwa (zależność między obciążeniem złamania a typowymi obciążeniami) dla czaszki w porównaniu do kości piszczelowej. Niższy próg modelowania oznacza, że te same typowe codzienne siły skutkują „grubszą”, a tym samym mocniejszą kością czaszki.
Przykłady
Typowymi przykładami wpływu sił maksymalnych i wynikających z nich odkształceń sprężystych na wzrost lub ubytek kości są wydłużone loty astronautów i kosmonautów , a także pacjentów z paraplegią w wyniku wypadku. Wydłużone okresy swobodnego spadania nie prowadzą do utraty kości czaszki, co potwierdza pogląd, że jej kość jest utrzymywana przez wpływ genetyczny, a nie mechaniczny (kości czaszki często zwiększają się podczas długotrwałych lotów kosmicznych, co uważa się za związane z płyny w organizmie).
Pacjent z paraplegią na wózku inwalidzkim, który używa rąk, ale nie nóg, dozna znacznej utraty mięśni i kości tylko w nogach, z powodu braku używania nóg. Jednak mięśnie i kości ramion, które są używane na co dzień, pozostaną takie same, a nawet mogą wzrosnąć, w zależności od użytkowania.
Ten sam efekt można zaobserwować w przypadku długodystansowych astronautów lub kosmonautów. Podczas gdy nadal używają swoich ramion w prawie normalny sposób, z powodu braku grawitacji w przestrzeni nie ma maksymalnych sił indukowanych na kościach nóg. Na ziemi wieloletni gracze sportów rakietowych doświadczają podobnych efektów, gdzie dominująca ręka może mieć o 30% więcej kości niż druga z powodu asymetrycznego przyłożenia siły.
Harold Frost zastosował model Mechanostat nie tylko do tkanek szkieletowych, ale także do włóknistych, kolagenowych tkanek łącznych, takich jak więzadła, ścięgna i powięź. Opisał ich adaptacyjną reakcję na obciążenie w swojej „zasadzie przerostu rozciągania”:
- „Przerywane rozciąganie powoduje hipertrofię tkanek kolagenowych, aż wynikający z tego wzrost wytrzymałości zmniejsza wydłużenie w napięciu do pewnego minimalnego poziomu”.
Podobnie jak reaktywność tkanek kostnych, ta odpowiedź adaptacyjna pojawia się tylko wtedy, gdy obciążenie mechaniczne przekracza określoną wartość progową. Harold Frost zaproponował, że dla gęstych, kolagenowych tkanek łącznych powiązana wartość progowa wynosi około 4% wydłużenia odkształceniowego.
Literatura
Linki zewnętrzne
- ISMNI – Międzynarodowe Towarzystwo Interakcji Mięśniowo-Szkieletowych i Neuronowych