Przebieg procesów zrostu złamania kości
Gojenie złamania jest procesem polegającym raczej na regeneracji niż klasycznym zroście. Jego efektem jest bowiem przywrócenie ciągłości kości poprzez wypełnienie szpary przełomu tkanką kostną, a nie blizną łącznotkankową, jak to ma miejsce w przypadkach gojenia ran tkanek miękkich. Wynikiem prawidłowo postępującego procesu zrostu złamania jest przywrócenie anatomicznej ciągłości kości i fizjologicznej czynności kończyny.
Możliwe są dwie drogi zrostu złamania. W przypadku złamań, w których w szparze przełomu nie dochodzi do żadnych napięć mechanicznych, dochodzi do pierwotnego, naczyniopochodnego zrostu, polegającego na wrastaniu, w miejscu złamania, naczyń krwionośnych, otoczonych komórkami mezenchymy, które następnie ulegają przekształceniu w tkankę kostną [21,22]. Jako pierwsi terminu tego (pierwotny zrost kości - "primary bone healing") użyli w 1914 roku Lane [23] i w 1949 Danis [24] dla opisania złamań gojących się bez, wyraźnie widocznego radiologicznie, tworzenia kostniny. Histologicznie, w tym typie gojenia, dochodzi do wypełnienia szpary przełomu bezpośrednio przez tkankę kostną, bez tworzenia tkanki łącznej czy chrzęstnej [25]. Ponieważ do jego wystąpienia muszą być spełnione specyficzne warunki (pełna, anatomiczna repozycja odłamów kostnych, niewielkie uszkodzenie okolicznych tkanek miękkich i zachowanie "ciszy mechanicznej" w obrębie złamania), ma on miejsce niezwykle rzadko i, w praktyce klinicznej, dotyczy niewielkiego odsetka przypadków.
Większość złamań kości ulega procesowi gojenia na podłożu chrzęstnym [26]. W fazie reperacji dochodzi do gwałtownej chondrogenezy niezróżnicowanej tkanki mezenchymalnej i/lub aktywacji komórek osteo- i chondroprogenitorowych okostnej (wypełnia ona szparę przełomu wskutek migracji i proliferacji niezróżnicowanych komórek mezenchymalnych w fazie zapalnej), z następową jej mineralizacją i wytworzeniem tkanki kostnej.
W praktyce klinicznej, w zroście złamań kości, rozróżniamy trzy fazy gojenia:
fazę zapalną (trwającą 1-2 dni),
fazę reperacji (trwającą kilka tygodni),
fazę remodelowania (trwającą do kilku lat) [27,28],
lub, wg innych opracowań, 6 faz gojenia [29]:
faza urazu - okres bezpośrednio okołourazowy,
faza indukcji - okres aktywacji komórek biorących udział w procesie gojenia złamania - komórki okostnej, śródkostnej, osteocyty,
faza zapalna,
faza tworzenia kostniny miękkiej,
faza tworzenia kostniny twardej (fazy 4 i 5 stanowią wspólnie fazę reperacji),
faza remodelowania
Okres działania zewnętrznych sił na kończynę wywołuje, proporcjonalne do ich amplitudy, czasu trwania i kierunku działania, uszkodzenia kości i tkanek miękkich. W wyniku ich działania dochodzi do złamania, zniszczenia w okolicy szpary przełomu naczyń krwionośnych i wynaczynienia krwi. Często towarzyszy im, mniej lub bardziej nasilony, uraz i zniszczenie otaczających tkanek miękkich. W pierwszym okresie, na czoło wysuwają się procesy związane z efektem wynaczynienia krwi, formowania krwiaka pourazowego i miejscowym rozwojem reakcji zapalnych, co manifestuje się klinicznie bólem, obrzękiem i zaczerwienieniem. Uszkodzenie naczyń jest powodem, występującego w okolicy złamania, obszaru niedokrwienia kości, prowadzącego do powstania w jej okolicy strefy martwicy. Uwolnione miejscowo, z uszkodzonych tkanek i wynaczynionej krwi, czynniki zapalne powodują powstanie, praktycznie natychmiast po urazie, procesu zapalnego. Kluczową funkcję spełnia aktywacja płytek krwi w wynaczynionej krwi, w wyniku której dochodzi do degranulacji ich ziarnistości i uwolnienia czynników rozpoczynających procesy zapalne. Uwolnione, z aktywowanych płytek, cytokiny i czynniki wzrostu, inicjują fazę zapalną procesu zrostu. Uwalniane ze śródbłonków uszkodzonych naczyń krwionośnych i z krwiaka w okolicy złamania czynniki (m.in. cytokiny i czynniki wzrostu - PDGF, FGF, TGF-b, BMP) są silnymi mediatorami reakcji zapalnych i procesów osteogenezy. Wskutek aktywacji, zdeponowanej w macierzy, kolagenazy, dochodzi do degradacji warstwy niezmineralizowanej macierzy kostnej i uwolnienia z niej czynników chemotaktycznych dla prekursorów osteoklastów. Komórki te migrują do miejsc uszkodzenia tkanki kostnej, ulegają adhezji do zmineralizowanych substancji kości i fuzji w wielojądrzaste komórki kościogubne. Przyczepione do powierzchni resorbowanej kości osteoklasty wytwarzają rąbek szczoteczkowy (ruffled border), który znacznie zwiększa powierzchnię resorpcji. W wyniku działania pompy Na/K i anhydrazy węglanowej w jego obrębie, dochodzi do silnego zakwaszenia środowiska, co powoduje rozpuszczenie substancji mineralnych, zaś efektem uwolnienia z osteoklastów kwaśnych enzymów lizosomalnych jest aktywacja, obecnych w macierzy kości, latentnych enzymów (m.in. kolagenazy) i czynników wzrostu (TGF-b, BMP, IGF-1 i 2), wywierających działanie aktywujące osteoblasty. W przeciągu krótkiego czasu dochodzi do proliferacji i migracji, z zewnętrznej warstwy okostnej i z okolicznych tkanek, fibroblastów. Wnikając w okolice złamania, powodują one powstanie, z syntetyzowanych przez siebie związków organicznych, macierzy kostniny. Jednocześnie, migracji i proliferacji ulegają komórki osteogenne z wewnętrznej, rozrodczej warstwy okostnej. Analogiczny proces zachodzi w śródkostnej.
Odmiennie niż w przypadku gojenia ran tkanek miękkich, w kości nie dochodzi do organizacji krwiaka poprzez wrastanie naczyń krwionośnych, lecz dochodzi do jego wypierania poprzez narastającą kostninę. Jeśli krwiak ulegnie wyparciu w stronę jamy szpikowej lub, otaczających kość, tkanek miękkich, ulega on stopniowemu procesowi resorpcji enzymatycznej i fagocytarnej. Pozostające w szparze przełomu fragmenty krwiaka, mogą wikłać procesy zrostu.
Wnikające, od strony jamy szpikowej, naczynia krwionośne pochodzące z unaczynienia szpiku, zapewniają obfite unaczynienie powstającej w ten sposób kostniny. Obserwacje kliniczne dowodzą, że ilość powstającej podczas zrostu kostnego kostniny jest proporcjonalna do amplitudy zachowanych ruchów w szparze przełomu. Przy sztywnym unieruchomieniu powstaje stosunkowo mało kostniny, zaś przy zachowaniu dużych ruchów często dochodzi do uformowania dużej jej ilości. Komórki osteogenne warstwy kostniny położonej najbliżej kości ulegają transformacji w komórki osteoblastyczne i, w przeciągu krótkiego czasu, powodują mineralizację macierzy. Zwykle warstwa ulegająca mineralizacji jest bardzo cienka - jednak, wraz z rozwijaniem się kostniny, stopniowo postępuje jej mineralizacja, co, wraz z postępującymi procesami angiogenetycznymi, powoduje powstawanie tkanki kostnej o utkaniu beleczkowatym, z dużą ilością naczyń krwionośnych.
Począwszy od drugiego tygodnia po złamaniu, tworzenie, w szparze przełomu, tkanki chrzęstnej uwarunkowane jest migracją i proliferacją, obecnych w wewnętrznej (rozrodczej) warstwie okostnej, chondroblastów. Może jednak powstać w innym mechanizmie: narastanie kostniny powoduje stopniowe zmniejszanie jej ukrwienia. Migrujące komórki osteogenne przemieszczają się coraz dalej od naczyń krwionośnych i, w środowisku niskiego pO2, ulegają modulacji nie w osteoblasty lecz w chondroblasty.
Tworzona w ten sposób kostnina ma zatem budowę warstwową - stanowią ją, od wewnątrz, kość o utkaniu beleczkowym, stanowiąca strefę pośrednią warstwa chrzęstna i położona zewnętrznie warstwa proliferujących komórek osteogennych, pokryta z zewnątrz warstwą tkanki łącznej włóknistej. Analogiczny proces zachodzi w śródkostnej, doprowadzając do wypełnienia jamy szpikowej kostniną.
Zapewnienie dobrego ukrwienia powoduje proces pierwotnego kostnienia (simple ossification). W przeciwnym wypadku dochodzi do kostnienia na podłożu chrzęstnym. Zaburzenia w utlenowaniu w szparze przełomu mogą wystąpić w wyniku zaburzeń wrastania naczyń krwionośnych (angiogenezy), co może nastąpić przy zachowaniu ruchów w szparze złamania lub w wyniku zakażenia - objawia się to miejscową hipoksją i obniżeniem pH. Nie bez znaczenia, dla opisywanych procesów, pozostają również czynniki ogólnoustrojowe, takie jak awitaminozy (zwłaszcza A, C, D), zaburzenia gospodarki węglowodanowej (cukrzyca) i przyjmowane przez chorego leki, np. sterydy. Brak prawidłowej mineralizacji prowadzi do wystąpienia zrostu opóźnionego (malunion), a w skrajnych wypadkach - do braku zrostu i, po dłuższym okresie, powstania stawu rzekomego (nonunion).
W warunkach fizjologicznych, około 2/3 unaczynienia kości pochodzi z unaczynienia kanałów odżywczych - tylko 1/3 pochodzi z naczyń przeszywających okostną. Ukrwienie, narastającej z okostnej i śródkostnej kostniny, zapoczątkowane w 3-4 dobie po złamaniu, pochodzi głównie z unaczynienia szpiku. Ponieważ narastająca od strony śródkostnej kostnina jest bardzo dobrze unaczyniona, rzadko dochodzi do jej przemiany w kierunku tkanki chrzęstnej. Z reguły ulega ona bezpośredniej mineralizacji, z wytworzeniem kości gąbczastej. Wraz z postępującym procesem mineralizacji, martwa kość z niedokrwionej strefy w bezpośredniej okolicy złamania ulega resorpcji i zostaje wypełniona kostniną, która przekształca się w kość o utkaniu beleczkowatym. Stopniowo, pierwotne utkanie kości beleczkowatej ulega resorpcji i zostaje zastąpione strukturą kości zbitej. Wraz z zakończeniem tego procesu ulega zakończeniu faza reperacji. W następnym, długotrwałym, trwającym kilka lat procesie, w zależności od wieku, schorzeń współistniejących, stanu odżywienia i zdolności regeneracyjnych, powstała "blizna" kostna ulega remodelowaniu i przebudowie struktury wewnętrznej.
Gojenie złamań przebiega odmiennie w istocie gąbczastej i w istocie zbitej. Zarówno histologicznie, radiologicznie, jak i klinicznie. W 1978 roku McKibbin [30] opisał klasyfikację gojenia złamań kości długich, rozróżniając cztery typy gojenia:
Typ I - jest typem gojenia pojawiającym się w każdym przypadku reperacji złamania. Polega na tworzeniu pierwotnej kostniny i przebiega w czasie pierwszych 2 tygodni po złamaniu. Kostnina jest tworzona w przestrzeni pomiędzy stykającymi się warstwami okostnej. Proces ten jest niezależny od wpływów mechanicznych (mikroruch) ani hormonalnych. Jest głównie uzależniony od istniejących, w warstwie rozrodczej periosteum, komórek kościotwórczych.
Typ II - przebiega w przypadkach, w których nie ma bezpośredniego kontaktu pomiędzy odłamami. Radiologicznie przebiega z wytworzeniem zewnętrznej kostniny. Proces ten jest w znacznym stopniu uzależniony od efektów piezzoelektrycznych, pojawiających się w kości pod wpływem działających na nią sił zewnętrznych oraz miejscowych i lokalnych czynników humoralnych. Do prawidłowego przebiegu wymaga obecności, w okolicznych tkankach miękkich, żywych komórek.
Typ III - przebiega przy wytworzeniu późnej kostniny (late medullary callus). Ma ona zdolność wypełniania ubytków kości tak długo, jak długo zachowana jest stabilizacja międzyodłamowa. Może jednak przebiegać zarówno w całkowicie sztywnej stabilizacji (zabezpieczającej występowanie jakichkolwiek ruchów), jak i przy zachowaniu mikroruchów. Tworzona kostnina jest niezależna od okolicznych tkanek miękkich - jej unaczynienie pochodzi od unaczynienia szpiku. W tym typie goją się złamania stabilizowane płytkami.
Typ IV - pierwotny zrost warstwy korowej, przebiega przy całkowitym wyeliminowaniu ruchów międzyodłamowych i anatomicznym lub prawie anatomicznym ich ustawieniu. Przebiega powoli i wymaga całkowicie sztywnego unieruchomienia. Jest niezależny od otaczających szparę przełomu tkanek miękkich. Ten typ zrostu jest typem gojenia złamania poprzez remodelowanie kości.
Z kolei Finnegan i Uhthoff [31], opierając się na obserwacjach klinicznych i doświadczeniach przeprowadzonych na zwierzętach, opisali pięć typów gojenia kości gąbczastej:
Typ I - jest typem zrostu rozróżnianym radiologicznie jako zwiększenie gęstości tkanki kostnej w szparze przełomu i brakiem wytwarzania kostniny zewnętrznej. Rozróżniane są dwa podtypy gojenia złamań w tej grupie: Typ IA - z wytworzeniem nowego utkania kości beleczkowatej w szparze przełomu, widoczne radiologicznie jako słabo widoczna linia; w preparatach histologicznych stwierdzane jest zwiększenie średniej gęstości kości w szparze przełomu. Typ IB - jako "gap healing", z wytworzeniem, radiologicznie słabo widocznych, dwóch równoległych linii.
Typ II - występuje w przypadkach, gdzie nie jest zachowana całkowita stabilizacja - wewnętrzne procesy gojenia przebiegają z wytworzeniem dwóch stref, widocznych na radiogramach jako przejaśnienia. Proces przebiega z wytworzeniem kostniny zewnętrznej. Podział na podgrupy A i B zależny jest od tkanki obecnej pomiędzy strefami gojenia. W Typie IIA - obecne są fibroblasty w dobrze unaczynionej tkance włóknistej, w Typie IIB - zbita tkanka włóknista, bez obecności osteoblastów.
Typ III - przebiega przy zachowaniu w szparze przełomu niestabilności rotacyjnej, co powoduje tworzenie kości na podłożu chrzęstnym, z wytworzeniem kostniny zewnętrznej.
Typ IV - przebiega jak Typ I-szy, ale bez tworzenia kostniny wewnętrznej, co występuje przy zachowaniu stabilności między odłamami.
Typ V - tworząca się płaszczyzna zrostu przebiega tylko w odłamie bliższym - ten typ gojenia występuje przy zachowaniu ruchów między odłamami.
Czynniki wpływające na proces gojenia złamania
Występujące, w pewnym odsetku przypadków złamań, opóźnienia i braki zrostu, zapoczątkowały poszukiwania, mające na celu znalezienie optymalnych warunków z punktu widzenia wystąpienia zrostu. Jak wspomniano powyżej, proces gojenia złamania jest procesem biologicznym, wymagającym dużej aktywności metabolicznej organizmu. Jego optymalny przebieg uwarunkowany jest wieloma czynnikami, z których wiek chorego, jego stan ogólny, stan odżywienia i, ewentualnie, współistniejące choroby ogólnoustrojowe mogą w znacznym stopniu zmniejszać jego szybkość. Tak, jak każda inna rana, gojące się złamanie wymaga dostępności dużej ilości białka. Zabezpieczenie jego podaży w odpowiednio dobranej diecie, zwłaszcza u ludzi starszych i wyniszczonych, znacznie poprawia proces gojenia. Również, nie bez znaczenia jest zapewnienie odpowiedniej podaży soli mineralnych (wapnia, fosforanów) oraz witamin A, C i D. Na polskim rynku farmaceutycznym obecnych jest wiele preparatów farmakologicznych fosforanowo - wapniowych. Istnieje też wiele receptur wykonywanych na zlecenie, jednak najlepszą metodą uzupełniania niedoborów białka i soli mineralnych wydaje się być odpowiednia, urozmaicona dieta naturalna. Postępy w leczeniu osteoporozy w znacznym stopniu poprawiają stan wiedzy o zapotrzebowaniu organizmu w procesie mineralizacji tkanki kostnej.
Czynniki genetyczne
Obecnie prowadzone są intensywne badania nad czynnikami genetycznymi formowania i wzrostu układu kostnego. Ich wyniki przyczynią się, prawdopodobnie, w przyszłości do szerszego poznania czynników odpowiedzialnych za przebieg prawidłowego zrostu złamań, jak również mogą, hipotetycznie, umożliwić jego modulowanie. Na szczególną uwagę zasługują geny odpowiedzialne za syntezę kolagenu typu I-go, estrogenów i witaminy D. Przyjmuje się, że gen kodujący receptor dla witaminy D (VDR - vitamin D receptor), poprzez liczne interakcje z czynnikami środowiskowymi, bierze udział w regulacji masy kośćca. Garnero i wsp. wykazali, statystycznie znamienną, większą BMC (total bone mineral content) u kobiet homozygotycznych względem dominującego (SS) genu dla kolagenu typu I-go (COL1 A1), w porównaniu z heterozygotami (Ss) i homozygotami recesywnymi (ss) [32].
Szeroko zakrojone poszukiwania genu/genów odpowiedzialnych za formowanie kośćca, doprowadziło do odkrycia genu Cbfa1. Obserwacje, dokonane na myszach z zablokowanymi dwoma genami Cbfa1, wykazały całkowity brak formowania kości i komórek tworzących kość. Na podstawie tych obserwacji wysnuto przypuszczenie, że białko, będące produktem tego genu, spełnia rolę "głównego wyłącznika" ("master switch") formowania kości. Jednocześnie wykazano, że zablokowanie jednego genu Cbfa1 prowadzi do wystąpienia szeregu specyficznych defektów rozwojowych układu kostnego, odpowiadających, występującym u ludzi, schorzeniom wrodzonym (cleidocranial dysplasia) [33,34,35].
Interakcje układu hemopoetycznego z komórkami kości
Układ kostny, poza swoją funkcją podporową, jest również siedliskiem komórek biorących udział w hemopoezie i procesach odpornościowych. Niewątpliwie, istniejące interakcje komórek szpiku kostnego z komórkami kości prowadzą do zachowania prawidłowych funkcji obu układów [36,37,38].
Estrogeny
Układ hormonalny spełnia znaczną rolę w regulacji procesów obrotu kostnego. Wpływ parathormonu i kalcytoniny na układ kostny został omówiony powyżej. Szerszego omówienia wymaga wpływ estrogenów. Ochronny wpływ żeńskich hormonów płciowych na tkankę kostną został dobrze poznany i udokumentowany. Występujące u kobiet, w okresie postmenopauzalnym, zaburzenia hormonalne są odpowiedzialne za zaburzenia obrotu kostnego, charakteryzujące się przewagą procesów osteolizy nad procesami osteogenezy. Wiąże się z tym zwiększona resorpcja substancji mineralnych i zmniejszenie wytrzymałości mechanicznej kośćca, a, co za tym idzie - zwiększona podatność na występowanie złamań. Ostatnie badania wykazały, że estrogeny, swoje "ochronne" działanie na tkankę kostną wywierają poprzez wywoływanie apoptozy osteoklastów [39,40]. Zmniejszając resorpcję tkanki kostnej, przyczyniają się do względnej przewagi procesów osteogenezy nad procesami osteolizy i zwiększenia masy kości.
Angiogeneza
Zależność wszelkich procesów gojenia uszkodzonych tkanek od rewaskularyzacji jest bezsporna. W dużej mierze, zależy od niej szybkość gojenia złamania kości, jak i procesów wgajania przeszczepów tkanki kostnej [41,42]. Miejscowe zmiany związane z urazem (uszkodzenie naczyń krwionośnych i wynaczynienie elementów morfotycznych krwi, aktywacja układu krzepnięcia i fibrynolizy) powodują powstanie miejscowych zmian (hipoksji i hiperkapni) oraz przyczyniają się do wystąpienia miejscowego stanu zapalnego [43,44]. VEGF (vascular endothelial growth factor - czynnik wzrostu śródbłonków naczyniowych) odgrywa w tym procesie niepoślednią funkcję. Ostatnio wykazano, że VEGF jest aktywowany poprzez HIF-1 (hypoxia - inducible factor, czynnik indukowany przez hipoksję), w odpowiedzi na miejscowe zmniejszenie zaopatrzenia tkanki w tlen, wskutek uszkodzonego, w trakcie złamania, mikrokrążenia [45]. Uwalniane, w wyniku współdziałania elementów komórkowych krwi obwodowej oraz ścian uszkodzonych naczyń krwionośnych i elementów macierzy zewnątrzkomórkowej, białkowe czynniki wzrostu, są mediatorami wpływającymi na procesy proliferacji, migracji i różnicowania komórek śródbłonkowych, prowadząc do formowania nowego unaczynienia [46]. Zdolność do oddziaływania mitogennego posiadają również, uwalniane bezpośrednio z macierzy, zmagazynowane w niej czynniki [47]. Fakt szybszej rewaskularyzacji świeżych autogenicznych lub mrożonych allogenicznych przeszczepów kości, związany jest zarówno z działalnością przetrwałych w przeszczepie, żywych komórek kości, jak i zawartych w macierzy, aktywnych czynników białkowych [48,49]. W badaniach wykonywanych in vivo na zwierzętach, przeszczepiając świeżą, autologiczną kość [50] stwierdzono, że pierwsze oznaki postępującej angiogenezy pojawiają się już po 17 godzinach i najszybciej pojawiają się w okolicach chrząstek nasadowych, powodując, że ulegają one rewaskularyzacji już około 30 godziny. Postępujący wzrost nowopowstającego unaczynienia w ciągu następnych dni, zapewnia dostateczne ukrwienie i żywotność przeszczepu [51]. Wzajemne oddziaływania pomiędzy komórkami śródbłonkowymi naczyń krwionośnych a komórkami kości, stanowią ważny czynnik wpływający na jej fizjologiczne przemiany [52]. Miejscowe unaczynienie jest decydującym czynnikiem, regulującym mineralizację chrząstek wzrostowych [53]. Wzajemne oddziaływania wynikają, prawdopodobnie, z uwalnianych przez te komórki czynników. Stwierdzono wpływ, na komórki śródbłonkowe, uwalnianego przez osteoblasty insulinopodobnego czynnika wzrostu (IGF-1) [54] i prostaglandyn [55], co przemawia za stymulującym wpływem, wywieranym przez te komórki, na powstawanie unaczynienia.
Czynniki mechaniczne
Oczywistym czynnikiem, niezbędnym do wystąpienia zrostu, jest odpowiednie ustawienie odłamów i ich unieruchomienie. Przemieszczenie odłamów znacznie wydłuża czas powrotu funkcji kończyny, w niektórych przypadkach całkowicie uniemożliwiając wystąpienie procesu zrostu. Zadbanie o jak największy kontakt powierzchni odłamów złamanej kości (optymalnie 80%) jest, obok odpowiedniego unieruchomienia, podstawowym zadaniem postępowania lekarskiego.
Fakt postępowania procesów remodelowania beleczek kostnych, w zależności od występujących sił naprężeń mechanicznych, jest, prawdopodobnie, przyczyną opóźnienia powracania pełnej wytrzymałości złamanej kości w zaburzeniach prawidłowego tonusu mięśniowego, uniemożliwiających prawidłową rehabilitację, takich jak ciężki stan ogólny (chory nieprzytomny), długotrwałe unieruchomienie czy odnerwienie kończyny [56]. Jest on również przyczyną coraz większego zainteresowania wielu autorów dynamizacją w obrębie złamania. Obserwacje kliniczne wskazują również na fakt, że zachowanie mikroruchów w szparze przełomu sprzyja postępowaniu procesów zrostu, poprzez stymulowanie narastania kostniny.
Niepomyślne efekty gojenia złamań, przy spełnieniu zasady zapewnienia w jego obrębie "ciszy mechanicznej" i liczne obserwacje szybkiego postępowania zrostu przy braku jej zachowania, doprowadziły do wysunięcia hipotezy, że istnieją czynniki, uwarunkowane działającymi na kość siłami, wpływające na procesy regeneracji. Istniała przy tym jednak pewna niekonsekwencja. Z jednej strony, sztywne zespolenie odłamów nie zawsze prowadzi do wystąpienia zrostu, co sugeruje korzystny wpływ zachowania ruchu w szparze złamania na proces gojenia; z drugiej zaś, występuje częsty brak zrostu i powstanie stawu rzekomego przy braku jakiegokolwiek unieruchomienia. Od dawna znany jest fakt, że środowisko mechaniczne wpływa, w znacznym stopniu, na proces zrostu złamanej kości [57]. Niedostateczna stabilizacja, związana z zachowaniem ruchów międzyodłamowych lub znaczne przemieszczenie odłamów, mogą opóźniać procesy zrostu. W przeszłości, stawy rzekome były częstymi powikłniami, występującymi u chorych, u których nie dokonywano dostatecznej stabilizacji złamań [58]. Jednocześnie, o ile zachowanie znacznego stopnia ruchu prowadzi do zaburzeń zrostu, stwierdzono przyspieszanie tworzenia kostniny w tych sytuacjach, w których zachodzą kontrolowane, rytmicznie powtarzane, mikroruchy lub kontrolowana dystrakcja odłamów [59,60,61,62]. Na podstawie owych obserwacji przyjmuje się, że szybkość i jakość tworzonego zrostu kostnego, mogą być stymulowane przez, odpowiednio zastosowane, strategiczne środowisko mechaniczne. Obecnie, cała wiedza na ten temat oparta jest na doświadczeniu klinicznym, uzyskanym z różnych metod leczenia operacyjnego, opierającego się o techniki sztywnego zespolenia odłamów, stabilizację zewnętrzną i stabilizację śródszpikową [63]. Na podstawie dotychczasowych doświadczeń można przyjąć, że, jeśli jest zachowany ruch międzyodłamowy, wystąpi proces tworzenia kostniny [64]. Jeśli jednak występujące ruchy będą zbyt duże, istnieje ryzyko wystąpienia zaburzeń pod postacią hipertroficznego stawu rzekomego, najprawdopodobniej wskutek zaburzeń tworzenia unaczynienia (angiogenezy) czy też mechanicznego uszkadzania nowopowstałych naczyń krwionośnych.
Liczny materiał kliniczny, zebrany w wyniku wprowadzenia przez Küntchera, w czasie II Wojny Światowej, metody śródszpikowego zespalania kości udowej, pozwolił na unaocznienie faktu, że zrost postępuje przy zachowaniu ruchów dociskowych w osi długiej kończyny, przy zniesieniu wszystkich innych ruchów. Powszechnie znany był również fakt występowania zrostu przy zachowawczym leczeniu złamań metodą wyciągu, gdzie również dochodzi do unieruchomienia kończyny, jednak przy zachowaniu ograniczonej ruchomości w jej osi długiej, z tym, że siły działające na szparę złamania są, w tym wypadku, siłami dystrakcyjnymi [65,66,67,68].
Wpływ ruchu na procesy regeneracji złamania pozostawał przez wiele lat niejasny i wielu badaczy podjęło próby jego wyjaśnienia. W 1892 roku Wolff [69] wysunął hipotezę, że struktura architektury beleczek kostnych ulega adaptacji w wyniku remodelowania kości, w zależności od występujących obciążeń mechanicznych. Proces formowania kości jest zależny od, położonych na powierzchni kości, osteoblastów i osteoklastów. Mechanizm zmian zachodzących w kości pod wpływem jej obciążania, prowadzących do, składających się na remodelowanie, osteolizy i osteogenezy, jest niejasny. Oczywistym jest fakt, że sygnał mechaniczny musi być odbierany przez komórki receptorowe i zamieniany na odpowiedni sygnał chemiczny. Przypuszczalnie, za odbieranie sygnału mechanicznego odpowiedzialne są, położone wewnątrz tkanki kostnej, osteocyty. Osteocyty są komórkami posiadającymi długie wypustki, którymi łączą się zarówno z innymi osteocytami, jak i innymi populacjami komórek - osteoblastami i komórkami wyściełającymi kość (bone lining cells). Obecność wypustek sugeruje możliwość zarówno bezpośredniego - elektrycznego, jak i chemicznego, tj. poprzez białka sygnałowe (wewnątrz i zewnątrzkomórkowego), stymulownia komórek mających zdolność osteogenezy, jak i osteolizy kości. Udowodniono wzrost produkcji prostaglandyn (pGE2) w poddanych obciążeniom mechanicznym, in vitro, osteoblastach [70] i osteocytach [71]. Spostrzeżenia te wspierają teorię mówiącą, że powodem remodelowania kości jest stymulowanie osteocytów ruchem jonów, pojawiającym się pod wpływem obciążenia, do produkcji i uwalniania substancji stymulujących osteolizę i osteogenezę [72,73,74]. Warto tu nadmienić, że ów ruch jonów może odbywać się również wskutek zewnętrznego pola elektrycznego (stymulacja elektryczna) lub indukowanego pola elektromagnetycznego [75,76,77]. Wykazano, że osteocyty są głównymi komórkami, odpowiedzialnymi za transdukcję sygnału mechanicznego w odpowiedź biologiczną w obciążonej kości. Pomimo, że sygnał chemiczny, zapoczątkowujący procesy modelowania kości poddanej obciążeniom, nie jest w pełni poznany, udział w tych procesach prostaglandyn jest bezsporny [78,79].
Mechanizm, zapoczątkowujący wewnątrzkomórkowe zmiany wywołane obciążeniem mechanicznym, nie jest w pełni poznany. Przypuszczalnie, znaczną rolę odgrywa tu deformacja błony komórki receptorowej (osteocyta). Ponieważ osteocyty są komórkami położonymi w trudno odkształcalnej, pod wpływem fizjologicznych obciążeń, zmineralizowanej macierzy kostnej, odkształcenia te są z reguły niewielkie. Wykazano, że komórki kości reagują już na deformacje ich błony komórkowej rzędu 0,2-0,4% wymiarów komórki [80].
Rozciągające siły mechaniczne (trakcja), poprzez zmiany wywoływane w błonach komórkowych, mogą wpływać na metabolizm, ekspresję genów i aktywację komórek kości. Oddziaływania takie zaobserwowano w wielu układach komórek, m.in. komórek śródbłonkowych [81]. Poprzez zmianę struktury białek macierzy (m.in. kolagnenu typu I), powodują one występowanie sił naprężeń. Siły te rozkładają się między włóknami białek macierzy "zakotwiczonymi" na ich powierzchniach - każda komórka może być wówczas rozpatrywana jako centrum zbiegających się sił naprężeń [82]. Powodują one zmianę kształtu, zmniejszenie zdolności do proliferacji, zwiększenie ekspresji genów i, w rezultacie, specyficzną wewnątrzkomórkową odpowiedź molekularną, poprzez syntezę odpowiednich białek, prowadząc do wytworzenia trójwymiarowej sieci naczyń krwionośnych. Również wiele innych typów komórek (komórki mięśniówki gładkiej, fibroblasty, osteoblasty - osteoblasts-like cells [83,84,85,86]) w hodowlach in vitro, pod wpływem działania sił zewnętrznych, zachowuje się podobnie, formując trójwymiarowe sieci komórkowe. Istotnym, z klinicznego punktu widzenia, problemem, który wymagał zbadania, było stwierdzenie, czy występujące naprężenia mechaniczne, pojawiające się wskutek fizjologicznego obciążania kończyny, są niezbędne dla wystąpienia prawidłowego zrostu. Uzyskiwane wyniki, zarówno kliniczne, z użyciem kontrolowanego obciążania złamanej kończyny, jak i badania doświadczalne na zwierzętach laboratoryjnych, przynosiły wiele kontrowersji. Sarmiento i wsp. [87] stwierdzili, że odciążenie prowadzi do przyspieszenia zrostu kości udowych królików, Aro i wsp. [4] nie zaobserwowali różnicy w jakości powstającego zrostu u szczurów z paraplegią, podobnie jak Riggins i wsp. [88]. Uzyskiwane wyniki prowadzą do wniosku, że, występujące w obciążonej kończynie napięcia mechaniczne powodują modelowanie kostniny w kierunku zapewnienia jej optymalnej wytrzymałości mechanicznej; nie mają natomiast większego wpływu na przebieg procesów jej tworzenia [89].
Wpływ potencjału elektrycznego na kość
Yasuda [90,91,92], badając zjawiska zachodzące w kości pod wpływem jej obciążenia, zaobserwował powstawanie, na jej krawędziach, ładunków elektrycznych. Stwierdził, że kryształy hydroksyapatytu, stanowiącego około 2/3 masy kości, mają właściwości piezzoelektryczne. Zjawisko to opisał w 1953 roku, zapoczątkowując, tym samym, badania nad zjawiskami elektrycznymi, zachodzącymi w kości pod wpływem jej odkształcania. Badania te zaowocowały odkryciem podobnych zjawisk zachodzących w kolagenie, długich łańcuchach mukopolisacharydów i hodowlach fibroblastów [93,94,95]. Bassett [96,97,98,99], badając polaryzację kości pod wpływem jej odkształcenia stwierdził, że w miejscu jej ściskania powstają zawsze ładunki ujemne, zaś w miejscu rozciągania - dodatnie. Poza, opisanymi powyżej, potencjałami pojawiającymi się pod wpływem odkształcania, w kości występują również niestresowe potencjały spoczynkowe (zwane też bioelektrycznymi). Efektem ich obecności jest ujemna polaryzacja w miejscach aktywnego wzrostu i regeneracji tkanki kostnej. Potencjały te zostały opisane, po raz pierwszy, przez Friedenberga i Brightona [100,101]. W dalszych badaniach na materiale zwierzęcym, implantując do kości elektrody, wielu autorów udokumentowało powstawanie kostniny przy elektrodzie ujemnej. Friedenberg i Kohanim wykazali, że efektem działania prądu stałego, o natężeniu rzędu 1-20 mA, jest nasilona osteogeneza przy katodzie (elektroda dodatnia), z nasiloną osteolizą w okolicy anody (elektroda ujemna) [102]. Ostatnie doniesienia, dotyczące hamowania przez indometacynę osteoindukcyjnego wpływu potencjału elektrycznego na kość wskazują, że biologicznym efektem oddziaływań elektrycznych jest aktywacja uwalniania prostaglandyn, które wywierają silne działania osteoindukcyjne [103]. Indometacyna jest substancją hamującą endogenną syntezę prostaglandyn, poprzez hamowanie cyklooksygenazy [104].
Opisane powyżej zjawiska wpływu potencjału elektrycznego mają tłumaczyć formowanie beleczek kostnych wzdłuż linii napięć, występujących w obciążonej kości podczas jej ciągłego procesu przebudowy. W oparciu o nie tłumaczy się również zjawisko szybkiego postępowania zrostu przy stabilizacji złamania, z zachowaniem niewielkich ruchów w jego obrębie, jak również brak czy jego opóźnienie przy sztywnym zespoleniu. Pierwsze próby zastosowania, do indukcji procesów zrostu kości, elektrostymulacji prądem elektrycznym poprzez implantowane elektrody, pochodzą z lat 60-tych. W licznych zastosowaniach klinicznych wykazano skuteczność tej metody w leczeniu zaburzeń zrostu [105,106]. Od czasu poznania stymulującego wpływu prądu elektrycznego, używane są trzy metody jego praktycznego zastosowania. Wprowadzona przez Dwayera w 1970 roku [107,108], metoda stymulacji bezpośredniej (poprzez implantowane bezpośrednio w kość elektrody), ustąpiła miejsca coraz powszechniejszym metodom półinwazyjnym i nieinwazyjnym. W metodzie półinwazyjnej (Brighton [109]), katoda umieszczona jest bezpośrednio w kości, zaś anoda na powierzchni skóry. W metodzie nieinwazyjnej, źródłem powstającego potencjału elektrycznego jest jego indukowanie przez zmienne pole magnetyczne, poprzez układ położony zewnętrznie, poza organizmem chorego (Bassett [110]). Metody biofizyczne, takie jak stymulacja elektryczna lub elektromagnetyczna braków zrostu oraz stymulacja ultradźwiękowa świeżych złamań kości, były szeroko badane pod kątem możliwości przyspieszania gojenia złamań [111,112]. W badaniach klinicznych, wszystkie trzy wspomniane metody doprowadziły do uzyskania komórkowych i molekularnych dowodów na skuteczność ich oddziaływania w procesie stymulacji proliferacji i różnicowania na poziomie komórkowym oraz, klinicznie, tworzenia zrostu kostnego [113]. Należy jednak zwrócić uwagę, że istnieje duża różnica pomiędzy ich oddziaływaniem biologicznym na staw rzekomy i w oddziaływaniu w świeżym złamaniu [114]. Dlatego też wyniki zastosowania ww. systemów w leczeniu braku zrostu nie mogą być, w sposób automatyczny, transponowane do układu świeżego złamania.
W 1841 roku Hartshorne [115] przedstawił przypadek pacjenta, który, w wyniku złamania w 1821 roku, miał brak zrostu (staw rzekomy) podudzia, wyleczony "wtrząsami elektrycznymi płynu, przepływającego codziennie poprzez przestrzeń pomiędzy odłamami kości" ("shocks of electric fluid passed daily through the space betweeen the ends of the bones"). Lente [116] opisał trzy przypadki zrostu opóźnionego i braku zrostu, zagojone poprzez zastosowanie ogniwa galwanicznego, stosowanego przez 10 minut, 3 razy w tygodniu, przez wiele tygodni. Jednak, pomimo tych skutecznych zastosowań prądu elektrycznego w leczeniu zaburzeń zrostu złamań kości, nie stosowano ich aż do 1953 roku, kiedy to Yusuda przedstawił formowanie kostniny w okolicy ujemnie naładowanej elektrody. Jego kolejnym odkryciem było stwierdzenie generowania potencjałów podczas obciążania kości - w miejscach jej ściskania miała ona potencjał ujemny - w miejscach rozciągania - dodatni. W 1966 r. Friedenberg i Brighton [117] opisali kolejny potencjał elektryczny kości - bioelektryczny w kości w spoczynku. Pojawia się on, w nieobciążonej kości, w miejscach aktywnego wzrostu i procesów naprawczych tkanki.
Na podstawie tych doświadczeń zapoczątkowano wiele doświadczalnych i klinicznych prób zastosowania pola elektrycznego w leczeniu złamań kości i chrząstki. W 1971 roku Friedenberg i wsp. [118] opisali zagojenie stawu rzekomego po użyciu potencjału elektrycznego, a w 1974 Basset i wsp. [119] opisali elektromagnetyczną stymulację w leczeniu braku zrostu. Od tego czasu wielu autorów publikowało uzyskane wyniki, badając wpływ prądu elektrycznego na stymulację zrostu kostnego.
Pomimo, że liczne obserwacje doświadczalne i próby zastosowań klinicznych potwierdzają pozytywny wpływ potencjału elektrycznego na procesy regeneracji tkanki kostnej (gojenie złamań), mechanizm owego działania nie jest w pełni poznany. Niewątpliwie, pole elektryczne jest w stanie wywoływać bezpośrednio wpływ na metabolizm komórkowy. Może być również zależny od ruchu jonów w polu elektrycznym. Zjonizowane substancje polipeptydowe, będące czynnikami wzrostu lub cytokinami, ulegają przyciąganiu do miejsc, w których wywierają swe biologiczne działanie. Pomimo ogromnego postępu, jakiego dokonano dzięki intensywnym badaniom klinicznym i laboratoryjnym na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat, stopień poznania procesów, zachodzących podczas prawidłowego zrostu kostnego oraz czynników powodujących jego zaburzenia, pozostaje nie do końca wyjaśniony. Relatywnie często występujące powikłania, w postaci zrostów opóźnionych i stawów rzekomych, wyraźnie dowodzą, że samo unieruchomienie złamania nie jest czynnikiem wystarczającym dla uzyskania prawidłowego zrostu. Początkowa fascynacja czynnikami mechanicznymi, elektrycznymi, magnetycznymi i wieloma innymi, stymulującymi powstawanie kostniny, w wielu przypadkach pozwoliła na zmniejszenie odsetka powikłań zrostu. Czynniki te nie warunkują jednak powstania prawidłowego zrostu we wszystkich przypadkach.
Badania naukowe pozwalają na coraz głębsze zrozumienie patofizjologii procesów zachodzących podczas zrostu kości i roli elementów komórkowych tkanki kostnej oraz innych, współdziałających w owych procesach, komórek, roli czynników zawartych w macierzy zewnątrzkomórkowej, dając, w niedalekiej przyszłości, możliwość ich regulacji i kontroli na poziomie molekularnym. Duże nadzieje wiąże się obecnie z białkowymi czynnikami, mającymi zdolność bezpośredniej stymulacji i kontroli procesów biologicznych na poziomie molekularnym - cytokinami i czynnikami wzrostu. Odkrycie patomechanizmu ich działania oraz roli, jaką odgrywają w procesach naprawy i przebudowy tkanki kostnej, umożliwiają, w niedalekiej przyszłości, bezpośrednią, pełną kontrolę procesów zachodzących w szparze przełomu.