Bez kości twoje ciało byłoby śliskim workiem narządów. Ale sztywne modele szkieletu, które widziałeś w klasie naukowej (lub jako ozdoby na Halloween), to tylko połowa historii. To dlatego, że „szkielet robi coś więcej niż tylko utrzymuje cię na nogach”, wyjaśnia Laura Tosi Kości zbudowane są z żywych, oddychających komórek. I odgrywają wiele ważnych ról, mówi Tosi, która kieruje programem zdrowia kości w Children’s National Medical Center w Waszyngtonie.
Małe kości ucha przewodzą dźwięki, które pomagają nam słyszeć. Szpik kostny – miękka, galaretowata substancja, która wypełnia puste wnętrze kości długich ciała – produkuje komórki krwi, zarówno czerwone, jak i białe. Białe krwinki zwalczają infekcje, podczas gdy czerwone dostarczają tlen do całego organizmu.
Educators and Parents, Sign Up for The Cheat Sheet
Cotygodniowe aktualizacje, które pomogą Ci wykorzystać Science News for Students w środowisku nauczania
And that’s just for starters. Naukowcy odkrywają, że kości „rozmawiają” z innymi częściami ciała w zaskakujący sposób. W miarę jak naukowcy odkrywają tajemnice szkieletu, znajdują wskazówki, które mogą im pomóc w leczeniu chorób, a nawet w hodowaniu kości zastępczych.
Komórki zwane osteoblastami (szare plamy tworzące owal) tworzą nową tkankę kostną. Robert M. Hunt/Wikimedia Commons
Załoga szkieletu
Szkielet, który nadaje kształt Twojemu ciału, jest zaskakująco ruchliwy. „Kości to bardzo dynamiczny organ” – zauważa Mark Johnson. Jest on biochemikiem na Uniwersytecie Missouri-Kansas City.
Szkielet ciała zmienia się nieustannie. W procesie zwanym remodelingiem stara kość rozpada się, aby nowa mogła zająć jej miejsce. W dzieciństwie proces ten pozwala kościom rosnąć i zmieniać kształt. U osób dorosłych przebudowa pomaga naprawić uszkodzenia i zapobiega kruchości kości.
Komórki zwane osteoklastami rozkładają starą kość w procesie zwanym resorpcją. Inne komórki zwane osteoblastami zajmują się wytwarzaniem nowej kości. Jednak większość komórek kostnych należy do trzeciego typu. Nazywane osteocytami, mówią one osteoblastom i osteoklastom, co mają robić. „Jeśli pomyślisz o przebudowie jako symfonii, osteocyt jest dyrygentem”, wyjaśnia Johnson.
Przez dzieciństwo i wczesną dorosłość organizm wytwarza więcej nowej kości niż jej zabiera. Oznacza to, że masa – lub ilość kości – wzrasta. Oczywiście, trudno jest zmierzyć masę kości z resztą tkanek ciała w drodze. Lekarze oceniają więc wytrzymałość kości, mierząc gęstość twardego minerału upakowanego w danym fragmencie kości. Im większa gęstość kości, tym mocniejszy szkielet.
Komórki zwane osteocytami, jedna pokazana tutaj, działają jak dyrygenci w symfonii, instruując inne komórki kostne, co mają robić. Wikimedia Commons
Aby zbudować więcej kości, komórki potrzebują pewnych składników budulcowych. Szczególnie istotnym z nich jest wapń. Mocne kości zależą od tego minerału, który znajduje się w produktach mlecznych i wielu warzywach. Kości służą również jako magazyn wapnia w organizmie, który jest wykorzystywany w wielu miejscach. Na przykład, wapń napędza reakcję chemiczną, która umożliwia bicie serca. Kiedy dieta nie dostarcza wystarczającej ilości wapnia, organizm kradnie ten minerał z kośćca. To może osłabić kości.
Ciężko jest też mieć zdrowe kości bez wystarczającej ilości witaminy D. Pomaga ona organizmowi wchłaniać wapń. Ale wielu ludzi ma zbyt mało witaminy D. W rezultacie, ich kości mogą stać się cienkie i misshaped.
Jeśli chodzi o budowanie kości, chociaż, „ćwiczenia jest najważniejszą rzeczą”, Tosi powiedział Science News dla studentów. Ćwiczenia przenoszące ciężar ciała, takie jak chodzenie, bieganie, skakanie i podnoszenie ciężarów są świetne do zwiększania masy kostnej. Ćwiczenie robi taką różnicę, w rzeczywistości, że zawodowi tenisiści faktycznie mają mocniejsze kości w ramieniu, którego używają do wymachu rakietą.
Ćwiczenia prawdopodobnie wzmacniają kości na kilka sposobów, mówi Johnson. Ćwiczenia z obciążeniem powodują niewielkie uszkodzenia kości. Osteoblasty reagują układając nową kość, aby naprawić uszkodzenia. Przypomina to brukowanie wybojów na wyboistej drodze. Efektem tej naprawy są gęstsze, mocniejsze kości.
Kości, pokazane tutaj na zdjęciu rentgenowskim, wydają się białe z powodu zawartego w nich wapnia. Asja/Flickr
Rozmowy między kośćmi i mięśniami
Ale brukowanie drobnych uszkodzeń wyjaśnia tylko część korzyści, jakie ćwiczenia fizyczne przynoszą kościom. W ciągu ostatnich kilku lat zespół Johnsona wykazał, że droga do mocniejszych kości jest o wiele bardziej złożona. Naukowcy zwykli szukać odpowiedzi tylko w kościach, powiedział. Jak się jednak okazuje, mięśnie również mają coś do powiedzenia na temat zachowania kości.
Zespół Johnsona, jak również naukowcy w innych laboratoriach, odkryli sygnalizację – rodzaj chemicznej paplaniny – która toczy się między tymi dwoma rodzajami tkanek. Kości wydają się wysyłać sygnały, które wpływają na sposób pracy mięśni. Mięśnie z kolei wysyłają sygnały, które zmieniają sposób pracy komórek kostnych.
Mięśnie wytwarzają cząsteczki, które wpływają na działania osteocytów – przewodników – zespół Johnsona odkrył. (Cząsteczka to grupa atomów trzymanych razem przez wiązania chemiczne. Molekuły tworzą wszystko, od komórek w ciele i budulca tworzyw sztucznych po gazy w ziemskiej atmosferze.)
Johnson podejrzewa, że mięśnie wytwarzają wiele molekuł, które wpływają na kości. Pracuje nad ich identyfikacją i nad tym, jakie wiadomości wysyłają do kości. Jeśli mu się uda, pewnego dnia może być możliwe zidentyfikowanie leków lub innych metod leczenia, które zwiększają głośność tych wiadomości. To może dać lekarzom sposób na skierowanie osteoblastów do wytwarzania większej ilości nowej kości. To może wzmocnić cały szkielet.
Takie zabiegi mogą pomóc wzmocnić słabe i kruche kości. Stan ten, zwany osteoporozą, dotyka wielu starszych ludzi i może prowadzić do tego, że kości łatwo się łamią.
Ale badania te mogą również pomóc młodszym ludziom, którzy cierpią na choroby osłabiające lub uszkadzające kości. Jednym z przykładów jest choroba łamliwych kości. Jak sama nazwa wskazuje, ludzie urodzeni z tym zaburzeniem mają delikatne kości, które łatwo się łamią. W tej chwili nie istnieje żadne lekarstwo.
Osteoporoza to stan, który powoduje pochyloną postawę, utratę wysokości oraz cienkie, słabe kości, które łatwo się łamią. Strzałki wskazują na wzrost kości (po lewej) i kurczenie się kości (po prawej). Wikimedia Commons
Budowanie kości poza organizmem
Możliwość poinstruowania organizmu, aby wzmocnił swoje kości, mogłaby pomóc ludziom z wieloma zaburzeniami układu kostnego. Ale czasami budowanie nowych kości od podstaw byłoby jeszcze lepsze. Naukowcy z Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku pracują nad tym, aby to właśnie zrobić.
Jedną z motywacji jest pomoc osobom z zespołem Treachera Collinsa. Choroba ta powoduje nieprawidłowy wzrost kości twarzy. Osoby urodzone z tym zespołem mają tendencję do posiadania małych kości policzkowych lub ich braku. To nadaje ich twarzom opadający wygląd.
Doktorzy mogą zastąpić te nieprawidłowo ukształtowane kości lub dodać brakujące kości za pomocą operacji. Wymaga to ograbienia kości z innych części ciała. Chirurdzy mogą wyciąć kawałek kości biodrowej, na przykład. Po ukształtowaniu jej w coś, co przypomina kość policzkową, wszczepiają ją do twarzy.
To jednak nie jest idealne rozwiązanie. Po pierwsze, powoduje to uszkodzenie biodra. Pożyczona kość może być również trudna do ukształtowania w idealny policzek lub szczękę.
Więc zespół Columbia hoduje kość zastępczą w laboratorium. Po pierwsze, tworzą rusztowanie, lub ramę, z kości krowiej, która została pozbawiona swoich żywych komórek. Rzeźbią rusztowanie tak, aby miało kształt normalnej, zdrowej wersji kości, którą chcą zastąpić lub dodać. Następnie pobierają komórki macierzyste z ciała pacjenta.
Komórki macierzyste są szczególne, ponieważ mogą dojrzewać w wiele różnych typów komórek, w tym komórki kostne. Zespół Columbia pozyskuje komórki macierzyste z tłuszczu pobranego od pacjenta. Nakłada te komórki na rusztowanie, a następnie podaje im składniki odżywcze, których potrzebują, aby rozwinąć się w komórki kostne. Po kilku tygodniach chirurdzy wszczepiają rusztowanie kostne w twarz pacjenta.
W tym miejscu nowa kość będzie nadal wrastać w implant. Z czasem nowa kość całkowicie zje rusztowanie. Ostatecznie, pozostaną tylko komórki kostne pacjenta, Sarindr Bhumiratana powiedział Science News for Students. Jest on inżynierem biomedycznym i jednym z naukowców na Columbii pracujących nad projektem rozwoju kości.
Francis Smith urodził się z zespołem Treachera Collinsa, chorobą, która wpływa na kości i tkanki twarzy. Na zdjęciu po prawej w 1978 r., w wieku 2 lat, przed wykonaniem jakichkolwiek operacji. Po lewej: Smith jak wygląda dzisiaj, po ponad 20 operacjach twarzy. Obecnie jest naukowcem zajmującym się naukami czaszkowo-twarzowymi na Uniwersytecie Calgary w Kanadzie. Francis Smith
Do tej pory badacze hodowali i wszczepiali kości tylko świniom. Wkrótce jednak planują przetestować tę technikę u ludzi.
W niedalekiej przyszłości ludzie z deformacjami twarzy mogą być w stanie uzyskać nowe kości szczękowe lub policzkowe zbudowane od podstaw. „Nauka przyszłości jest ekscytująca,” powiedział Bhumiratana, „i to będzie zabawa.”
Johnson, Bhumiratana i ich koledzy pracują, aby pry jeszcze więcej tajemnic z kości. Mają nadzieję, że wkrótce będą mogli wypuścić te szkielety z szafy.
Słowa mocy
inżynier biomedyczny Ekspert, który wykorzystuje naukę i matematykę do znajdowania rozwiązań problemów w biologii i medycynie. Na przykład może tworzyć urządzenia medyczne, takie jak sztuczne kolana, lub znajdować nowe sposoby produkcji tkanek do wykorzystania w organizmie.
szpiku kostnego Miękka, tłusta substancja wewnątrz kości, która wytwarza komórki krwi.
Badacze z Uniwersytetu Columbia hodują niestandardowe kości w zbiornikach o szarym zabarwieniu w centrum. Pompa (po lewej) kąpie komórki kostne w specjalnych płynach i substancjach odżywczych (czerwono zabarwiony płyn, po prawej), aby pomóc im rosnąć. Sarindr Bhumiratana
masa kostna Waga szkieletu.
gęstość mineralna kości Miara ilości wapnia i innych minerałów upakowanych w segmencie kości.
choroba kruchych kości Zaburzenie genetyczne obecne od urodzenia, które powoduje słabe, kruche kości; wczesną utratę słuchu i niski wzrost. Uważa się, że dotyka ona od 25 000 do 50 000 Amerykanów. Objawy mogą wahać się od łagodnych do potencjalnie śmiertelnych.
wapń Pierwiastek chemiczny potrzebny większości organizmów do wzrostu.
cząsteczka Neutralna elektrycznie grupa atomów, która reprezentuje najmniejszą możliwą ilość związku chemicznego. Molekuły mogą być wykonane z pojedynczych typów atomów lub z różnych typów. Na przykład tlen w powietrzu jest zbudowany z dwóch atomów tlenu (O2), ale woda jest zbudowana z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu (H2O).
osteoblast Komórki, które syntetyzują nową tkankę kostną.
osteoklast Komórki, które rozbijają i usuwają starą tkankę kostną.
osteocyt Najbardziej rozpowszechniony typ komórki kostnej. Kieruje działaniem osteoblastów i osteoklastów.
osteoporoza Stan powodujący słabe, kruche kości, które łatwo pękają.
komórka macierzysta Komórka „pusta”, która może dać początek innym typom komórek w organizmie. Komórki macierzyste odgrywają ważną rolę w regeneracji i naprawie tkanek.
tkanka Każdy z odrębnych rodzajów materiału, składający się z komórek, które tworzą zwierzęta, rośliny lub grzyby.
Zespół Treachera Collinsa Choroba genetyczna, która wpływa na rozwój kości i innych tkanek twarzy. Zespół ten występuje u około jednej na 50 000 osób, powodując deformacje twarzy, a czasami także utratę słuchu i rozszczep podniebienia.
Witamina D Nazywana witaminą słońca, skóra wytwarza ten związek chemiczny po wystawieniu na działanie promieni słonecznych o określonej długości fali ultrafioletowej. Forma wytworzona w skórze nie jest aktywna, ale raczej jest to forma prekursorowa, która może być przechowywana w tkance tłuszczowej do czasu, gdy będzie potrzebna. Aktywna forma tej witaminy jest hormonem, który pomaga kościom przyswajać wapń. Aktywna forma odgrywa również rolę w zwalczaniu wielu rodzajów chorób przewlekłych, od utraty mięśni i cukrzycy do niektórych rodzajów raka i chorób dziąseł. Ludzie, którzy nie spędzają dużo czasu na świeżym powietrzu lub noszą filtry przeciwsłoneczne, mogą nie wytwarzać idealnych ilości witaminy D. Niewiele produktów spożywczych jest naturalnie bogatych w tę witaminę. Tak więc producenci wzbogacają niektóre powszechnie spożywane pokarmy, zwłaszcza mleko i niektóre soki pomarańczowe, w witaminę D.
Znajdź słowo (kliknij tutaj, aby powiększyć do druku)
