Механостат - Mechanostat

В Механостат - это термин, описывающий способ, которым механическая нагрузка влияет на структуру кости, изменяя массу (количество кости) и архитектуру (ее расположение), чтобы обеспечить структуру, которая выдерживает обычные нагрузки с экономичным количеством материала. Поскольку изменения в скелете совершаются процессами формирования (рост костей ) и резорбции (потеря костной массы), механостат моделирует влияние этих процессов на скелет через их эффекторные клетки, остеоциты, остеобласты и остеокласты. Термин был изобретен Гарольд Фрост: хирург-ортопед и исследователь, подробно описанный в статьях, посвященных Frost and Webster Jee's Парадигма скелетной физиологии штата Юта[1][2][3][4][5] в 1960-е гг. Механостат часто определяют как практическое описание Закон Вольфа описанный Юлиус Вольф (1836–1902), но это не совсем так. Вольф писал свои трактаты о кости после того, как изображения срезов костей были описаны Кульманом и фон Мейером, которые предположили, что расположение распорок (трабекул) на концах костей соответствует нагрузкам, испытываемым костью. С тех пор было установлено, что статические методы, использованные для этих расчетов линий напряжения, не подходили для работы с изогнутыми балками, открытие, которое Лэнс Ланьон, ведущий исследователь в этой области, назвал «триумфом единого целого. хорошая идея по математике ". В то время как Вольф объединил работы Кульманна и фон Мейера, именно французский ученый Ру впервые использовал термин «функциональная адаптация» для описания способа, которым скелет оптимизировал себя для своей функции, хотя Вольф многие приписывают это.

Согласно Механостату, рост и потеря костной массы стимулируются местной механической упругой деформацией кости. Причиной упругой деформации кости являются пиковые силы, вызываемые мышцами (например, измеряемые с помощью механография ). Адаптация (обратная связь контур управления ) кости в соответствии с максимальными усилиями считается процессом на всю жизнь. Следовательно, кость адаптирует свои механические свойства в соответствии с необходимой механической функцией: костной массой, геометрией кости и костью. сила (смотрите также Индекс напряжения-деформации, SSI) адаптироваться к повседневному использованию / потребностям. «Максимальная сила» в этом контексте - это упрощение реального воздействия на кость, которое инициирует адаптивные изменения. Хотя величина силы (например, вес груза) является важным фактором, определяющим ее влияние на скелет, она не единственная. Скорость приложения силы также имеет решающее значение. Медленное приложение силы в течение нескольких секунд не воспринимается костными клетками как стимул, но они чувствительны к очень быстрому приложению силы (например, ударам) даже меньшей величины. Считается, что высокочастотная вибрация кости при очень низких величинах стимулирует изменения, но исследования в этой области не совсем однозначны. Понятно, что кости лучше реагируют на нагрузку / упражнения с перерывами между отдельными упражнениями, так что две нагрузки, разделенные десятью секундами отдыха, являются более мощными стимулами, чем десять нагрузок в течение тех же десяти секунд.

Благодаря этому контуру управления существует линейная зависимость в здоровом теле между площадью поперечного сечения мышцы (как суррогат для типичных максимальных сил, которые мышца может производить в физиологических условиях) и площадью поперечного сечения кости (как суррогат для кости. сила).[6][7]

Эти отношения имеют огромное значение, особенно при таких условиях потери костной массы, как остеопороз, поскольку адаптированная тренировка с использованием необходимых максимальных усилий на кость может использоваться для стимулирования роста костей и, таким образом, предотвращения или помощи в минимизации потери костной массы. Примером такого эффективного обучения является вибрационная тренировка или же вибрация всего тела.

Моделирование и ремоделирование

Фрост определил четыре области эластической деформации кости, которые приводят к различным последствиям для контура управления:

Механостат: моделирование и ремоделирование пороговых значений
  • Неиспользование:
    Напряжение <примерно 800 мкм Напряжение: Ремоделирование (адаптация костей и восстановление костей) Костная масса и прочность костей снижены.
  • Адаптированное состояние:
    Напряжение между примерно 800 мкСм и примерно 1500 мкМ: ремоделирование (восстановление кости) Костная масса и прочность кости остаются постоянными (гомеостаз: резорбция кости = формирование кости).
  • Перегрузка:
    Напряжение> около 1500 мкСтрейн: Моделирование (рост кости): костная масса и прочность костей увеличиваются.
  • Перелом:
    Деформация> около 15000 μ Растяжение: превышена максимальная упругая деформация, что приводит к перелому костей.

В соответствии с этим типичная кость (например, большеберцовая кость ) имеет запас прочности от 5 до 7 между типичной нагрузкой (от 2000 до 3000 μStrain) и нагрузкой разрушения (около 15000 μStrain).

Приведенные выше комментарии являются частью того, как скелет реагирует на нагрузку, потому что различные кости скелета имеют ряд привычных условий деформации (включая величину, скорость, частоту, периоды отдыха и т. Д.), И они не являются однородными. Числа в таблице являются теоретическими и могут отражать реакцию центра длинной кости при определенных обстоятельствах. Другие части той же кости и другие кости у того же человека испытывают разную нагрузку и адаптируются к ним, несмотря на разные пороги между неиспользованием, поддержанием и адаптивным формированием. Кроме того, структура костей контролируется комплексом различных факторов, таких как кальциевый статус, эффекты гормонов, возраст, диета, пол, болезни и фармацевтические препараты. Кость, испытывающая то, что при некоторых обстоятельствах может рассматриваться как стимул для образования большего количества материала, может либо поддерживаться на постоянном уровне при низком уровне циркулирующего кальция, либо такая же нагрузка может просто уменьшить количество резорбции, испытываемой у пожилого человека с костью. истощающая болезнь.

Единица: Штамм E

Упругая деформация кости измеряется в μStrain.[2][3] 1000μStrain = изменение длины кости на 0,1%.

  • Напряжение E по длинне л и изменение длины Δл:

Следует учитывать, что прочность кости во многом зависит от геометрии и направления действующих сил по отношению к этой геометрии. Например, нагрузка на перелом для осевых сил большеберцовой кости примерно в 50-60 раз превышает массу тела. Разрушающая нагрузка для сил, перпендикулярных осевому направлению, примерно в 10 раз ниже.

Различные типы костей могут иметь разные пороги моделирования и ремоделирования. Порог моделирования большеберцовой кости составляет около 1500 μStrain (изменение длины 0,15%), в то время как порог моделирования для частей костей черепа совершенно другой. Некоторые части черепа, такие как нижняя челюсть (нижняя челюсть), испытывают значительные силы и напряжения во время жевания, но купол черепа должен оставаться прочным, чтобы защитить мозг, даже если он не испытывает того, что можно было бы рассматривать как стимулирующее напряжение. В одном исследовании, в котором деформации были измерены в черепе живого человека (Hillam et. Al., J.Biomech2016), было показано, что деформации черепа никогда не превышали 1/10 пикового напряжения большеберцовой кости того же самого человека. индивидуальные, с аналогичными различиями в скоростях деформации. Это говорит о том, что либо кости черепа очень чувствительны к чрезвычайно низким деформациям, либо что «генетическое исходное» количество кости в черепе, которое фактически не используется, не изменяется под действием нагрузки. Являются ли черепа боксеров толще, чем у обычных людей - это интригующий вопрос, на который пока нет ответа.

Поскольку физические и материальные свойства кости не изменяются в разных типах костей тела, эта разница в пороге моделирования приводит к увеличению костной массы и прочности кости, таким образом, к повышенному коэффициенту безопасности (соотношение между нагрузкой на перелом и типичными нагрузками). для черепа по сравнению с большеберцовой костью. Более низкий порог моделирования означает, что одинаковые типичные ежедневные нагрузки приводят к «более толстой» и, следовательно, более сильной кости черепа.

Примеры

Типичными примерами влияния максимальных сил и результирующих упругих деформаций на рост или потерю костной массы являются протяженные полеты космонавты и космонавты, а также пациенты с параплегия из-за аварии. Длительные периоды свободного падения не приводят к потере кости черепа, подтверждая идею о том, что его кость поддерживается генетическим, а не механическим влиянием (кость черепа часто увеличивается во время длительных космических полетов, что, как считается, связано с жидкость перемещается внутри тела).

Пациент с параличом нижних конечностей в инвалидной коляске, который использует руки, но не ноги, будет страдать от массивной потери мышц и костей только в ногах из-за того, что ноги не используются. Однако мышцы и кости рук, которые используются каждый день, останутся прежними или даже могут увеличиться в зависимости от использования.[8]

Такой же эффект можно наблюдать у космонавтов или космонавтов дальних полетов.[9] Хотя они все еще используют свои руки почти нормально, из-за отсутствия гравитации в космосе на кости ног не действуют максимальные силы. На Земле игроки, которые долгое время занимаются ракетным спортом, испытывают аналогичные эффекты, когда в доминирующей руке может быть на 30% больше кости, чем в другой, из-за асимметричного приложения силы.

Гарольд Фрост применил модель механостата не только к скелетным тканям, но и к фиброзным коллагеновым соединительным тканям, таким как связки, сухожилия и фасции.[10][11] Он описал их адаптивную реакцию на напряжение в своем «правиле растяжения-гипертрофии»:

«Прерывистое растяжение вызывает гипертрофию коллагеновых тканей до тех пор, пока результирующее увеличение силы не снизит удлинение при растяжении до некоторого минимального уровня».[12]

Подобно реактивности костных тканей, этот адаптационный ответ возникает только в том случае, если механическое напряжение превышает определенное пороговое значение. Гарольд Фрост предположил, что для плотных коллагеновых соединительных тканей соответствующее пороговое значение составляет около 4% удлинения при деформации.[13]

Литература

  1. ^ Фрост Х.М .: Определение остеопении и остеопороза: другой взгляд (с выводами из новой парадигмы), Bone 1997, Vol. 20, № 5, 385–391, PMID  9145234
  2. ^ а б Фрост Х.М .: Парадигма физиологии скелета штата Юта. 1, ИСМНИ, 1960 г.
  3. ^ а б Фрост Х.М .: Парадигма физиологии скелета штата Юта. 2, ИСМНИ, 1960 г.
  4. ^ Фрост Х.М .: Парадигма физиологии скелета штата Юта: обзор ее идей для органов костей, хрящей и коллагеновой ткани, J Bone Miner Metab. 2000; 18: 305–316, PMID  11052462
  5. ^ Фрост Х.М., Шенау Э .: Мышечно-костный блок у детей и подростков: обзор, 2000, J. Pediatr Endorcrinol Metab 13: 571–590, PMID  10905381
  6. ^ Шенау Э., NeuC.M., Бек Б., Манц Ф., Раух Ф .: Содержание минеральных веществ в костях на площадь поперечного сечения мышцы как показатель функциональной мышечно-костной единицы, J Bone Mineral Res, Vol.17, S.1095–1101, 2002, PMID  12054165
  7. ^ Schießl H., Frost H.M., Jee W.S.S .: Эстроген и кости, сила мышц и взаимосвязь массы, Bone, Vol.22, S.1–6, 1998, PMID  9437507
  8. ^ Эзер П. и др .: Взаимосвязь между продолжительностью паралича и структурой кости: исследование pQCT у лиц с травмой спинного мозга, Bone, Vol.34, S.869–880, 2004, PMID  15121019
  9. ^ Блоттнер Д., Саланова М., Пюттманн Б., Шиффл Г., Фельзенберг Д., Буеринг Б., Риттвегер Дж .: Структура и функция скелетных мышц человека сохраняются за счет упражнений с вибрацией мышц после 55 дней тренировок. постельный режим, Eur J. Appl Physiol, 2006, Vol. 97, С. 261–271, Дои:10.1007 / s00421-006-0160-6 PMID  16568340
  10. ^ Фрост, Гарольд «Новые мишени для исследований фасций, связок и сухожилий: взгляд из парадигмы физиологии скелета Юты» J Musculoskel Neuron Interact 2003; 3 (3): 201–209
  11. ^ Фрост, Гарольд "Физиология хрящевой, фиброзной и костной ткани. C.C. Thomas, 1972"
  12. ^ Frost, Harold "Физиология хрящевой, фиброзной и костной ткани. C.C. Thomas, 1972, стр. 176
  13. ^ Фрост, Гарольд «Имеет ли передний крестообразный порог моделирования? Довод в пользу утвердительного». J Musculoskel Neuron Interact 2001; 2 (2): 131–136

внешняя ссылка

  • ISMNI - Международное общество скелетно-мышечных и нейронных взаимодействий