The remodeling of the skeleton

Abstract

Koštani sustav kralježnjaka vrši dvije glavne uloge: prva je biomehanička uloga koja uključuje podupiranje tijela i zaštitu unutarnjih organa i struktura te inzerciju mišićima u svrhu izvođenja pokreta, a druga uloga je metabolička koja uključuje održavanje mineralne homeostaze organizma. Zato, iako su smatrane „mrtvim” inertnim strukturama, kao što to studenti tijekom svog studija medicine doživljavaju, kosti su metabolički iznimno aktivni organi podvrgnuti kontinuiranim cjeloživotnim promjenama. Tijekom rasta i razvoja kosti se formiraju procesom oblikovanja (engl. bone modeling), što uključuje izgradnju i odlaganje koštanog matriksa na razvojno određenim i biomehanički induciranim mjestima skeleta. Čak i prije negoli se skelet u potpunosti razvije, kosti se počinju kontinuirano pregrađivati (engl. bone remodeling) u svrhu održavanja tkivnog integriteta i biomehaničke funkcije, prilagodbe koštane arhitekture prema mehaničkim zahtjevima i zbog popravaka mikrooštećenja, te ako je potrebno mobilizirati kalcij i fosfor. Proces pregradnje uključuje niz precizno reguliranih i tijesno spregnutih staničnih i molekularnih procesa koje omogućuje koordinirana aktivnost osteocita, osteoblasta i osteoklasta. Ova tri različita tipa stanica koštanog tkiva organizirana su u specifičnu morfološku i funkcionalnu višestaničnu jedinicu (engl. basic multicellular unit) koja obavlja i koordinira dva temeljna procesa u biologiji kosti: razgradnju i izgradnju kosti tijekom ciklusa nazvanog ciklus koštane pregradnje. Ovaj ciklus počinje fazom aktivacije koja uključuje mehanosenzaciju i mehanotransdukciju osteocita ili staničnim odgovorom na sistemski humoralni faktor kao što je paratireoidni hormon. Ovi startni signali potiču stvaranje specifične strukture nad koštanom površinom koju treba pregraditi i nazivamo je odjeljak koštane pregradnje (engl. bone remodeling compartment). Nadalje ovi startni signali aktiviraju osteoklastne prekursore na proliferaciju, diferencijaciju, pričvršćivanje i razgradnju određene koštane površine u sljedećoj fazi resorpcije. Nakon što se razgradi određena količina koštanog matriksa, počinje faza obrata koja uključuje oslobađanje brojnih, još uvijek nedovoljno poznatih činitelja koji povezuju razgradnju i osteoblastnu izgradnju s mineralizacijom kosti u sljedećoj fazi. Kada se stvori ista količina kosti koja se razgradila, slijedi završna faza ciklusa u kojoj se ciklus koštane pregradnje zaustavlja, a koštana površina ulazi u mirnu fazu.The bones of the vertebrate skeleton serve two main functions: the first is biomechanical function which includes support and protection of internal organs and structures, so as providing a muscle attachment for the locomotion and the second is essential metabolic function which includes mineral homeostasis maintaining. In spite skeleton is being presented as “dead”, inert structure, as often medical students learn in anatomy, it is metabolically, extremely active organ and undergoes continuous lifelong changes. Bones are initially formed by modeling processes, which include the production and deposition of bone tissue at developmental and biomechanical sites of the skeleton. Before being fully formed, bones undergo remodeling process which continues throughout life, in order to preserve the structural integrity and biomechanical function, to adjust bone architecture according to mechanical demands, to repair microdamages, and if it is needed, to mobilize stored calcium and phosphorus. The remodeling process involves a series of highly regulated and tightly coupled cellular and molecular processes, performed by coordinated activity of osteocytes, osteoblasts and osteoclasts. These different bone cells are organized into specific morphological and functional bone multicellular units which perform and coordinate two basic bone biology processes: bone resorption and bone formation, throughout a cycle of events called bone remodeling. The bone remodeling cycle starts with phase of activation, which includes mechanosensation and mechanotransduction of the osteocytes, or with cellular response to systemic humoral factors such as PTH. These are start signals which induce a formation of a specific canopy structure over the bone surfaces which need to be remodeled, called the remodeling compartment. Furthermore, these signals will activate osteoclastic precursor to proliferate, differentiate, attach and to resorb bone surface in the following resorption phase. After the certain quantity of bone was removed, the reversal phase occurres, which involves releasing of numerous, yet unknown factors that couple bone resorption and upcoming bone formation and mineralization, which are done by osteoblasts in the formation phase. After the same quantity of new bone was formed, the termination phase proceeds in which the cycle ends and bone surfaces become quiescent or “at rest”