Xương và quá trình tái tạo xương

Xương là một thành phần cơ bản của cơ thể động vật nói chung và con người nói riêng. Xương không những hoạt động như bộ khung chống đỡ mà còn hỗ trợ và bảo vệ cơ thể. Độ cứng và độ chắc khỏe tạo nên điểm khác biệt của xương với các mô liên kết khác. Đặc điểm này được hình thành nhờ quá trình kết hợp các loại muối vô cơ vào chất nền bao gồm collagen, protein… Ngoài ra, xương còn có khả năng tự phục hồi, thích ứng hình dạng, khối lượng và các đặc tính khác để đáp ứng yêu cầu cơ học.

Thành phần của xương

Xương cấu tạo từ các thành phần sau:

• Protein có chức năng tăng cường cấu trúc collagen và điều chỉnh quá trình khoáng hóa.
• Collagen là các sợi nhỏ được cấu tạo từ ba chuỗi xoắn ốc. Sau đó, các sợi collagen đan xen và liên kết với nhau bằng liên kết chéo nhằm cung cấp bộ khung cho các khoáng chất như canxi và phosphat bám vào.
• Khoáng chất tồn tại dưới dạng tinh thể hydroxyapatite. Nó là kho dự trữ canxi và phosphat nhằm cung cấp cho quá trình cân bằng khoáng chất và tạo nên độ cứng cơ học cũng như độ bền nén cho bộ xương.
• Canxi giúp xương cứng và chắc khỏe.

Xương bao gồm 2 loại mô:

• Xương đặc là lớp ngoài của xương, có tính chất cứng
• Xương xốp là lớp bên trong, ít đặc hơn và có tủy xương bao quanh

Khác biệt về cấu trúc giữa xương đặc và xương xốp tạo nên chức năng đa dạng của chúng. Tỉ lệ xương đặc và xương xốp phụ thuộc vào chức năng của từng loại xương. Ví dụ, xương đốt sống có chức năng chống lại lực nén. Vì vậy, nó cấu tạo từ nhiều xương xốp. Ngược lại, xương dài chủ yếu hoạt động như đòn bẩy nên chúng cấu tạo từ xương đặc nhằm chống lại cả lực nén và lực xoắn.

Quá trình tái tạo xương

Quá trình tái tạo xương là gì?

Tái tạo xương là quá trình xảy ra đồng thời tại nhiều vị trí trên khắp cơ thể. Trong quá trình này, tế bào hủy xương loại bỏ mô xương cũ hoặc tổn thương, sau đó, tế bào tạo xương hình thành mô xương mới. Tái tạo xương vừa bảo vệ tính toàn vẹn của hệ thống xương, vừa góp phần cân bằng canxi và phospho của cơ thể. Ví dụ, khi nồng độ canxi trong máu thấp, tế bào hủy xương sẽ phân hủy mô xương nhằm giải phóng khoáng chất vào máu. Ngược lại, khi nồng độ canxi trong máu cao, tế bào tạo xương sẽ lắng động canxi và phosphat vào mô xương để giảm lượng canxi lưu thông trong máu.

Quá trình tái tạo xương có thể xảy ra trong các trường hợp sau:

• Xương đang phát triển
• Xương chịu áp lực cơ học
• Xương gãy

Quá trình tái tạo xương khác nhau trong từng giai đoạn phát triển của cơ thể. Đối với trẻ em và thanh thiếu niên, cơ thể cần tổng hợp xương nhiều hơn hủy xương. Trong giai đoạn này, xương to dần, nặng hơn và đặc hơn. Đối với người trưởng thành trẻ, khỏe mạnh, lượng xương mới tổng hợp và xương cũ cần phá hủy tương đương nhau. Tuy nhiên, khi cơ thể già đi, quá trình tái tạo xương trở nên mất cân bằng, số lượng xương phá hủy nhiều hơn số lượng xương tạo ra; do đó, xương không còn chắc khỏe và dẫn đến một số bệnh lí.

Diễn biến của quá trình tái tạo xương

Mỗi năm có khoảng 20% mô xương được thay thế thông qua quá trình tái tạo xương. Toàn bộ quá trình mất khoảng 4 đến 8 tháng và diễn ra liên tục trong suốt cuộc đời mỗi người.

Quá trình tái tạo xương gồm năm giai đoạn sau:

Kích hoạt tế bào hủy xương

Trong giai đoạn này, tế bào tiền hủy xương nhận tín hiệu và tập trung tại vị trí xương cần tái tạo. Sau đó, chúng hợp nhất để tạo thành tế bào hủy xương đa nhân. Tế bào hủy xương sau khi hoạt hóa sẽ liên kết với chất nền xương để tạo thành vùng niêm phong xung quanh khu vực cần tái hấp thu xương.

Hủy xương

Tế bào hủy xương bơm proton vào khoang tái hấp thu để hòa tan khoáng chất của xương. Sau đó, các protease phân hủy chất nền xương giàu collagen. Kết thúc giai đoạn này, tế bào hủy xương sẽ chết đi để đảm bảo quá trình tái hấp thu không diễn ra quá mức.

Đảo ngược

Đây là giai đoạn chuyển tiếp từ hủy xương sang hình thành xương. Trong giai đoạn này, tế bào thuộc dòng tế bào tạo xương loại bỏ chất nền collagen chưa khoáng hóa. Sau đó, chúng lắng động chất khoáng của chất nền khoáng hóa không chứa collagen nhằm tăng cường độ bám dính của tế bào tạo xương.

Hình thành

Giai đoạn hình thành xương mới gồm hai bước chính. Đầu tiên, tế bào tạo xương tổng hợp chất nền xương giàu collagen. Tiếp theo, tế bào tạo xương điều khiển quá trình khoáng hóa xương.

Kết thúc

Khi hoàn tất khoáng hóa xương, các tế bào tạo xương sẽ trải qua quá trình apoptosis để biến thành tế bào lót xương hoặc bị chôn vùi trong chất nền xương và biệt hóa thành cốt bào. Cốt bào có vai trò thiết yếu trong quy trình báo hiệu kết thúc tái tạo xương nhờ tiết ra chất đối kháng với quá trình tạo xương.

Các loại tế bào tham gia vào quá trình tái tạo xương

Có hai loại tế bào chính tham gia vào quá trình tái tạo xương là tế bào tạo xương và tế bào hủy xương. Ngoài ra, cốt bào cũng gián tiếp tham gia vào quá trình này.

Chu kì tái tạo xương bắt đầu từ giai đoạn đầu của bào thai và phụ thuộc vào những tương tác giữa hai dòng tế bào. Tế bào tạo xương góp phần vào quá trình phát triển của xương. Nó có nguồn gốc từ trung mô—tế bào gốc có thể biệt hóa thành nhiều loại tế bào khác nhau như tế bào tạo xương, tế bào sụn, tế bào cơ và tế bào mỡ. Tế bào hủy xương có vai trò tiêu xương và có nguồn gốc từ tế bào gốc tạo máu.

Tế bào tạo xương và tế bào hủy xương có chức năng và nguồn gốc khác nhau nhưng cả hai loại tế bào đều trải qua các giai đoạn phát triển bao gồm hoạt hóa, hoạt động và loại bỏ. Khi hai loại tế bào này trưởng thành, chúng thường không di chuyển quá xa khỏi môi trường cục bộ ban đầu.

Chức năng của các tế bào tham gia tái tạo xương

Tế bào tạo xương (osteoblasts)

Tế bào tạo xương hay còn gọi là nguyên bào xương.

Tế bào tạo xương có ba chức năng chính bao gồm:

• Phát triển xương mới
• Định hình lại xương cho phù hợp với quá trình phát triển của cơ thể
• Sửa chữa xương hỏng hoặc gãy

Tế bào tạo xương không hoạt động liên tục, nó chỉ hoạt động khi có tác động của các phản ứng hóa học hoặc hormone. Sau khi được kích hoạt, tế bào tạo xương sẽ di chuyển đến những khu vực xương cần phát triển, củng cố hoặc sửa chữa. Tiếp theo, nó tổng hợp và giải phóng chất nền xương. Thành phần của chất nền xương gồm có protein như collagen kết hợp với canxi, phosphat và một số khoáng chất khác. Khi vào đúng vị trí, chất nền xương cứng lại và tạo thành xương mới khỏe mạnh.

Cốt bào (osteocyte)

Cốt bào là loại tế bào phổ biến nhất và hoạt động như một hệ thống an ninh bên trong xương. Chúng theo dõi những áp lực, căng thẳng tác động đến xương và phản ứng với mọi thứ bao gồm chuyển động cơ thể, lực cơ thể sử dụng và cả chấn thương. Sau đó, cốt bào gửi tín hiệu đến tế bào tạo xương và tế bào hủy xương nhằm sửa chữa mô xương tổn thương. Ví dụ, khi xương bị gãy, cốt bào sẽ kích hoạt phản ứng thu hút tế bào hủy xương đến để phá vỡ xương xung quanh chỗ gãy. Sau đó, tế bào tạo xương đến và tạo ra mô xương mới, tạo điều kiện cho xương lành lại.

Tế bào hủy xương (osteoclast)

Tế bào hủy xương có chức năng phá vỡ mô xương cũ hoặc hỏng nhằm tạo không gian cho các tế bào tạo xương tổng hợp mô xương mới.

Tế bào hủy xương giải phóng enzyme để phá vỡ xương cũ. Sau đó, chúng kích hoạt các phản ứng hóa học trên bề mặt mô xương cũ để hòa tan nó nhằm tạo không gian cho mô mới hơn, khỏe hơn hình thành. Quá trình này gây ra những vết lõm có kích thước khác nhau trên bề mặt xương.

Quá trình hòa tan mô xương cũ không dữ dội như quá trình axit ăn mòn kim loại vì nó được kiểm soát rất chặt chẽ. Tế bào hủy xương chỉ nhắm mục tiêu vào những vị trí cụ thể đã được cốt bào đánh dấu.

Giải phẫu học

Tế bào tạo xương và tế bào hủy xương là các tế bào nhỏ nằm dọc theo màng xương và bên trong xương.

Tế bào tạo xương có hình khối, hơi giống hình hộp. Tế bào hủy xương có kích thước lớn hơn tế bào tạo xương. Chúng có dạng như mái vòm.

Các bệnh liên quan đến quá trình tái tạo xương

Loãng xương

Loãng xương là hiện tượng xương giảm khối lượng khiến nó kém chắc khỏe và dễ gãy.

Loãng xương có thể do các nguyên nhân sau gây ra:

• Quá trình tiêu xương quá mức
• Quá trình hình thành xương giảm trong độ tuổi phát triển
• Tốc độ hình thành xương trong quá trình tái tạo xương giảm

Hai dạng loãng xương phổ biến nhất bao gồm loãng xương nguyên phát và loãng xương sau mãn kinh. Người ta cho rằng hai loại này có chung nguyên nhân là thiếu hụt estrogen đối với nam lẫn nữ.

Xương hóa đá

Quá trình tiêu xương xảy ra kém hơn so với quá trình hình thành xương dẫn đến xương phát triển quá mức. Theo thời gian, bệnh xương hóa đá gây dị dạng cấu trúc xương, từ đó dẫn đến kích ứng cơ học, tổn thương mô tiềm ẩn hoặc giảm khả năng vận động.

Cường giáp và cường cận giáp

Hormone tuyến giáp và tuyến cận giáp kích thích quá trình hình thành và tiêu xương. Sau đó, khối lượng xương giảm sẽ phụ thuộc vào khả năng phản ứng của các tế bào tạo xương. Khi tế bào phản ứng tốt, tình trạng mất xương sẽ không xảy ra. Tuy nhiên, những bệnh nhân cường giáp và cường cận giáp với biểu hiện nghiêm trọng hoặc lớn tuổi có dấu hiệu giảm khối lượng xương.

Bệnh Paget

Tế bào hủy xương của bệnh nhân Paget hoạt động quá mức khiến quá trình tái tạo xương mất cân bằng nên cơ thể tăng tốc độ tạo xương. Do đó, mật độ xương tăng lên, nhưng do mật độ xương không đều giữa các vùng khác nhau nên bệnh nhân có thể xuất hiện tình trạng gãy xương.

Kết luận

Quá trình tái tạo xương giúp bộ xương duy trì các chức năng như chịu lực, bảo vệ và cân bằng nội môi. Chu kì tái tạo đảm bảo xương cũ hoặc xương tổn thương được thay thế và duy trì ổn định quá trình cân bằng khoáng chất. Trong quá trình này, tế bào hủy xương sẽ loại bỏ xương thông qua quá trình tái hấp thu. Sau đó, tế bào tạo xương sẽ tổng hợp collagen mới và bắt đầu giai đoạn khoáng hóa để hình thành xương mới. Cốt bào là tế bào điều phối chính của chu trình tái tạo xương. Nó có vai trò điều khiển tế bào tạo xương và tế bào hủy xương hoạt động hoặc dừng lại.