Bez kostí by tvé tělo bylo jen kluzkým pytlem orgánů. Ale strnulé modely kostry, které jste viděli v hodinách přírodopisu (nebo jako halloweenskou výzdobu), vypovídají jen z poloviny. To proto, že „kostra dělá víc než jen to, že vás drží,“ vysvětluje Laura Tosiová Kosti jsou tvořeny živými, dýchajícími buňkami. A hrají celou řadu důležitých rolí, říká Tosiová, která vede Program zdraví kostí v Dětském národním lékařském centru ve Washingtonu, D.C.
Malé ušní kůstky vedou zvuky, které nám pomáhají slyšet. Kostní dřeň – měkká rosolovitá hmota, která vyplňuje dutý vnitřek dlouhých kostí v těle – produkuje červené i bílé krvinky. Bílé krvinky bojují proti infekcím, zatímco červené krvinky roznášejí kyslík po celém těle.
Pedagogové a rodiče, přihlaste se k odběru Šéfredaktora
Týdenní aktualizace, které vám pomohou používat Science News for Students ve výuce
A to je jen pro začátek. Vědci zjišťují, že kosti si překvapivým způsobem „povídají“ s jinými částmi těla. Jak vědci odhalují tajemství kostry, nacházejí vodítka, která jim mohou pomoci léčit nemoci a dokonce pěstovat náhradní kosti.
Buňky zvané osteoblasty (šedé kapky tvořící ovál) vytvářejí novou kostní tkáň. Robert M. Hunt/Wikimedia Commons
Posádka kostry
Kostra, která dává vašemu tělu tvar, má překvapivě hodně práce. „Kost je velmi dynamický orgán,“ poznamenává Mark Johnson. Je biochemikem na University of Missouri-Kansas City.
Kostra těla se neustále mění. V procesu zvaném remodelace se stará kost odbourává, aby ji mohla nahradit nová. Během dětství tento proces umožňuje kostem růst a měnit tvar. U dospělých remodelace pomáhá napravovat poškození a zabraňuje křehnutí kostí.
Buňky zvané osteoklasty odbourávají starou kost procesem zvaným resorpce. Jiné buňky zvané osteoblasty se starají o tvorbu nové kosti. Většina kostních buněk však patří ke třetímu typu. Nazývají se osteocyty a říkají osteoblastům a osteoklastům, co mají dělat. „Pokud si přestavbu představíte jako symfonii, osteocyty jsou dirigentem,“ vysvětluje Johnson.
V dětství a rané dospělosti tělo vytváří více nové kosti, než jí odebírá. To znamená, že hmotnost – neboli množství kosti – se zvyšuje. Je samozřejmě těžké měřit hmotnost kostí, když jim v cestě stojí ostatní tělesné tkáně. Proto lékaři odhadují pevnost kostí měřením hustoty tvrdého minerálu, který je nabalen na úseku kosti. Čím větší je hustota kosti, tím silnější je kostra.
Buňky zvané osteocyty, jedna z nich je zde zobrazena, fungují jako dirigenti v symfonii a dávají ostatním kostním buňkám pokyny, co mají dělat. Wikimedia Commons
K vybudování většího množství kostí potřebují buňky určité stavební kameny. Jeden z nich je obzvláště důležitý: vápník. Silné kosti závisí na tomto minerálu, který se nachází v mléčných výrobcích a mnoha druzích zeleniny. Kosti také slouží jako tělesná zásobárna vápníku, který se využívá na spoustě míst. Vápník například pohání chemické reakce, které umožňují tlukot srdce. Pokud strava nedodává dostatek vápníku, tělo si tento minerál z kostry ukradne. To může oslabit kosti.
Je také těžké mít zdravé kosti bez dostatku vitaminu D. Ten pomáhá tělu vstřebávat vápník. Mnoho lidí má však příliš málo vitaminu D. V důsledku toho mohou být jejich kosti tenké a deformované.
Pokud však jde o budování kostí, „nejdůležitější je pohyb,“ řekl Tosi pro Science News for Students. Pro zvýšení kostní hmoty jsou skvělá zátěžová cvičení, jako je chůze, běh, skákání a zvedání činek. Cvičení má takový význam, že profesionální tenisté mají skutečně silnější kosti v paži, kterou používají k švihání raketou.
Cvičení pravděpodobně posiluje kosti několika způsoby, říká Johnson. Cvičení se zátěží způsobuje nepatrné poškození kostí. Osteoblasty reagují tím, že ukládají novou kost, aby poškození napravily. Je to jako dláždění výmolů na hrbolaté silnici. Výsledkem této opravy jsou hustší a pevnější kosti.
Kosti, zobrazené na rentgenovém snímku, vypadají bíle díky vápníku, který obsahují. Asja/Flickr
Konverzace mezi kostmi a svaly
Překrývání drobných poškození však vysvětluje jen část přínosu cvičení pro kosti. V posledních několika letech Johnsonův tým ukázal, že cesta k silnějším kostem je mnohem složitější. Dříve vědci hledali odpovědi pouze v kostech, řekl. Jak se však ukazuje, k chování kostí mají co říci i svaly.
Johnsonův tým, stejně jako vědci v dalších laboratořích, objevil signalizaci – druh chemického štěbetání – která probíhá mezi oběma typy tkání. Zdá se, že kosti vysílají signály, které ovlivňují způsob, jakým pracují svaly. Svaly zase vysílají signály, které mění způsob práce kostních buněk.
Svaly vytvářejí molekuly, které ovlivňují činnost osteocytů – vodičů – zjistil Johnsonův tým. (Molekula je skupina atomů držená pohromadě chemickými vazbami. Molekuly tvoří všechno, od buněk v těle přes stavební kameny plastů až po plyny v zemské atmosféře.“
Johnson předpokládá, že svaly vytvářejí mnoho molekul, které ovlivňují kosti. Pracuje na jejich identifikaci a na tom, jaké zprávy vysílají do kostí. Pokud se mu to podaří, bude možná jednoho dne možné identifikovat léky nebo jiné léčebné postupy, které tyto zprávy zesílí. To by například mohlo lékařům umožnit nasměrovat osteoblasty, aby vytvářely více nových kostí. To by mohlo posílit celou kostru.
Taková léčba by mohla pomoci posílit slabé a křehké kosti. Toto onemocnění, nazývané osteoporóza, postihuje mnoho starších lidí a může vést ke snadnému lámání kostí.
Tento výzkum by však mohl pomoci i mladším lidem, kteří trpí nemocemi, které kosti oslabují nebo poškozují. Jedním z příkladů je onemocnění křehkých kostí. Jak název napovídá, lidé, kteří se s touto poruchou narodili, mají křehké kosti, které se snadno lámou. V současné době neexistuje žádný lék.
Osteoporóza je onemocnění, které způsobuje shrbené držení těla, ztrátu výšky a tenké, slabé kosti, které se snadno lámou. Šipky označují růst kostí (vlevo) versus jejich smršťování (vpravo). Wikimedia Commons
Výstavba kostí mimo tělo
Schopnost dát tělu pokyn k posílení kostí by mohla pomoci lidem s řadou kosterních poruch. Někdy by však bylo ještě lepší vybudovat nové kosti od základu. Právě na tom pracují vědci z Kolumbijské univerzity v New Yorku.
Jednou z motivací je pomoc lidem s Treacherovým Collinsovým syndromem. Toto onemocnění způsobuje abnormální růst kostí v obličeji. Lidé, kteří se s tímto syndromem narodí, mají tendenci mít malé nebo chybějící lícní kosti. To dává jejich tváři povislý vzhled.
Lékaři mohou tyto deformované kosti nahradit nebo chybějící kosti doplnit chirurgickým zákrokem. To vyžaduje odebrání kostí z jiných částí těla. Chirurgové mohou například vyříznout kus kyčelní kosti. Poté, co ji vytvarují do podoby, která připomíná lícní kost, ji implantují do obličeje.
Tento postup však není ideální. Za prvé to poškozuje kyčelní kloub. Vypůjčenou kost lze také obtížně vytvarovat do dokonalé podoby tváře nebo čelisti.
Tým Kolumbijské univerzity proto pěstuje náhradní kost v laboratoři. Nejprve vytvoří lešení neboli kostru z hovězí kosti, která byla zbavena živých buněk. Vyřežou lešení tak, aby mělo tvar normální, zdravé verze kosti, kterou chtějí nahradit nebo doplnit. Poté z těla pacienta odeberou kmenové buňky.
Kmenové buňky jsou zvláštní tím, že mohou dozrát v mnoho různých typů buněk, včetně kostních. Kolumbijský tým získává kmenové buňky z tuku odebraného pacientovi. Tyto buňky nanesou na scaffold a poté jim dodají živiny, které potřebují k tomu, aby z nich vyrostly kostní buňky. Po několika týdnech chirurgové implantují kostní lešení do obličeje pacienta.
Tam bude nová kost nadále vrůstat do implantátu. Časem nová kost zcela pohltí lešení. Nakonec zůstanou pouze kostní buňky pacienta, řekl Sarindr Bhumiratana v rozhovoru pro Science News for Students. Je biomedicínským inženýrem a na Kolumbijské univerzitě je jedním z výzkumníků, kteří pracují na projektu vývoje kosti.
Francis Smith se narodil s Treacher Collinsovým syndromem, onemocněním, které postihuje kosti a tkáně obličeje. Na obrázku vpravo je zachycen v roce 1978 ve věku dvou let, ještě předtím, než podstoupil jakoukoli operaci. Vlevo: Smith, jak vypadá dnes, po více než 20 operacích obličeje. Nyní je vědcem studujícím kraniofaciální vědy na univerzitě v Calgary v Kanadě. Francis Smith
Tito vědci zatím pěstovali a implantovali kosti pouze prasatům. Brzy však plánují tuto techniku vyzkoušet na lidech.
V nepříliš vzdálené budoucnosti by si lidé s deformacemi obličeje mohli nechat vytvořit nové čelistní nebo lícní kosti od základu. „Věda budoucnosti je vzrušující,“ řekl Bhumiratana, „a bude to zábava.“
Johnson, Bhumiratana a jejich kolegové pracují na tom, aby z kostí vydolovali ještě další tajemství. Doufají, že tyto kostlivce budou moci brzy vypustit ze skříně.
Power Words
biomedicínský inženýr Odborník, který využívá vědu a matematiku k hledání řešení problémů v biologii a medicíně. Může například vytvářet lékařské přístroje, jako jsou umělá kolena, nebo hledat nové způsoby výroby tkání pro použití v těle.
kostní dřeň Měkká, tuková látka uvnitř kostí, která produkuje krevní buňky.
Vědci na Kolumbijské univerzitě pěstují vlastní kosti v šedě zbarvených nádržích uprostřed. Čerpadlo (vlevo) napouští kostní buňky speciálními tekutinami a živinami (červeně zbarvená tekutina, vpravo), které jim pomáhají růst. Sarindr Bhumiratana
hmotnost kostí Hmotnost kostry.
hustota kostních minerálů Míra množství vápníku a dalších minerálů nabalených na segment kosti.
nemoc křehkých kostí Genetická porucha přítomná od narození, která způsobuje slabé, křehké kosti; časnou ztrátu sluchu a malý vzrůst. Předpokládá se, že postihuje 25 000 až 50 000 Američanů. Příznaky mohou být od mírných až po potenciálně smrtelné.
vápník Chemický prvek, který potřebuje většina organismů ke svému růstu.
molekula Elektricky neutrální skupina atomů, která představuje nejmenší možné množství chemické sloučeniny. Molekuly mohou být tvořeny jednotlivými typy atomů nebo různými typy. Například kyslík ve vzduchu je tvořen dvěma atomy kyslíku (O2), ale voda je tvořena dvěma atomy vodíku a jedním atomem kyslíku (H2O).
osteoblast Buňky, které syntetizují novou kostní tkáň.
osteoklast Buňky, které rozkládají a odstraňují starou kostní tkáň.
osteocyt Nejběžnější typ kostní buňky. Řídí činnost osteoblastů a osteoklastů.
osteoporóza Stav, který způsobuje slabé, křehké kosti, které se snadno lámou.
kmenová buňka „Prázdná buňka“, která může dát vzniknout jiným typům buněk v těle. Kmenové buňky hrají důležitou roli při regeneraci a opravě tkání.
tkáň Jakýkoli z odlišných typů materiálu složeného z buněk, z nichž se skládají živočichové, rostliny nebo houby.
Treacherův Collinsův syndrom Genetické onemocnění, které postihuje vývoj kostí a dalších tkání obličeje. Syndrom postihuje odhadem jednoho z 50 000 lidí a způsobuje deformace obličeje a někdy i ztrátu sluchu a rozštěp patra.
vitamín D Nazývá se sluneční vitamín, kůže si tuto chemickou látku vytváří po vystavení určitým ultrafialovým vlnovým délkám slunečního záření. Forma vytvořená v kůži není aktivní, ale jedná se spíše o prekurzorovou formu, která může být uložena do doby, než bude potřeba, v tělesném tuku. Aktivní forma tohoto vitaminu je hormon, který pomáhá kostem přijímat vápník. Aktivní forma hraje také roli v boji proti mnoha typům chronických onemocnění, od úbytku svalové hmoty a cukrovky až po některé typy rakoviny a onemocnění dásní. Lidé, kteří netráví mnoho času venku nebo kteří se při pobytu venku natírají opalovacím krémem, si nemusí vytvořit ideální množství vitaminu D. Na tento vitamin je také přirozeně bohatých jen málo potravin. Výrobci proto obohacují vitamínem D některé běžně konzumované potraviny, zejména mléko a některé pomerančové šťávy.
