Zaopatrzenie w naczynia i krążenie

Resorpcja i odnowa kości

Gdy odnowa w tkankach takich jak mięśnie zachodzi głównie na poziomie molekularnym, odnowa kości zachodzi na poziomie tkankowym i jest podobna do przebudowy budynków w tym sensie, że miejscowe usunięcie (resorpcja) starej kości musi poprzedzać odkładanie nowej. Przebudowa jest najbardziej intensywna w latach aktywnego wzrostu, kiedy to odkładanie przeważa nad resorpcją. Następnie przebudowa stopniowo maleje, u ludzi do około 35 roku życia, po czym jej tempo pozostaje niezmienione lub nieznacznie wzrasta. Od czwartej dekady życia resorpcja przewyższa tworzenie, co skutkuje około 10-procentową utratą masy kostnej na dekadę, co odpowiada dziennej utracie od 15 do 30 mg wapnia.

Z wyjątkiem dodania mechanizmów kostnienia w obrębie chrząstki, wzrost i rozwój obejmują dokładnie ten sam typ przebudowy, co w szkielecie dorosłego człowieka. Oba wymagają ciągłego, prawdopodobnie nieodwracalnego różnicowania się osteoklastów i osteoblastów, tych pierwszych z krążących we krwi monocytów, a tych drugich z niezróżnicowanej mezenchymy kostnej. Czas życia osteoklastów wynosi od kilku godzin do co najwyżej kilku dni, natomiast osteoblastów od kilku dni do co najwyżej kilku tygodni.

Resorpcja jest wytwarzana przez skupiska osteoklastów, które albo erodują wolne powierzchnie kostne, albo tworzą „stożki tnące”, które drążą tunel przez kość zbitą i tworzą cylindryczne zagłębienia, które mogą być następnie wypełnione przez osteony. Komórki osteoklastyczne wydzielają enzymy i jony wodorowe na powierzchnię kości, rozpuszczając minerał i trawiąc macierz praktycznie w tym samym momencie. Proces ten wiąże się z miejscowo zwiększonym przepływem krwi i większą niż w innych miejscach kości kwasowością powierzchni, mimo że w procesie rozpuszczania apatytu zużywane są jony wodorowe. Resorpcja jest zwykle procesem znacznie szybszym niż tworzenie. Zaobserwowano, że osteoklastyczne stożki tnące posuwają się do przodu z prędkością do 500 mikrometrów, czyli mikronów, na dobę (1 mikron = 1 × 10-6 metra).

Kość tworzy się na uprzednio zresorbowanych powierzchniach poprzez odkładanie niezmineralizowanego materiału macierzy białkowej (osteoidu) i jego późniejszą mineralizację. Osteoblasty tworzą macierz jako ciągłą błonę pokrywającą powierzchnię, na której pracują, w tempie liniowym, które różni się w zależności od wieku i gatunku, ale u dużych dorosłych ssaków jest rzędu jednego mikrona na dzień. Niezmineralizowana macierz stanowi szew lub granicę osteoidalną, której grubość podczas aktywnego tworzenia kości wynosi średnio od 6 do 10 mikronów. Biochemiczna i fizyczna sekwencja zdarzeń, które przygotowują macierz do mineralizacji obejmuje wewnątrzkomórkową biosyntezę kolagenu przez osteoblasty, ekstruzję kolagenu zewnątrzkomórkowo w formie rozpuszczalnej, dojrzewanie lub polimeryzację kolagenu do postaci szeregu włókien (w przypadkowej orientacji w szybko odkładającej się kości, w wysoce uporządkowanym regularnym wzorze w wolno tworzącej się kości płytkowej), wiązanie wapnia z włóknami kolagenu i tworzenie kompleksów białkowo-glikoaminoglikanowych.

Mineralizacja sama w sobie zależy od ustanowienia jąder krystalicznych w macierzy; proces ten trwa 5 do 10 dni i jest pod kontrolą osteoblastu, ale jego dokładna chemia jest niejasna. Odpowiednia konfiguracja nukleacji jest w jakiś sposób ustalona, a gdy jądra osiągną krytyczny rozmiar, dalsza mineralizacja przebiega spontanicznie w obecności zwykłych płynów ustrojowych stężenia wapnia i fosforu. Inne tkanki kolagenowe, takie jak skóra właściwa, ścięgna i więzadła, normalnie nie ulegają zwapnieniu, mimo że są kąpane w tych samych płynach ustrojowych, co kość. Chociaż płyn pozakomórkowy jest wysoce przesycony roztworem w stosunku do hydroksyapatytu, wapń i fosfor nie wytrącają się spontanicznie w tej krystalicznej formie przy normalnym fizjologicznym pH, więc ten sam płyn jest nieskończenie stabilny w regionach nie kościotwórczych, a jednocześnie bogato wspiera mineralizację w obecności odpowiednich jąder kryształów. Przemieszczanie się minerałów do nowej kości jest początkowo szybkie i w kości zbitej osiąga około 70 procent pełnej mineralizacji w ciągu kilku godzin od zarodkowania macierzy. To odkładanie minerałów wiąże się z zastąpieniem wody, która zajmowała połowę pierwotnej objętości macierzy. W miarę zmniejszania się zawartości wody utrudniona jest dalsza dyfuzja minerałów, a ostateczna mineralizacja zachodzi stopniowo coraz wolniej przez okres wielu tygodni. U dorosłego człowieka w normalnych warunkach tworzenie nowej kości pochłania około 400 mg wapnia dziennie, czyli ilość w przybliżeniu równą ilości wapnia we krwi krążącej.

Osteocyty, kiedyś uważane za komórki spoczynkowe, są obecnie uznawane za aktywne metabolicznie i posiadają, przynajmniej w formie utajonej, zdolność resorpcji i ponownego formowania kości na swoich ścianach lakunarnych. Chociaż osteocyty stanowią jedynie niewielki ułamek całkowitej objętości kości, są one tak rozmieszczone w kości, a sieć ich protoplazmatycznych rozszerzeń jest tak rozległa, że w zasadzie nie ma objętości materiału kostnego położonej w odległości większej niż ułamek mikrona od komórki lub jej procesów. Z ponad 1.200 metrów kwadratowych powierzchni anatomicznej szkieletu dorosłego człowieka, około 99 procent przypada na powierzchnie lakunarne i kanałowe. Resorpcja i odkładanie na tej powierzchni służą zarówno do regulacji stężenia wapnia w osoczu, jak i do odnowy materiału kostnego. Odnowa ta może być szczególnie ważna, ponieważ wszystkie materiały kompozytowe z czasem zmieniają swoje właściwości fizyczne. Nie wiadomo, czy właściwości kości zmieniają się na tyle, by mieć konsekwencje biologiczne, ale w zakresie, w jakim takie zmiany zachodzą, odnowa wokół osteocytów zapewniałaby fizyczne utrzymanie materiału strukturalnego kości.