Lắng đọng và tái hấp thu làm mới của xương

Sự lắng đọng xương bởi tạo cốt bào

Xương liên tục được lắng đọng bởi tạo cốt bào, cũng như liên tục được tái hấp thu ở nơi hủy cốt bào đang hoạt động.

Hình. Hoạt động của tạo cốt bào và tủy cốt bào trong cùng một xương.

Tạo cốt bào được tìm thấy trên bề mặt ngoài của xương và trong các hốc xương. Một số lượng nhỏ các hoạt động của tạo cốt bào xảy ra liên tục trong tất cả các xương đang sống (khoảng 4 phần trăm của tất cả các bề mặt tại bất kỳ thời điểm ở người lớn, như vậy xương mới luôn liên tục hình thành.

Sự tiêu hủy của xương - chức năng của hủy cốt bào

Xương liên tục tiêu hủy do sự có mặt của hủy cốt bào, là 1 loại tế bào lớn, có khả năng thực bào, đa nhân (chứa khoảng 50 hạt nhân) là các dẫn xuất của bạch cầu đơn nhân hoặc các tế bào giống bạch cầu đơn nhân hình thành trong tủy xương. Các huỷ cốt bào ở dạng hoạt động chiếm tỉ lệ dưới 1 phần trăm của bề mặt xương của một người lớn.

Về mặt mô học, tiêu hủy xương xảy ra ngay lập tức bên cạnh các huỷ cốt bào. Cơ chế tiêu hủy này được cho là như sau:Hủy cốt bào gửi các bộ phận giống như lông chuyển về phía xương, tạo thành 1 bề mặt xù xì. Các lông nhung tiết ra hai loại chất: (1) enzym phân giải protein , giải phóng từ lysosome của hủy cốt bào,và (2) một số axit, bao gồm axit citric và acid lactic,giải phóng từ các ty lạp thể và các túi tiết. Các enzym này tiêu hóa hoặc phá vỡ các cấu trúc nền của xương, và là nguyên nhân gây nên sự giải phóng của muối xương. Các hủy cốt bào cũng hấp thụ các minute particles của chất nền xương và các tinh thể bằng cách thực bào,sau đó phá vỡ và giải phóng các chất sản phẩm vào máu.

Hình. Tái hấp thu xương bằng các nguyên bào xương. Hormon tuyến cận giáp (PTH) liên kết với các thụ thể trên các nguyên bào xương, khiến chúng hình thành chất kích hoạt thụ thể cho yếu tố hạt nhân κ-B phối tử (RANKL) và giải phóng yếu tố kích thích đại thực bào (M-CSF). RANKL liên kết với RANK và M-CSF liên kết với các thụ thể của nó trên các tế bào tiền tế bào, khiến chúng biệt hóa thành các nguyên bào xương trưởng thành. PTH cũng làm giảm sản xuất osteoprotegerin (OPG), chất ức chế sự biệt hóa của tiền hủy cốt bào thành các nguyên bào xương trưởng thành bằng cách liên kết với RANKL và ngăn không cho nó tương tác với thụ thể của nó trên preosteoclasts. Các nguyên bào xương trưởng thành phát triển một đường viền xù lông và giải phóng các enzyme từ lysosome, cũng như các axit thúc đẩy sự tái hấp thu xương. Các tế bào xương là các nguyên bào xương đã được bọc trong ma trận xương trong quá trình sản xuất mô xương; các tế bào xương tạo thành một hệ thống các tế bào liên kết với nhau, lan truyền tất cả qua xương.

Như đã đề cập trước, hocmon PTH kích thích hoạt động hủy cốt bào và quá trình tiêu hủy xương, nhưng quá trình này xảy ra thông qua cơ chế gián tiếp. Các hủy cốt bào tham gia không có thụ thể với hocmon PTH.

Thay vào đó, các tạo cốt bào truyền tín hiệu đến tiền hủy cốt bào để tạo hủy cốt bào trưởng thành. Hai protein từ tạo cốt bào chịu trách nhiệm về tín hiệu này là thụ thể hoạt hóa cho yếu tố nhân κB ligand (receptor activator for nuclear factor κ-B ligand) (RANKL) và yếu tố macrophage colony­stimulating factor,cả hai đều cần thiết cho sự hình thành của các hủy cốt bào trưởng thành.

PTH gắn vào thụ thể ở bên cạnh tạo cốt bào, kích thích sư tổng hợp của RANKL, hay còn gọi là osteoprotegerin ligand (OPGL). RANKL gắn vào thụ thể của nó (RANK) trên các tế bào tiền hủy cốt bào, khiến chúng biệt hóa thành hủy cốt bào đa nhân trưởng thành. Các huỷ cốt bào trưởng thành sau đó phát triển một bề mặt xù xì và giải phóng các enzym và acid thúc đẩy tái hấp thu xương.

Tạo cốt bào cũng sản xuất osteoprotegerin (OPG), hay còn gọi là yếu tố ức chế osteoclastogenesis, một cytokine ức chế tiêu hủy xương. OPG hoạt động như một “mồi nhử”, gắn với RANKL và ngăn không cho tương tác với thụ thể của nó,việc này giúp ngăn chặn sự biệt hóa của các tiền hủy cốt bào thành các hủy cốt bào trưởng thành tham gia vào quá trình tiêu hủy xương.

OPG đối nghịch các hoạt động tiêu hủy của PTH, trên chuột thiếu hụt gen tổng hợp OPG có sự giảm rõ rệt khối lượng xương so với những con chuột có gen OPG bình thường.

Cho dù các yếu tố điều tiết OPG chưa được hiểu rõ, vitamin D và PTH có vẻ như kích thích sự sản xuất của hủy cốt bào trưởng thành thông qua tác động kép vừa ức chế sản xuất OPG vừa kích thích sự tổng hợp RANKL. Glucocorticoid cũng thúc đẩy hoạt động tế bào hủy cốt bào và tiêu hủy xương bằng cách tăng sản xuất RANKL và giảm sự hình thành của OPG. Mặt khác, các hormone estrogen kích thích sản xuất OPG. Sự cân bằng của OPG và RANKL được sản xuất bởi tạo cốt bào đóng một vai trò quan trọng quyết định hoạt động hủy cốt bào và sự tiêu hủy xương.

Tầm quan trọng của phương pháp điều trị tác động vào hệ OPG-RANKL hiện vẫn đang thử nghiệm. Một số loại thuốc mới mô phỏng tác dụng của OPG bằng cách ngăn chặn sự tương tác của RANKL với thụ thể của nó dường như có ích cho việc điều trị loãng xương ở phụ nữ sau mãn kinh và ở một số bệnh nhân ung thư xương.

Cân bằng giữa sự lắng đọng và sự tiêu hủy của xương

Ngoại trừ xương đang phát triển, tỷ lệ giữa sự lắng đọng và sự tiêu hủy thường bằng nhau, vì vậy tổng khối lượng của xương vẫn không đổi. Hủy cốt bào thường chiếm số lượng nhỏ nhưng chúng tập trung với nhau và một khi số lượng của hủy cốt bào bắt đầu phát triển. Chúng thường mất 3 tuần để tiêu hủy xương, tạo ra một đường hầm đường kính 0,2-1 mm và dài vài milimet. Kết thúc quá trình, các hủy cốt bào biến mất và tạo cốt bào xâm nhập vào các đường hầm này giúp xương mới bắt đầu phát triển. Sự lắng đọng xương tiếp tục trong vài tháng, với các xương mới được lát thành các lớp lát liên tiếp theo các vòng tròn đồng tâm (lamellae) ở bề mặt bên trong của khoang cho đến khi đường hầm kín. Sự lắng đọng chấm dứt khi xương bắt đầu xâm lấn vào các mạch máu chịu trách nhiệm cấp máu khu vực. Các kênh mà mạch máu chạy bên trong , được gọi là các kênh haversian, là phần còn lại của hốc ban đầu (original cavity). Mỗi vùng mới của xương lắng đọng theo cách này được gọi là osteon.

Giá trị của việc liên tục làm mới xương

Việc liên tục lắng đọng và tiêu hủy của xương giữ một số chức năng sinh lý quan trọng. Đầu tiên, xương có thể điều chỉnh sức mạnh của nó tương xứng với mức chịu lực của xương (bone stress). Kết quả là, xương dày lên khi chịu tải trọng nặng. Thứ hai, ngay cả hình dạng của xương cũng có thể được sắp xếp lại để phù hợp hơn với các lực cơ học thông qua lắng đọng và tiêu hủy xương sao cho phù hợp với hướng chịu lực. Thứ 3, do xương cũ trở nên tương đối giòn và dễ gãy, vậy nên chất nền mới là cần thiết để thay thế các chất nền đã thoái hóa. Do vậy,tính dẻo dai của xương luôn được duy trì. Thật vậy, ở xương của trẻ em, tỷ lệ lắng đọng và tiêu hủy rất nhanh chóng vậy nên xương trẻ em ít giòn hơn là ở người già với tỷ lệ lắng đọng và tiêu hủy chậm.

Mức chịu lực của xương (Bone “Stress.”) kiểm soát tốc độ lắng đọng xương

Xương được lắng đọng sao cho tương ứng với lực ép mà xương phải chịu. Ví dụ, các xương của các vận động viên nặng hơn so với các người khác. Ngoài ra, nếu một người có 1 chân bị bó bột nhưng vẫn tiếp tục bước đi trên chân đối diện, xương chân trong bột trở nên mỏng mất khoảng 30 % canxi trong vòng một vài tuần, trong khi xương đối diện vẫn dày và có mật độ canxi bình thường. Do đó, các sức ép vật lý kiên tục kích thích sự lắng đọng và canxi hóa xương (calcification).

Mức chịu lực cũng góp phần quy định hình dạng của xương trong một số trường hợp. Ví dụ, nếu một xương dài như xương chân gãy ở vị trí trung tâm và sau đó hồi phục ở hóc, các sức nén vào bên trong của các góc làm tăng sự lắng đọng của xương. Tăng tiêu hủy xảy ra ở bên ngoài ở các góc nơi xương không được nén. Do đó sau nhiều năm tăng lắng đọng ở bên trong của xương gập góc và tiêu hủy xương ở bên ngoài, xương có thể trở thành gần như thẳng, đặc biệt là ở trẻ em vì sự làm mới nhanh chóng của xương ở lứa tuổi trẻ.

Hình. Cấu trúc xương

Sự sữa chữa xương gãy của tạo cốt bào

Gãy xương kích hoạt tối đa tất cả các tạo cốt bào ở màng xương và trong xương tham gia hàn gắn vết gãy. Ngoài ra,số lương nhiều của tạo cốt bào mới được hình thành gần như ngay lập tức từ các tế bào “osteoprogenitor”, đó là tế bào gốc xương trong bề mặt phủ ngoài xương, được gọi là “màng xương”. Sau đó, trong vòng một thời gian ngắn, một phình lớn bao gồm các mô thuộc tạo cốt bào và các chấn căn bản xương mới. Sau một thời gian ngắn sự lắng đọng của các muối canxi, phát triển giữa hai đầu gãy của xương. Khu vực này được gọi là “callus”.

Nhiều bác sĩ phẫu thuật chỉnh hình sử dụng sức ép xương để đẩy nhanh tốc độ làm lành chỗ gãy. Sự đẩy nhanh này được thực hiện thông qua sử dụng các dụng cụ cơ khí đặc biệt giúp giữ các đầu xương gãy với nhau để bệnh nhân có thể tiếp tục sử dụng các xương ngay lập tức. Cách làm này gây sức ép trên đầu đối diện của xương gãy, mà tăng hoạt động của nguyên bào xưởng chỗ gãy và thường rút ngắn thời gian lành.