Войти
Mechanostat это термин, описывающий способ, в котором механические нагрузки влияет на структуру кости путем изменения массы (количество костной ткани) и архитектуры (его расположение), чтобы обеспечить структуру, которая сопротивляется привычные нагрузки с экономичным количеством материала. Поскольку изменения в скелете осуществляются за счет процессов формирования ( рост костей ) и резорбции (потеря костной массы), механостат моделирует влияние этих процессов на скелет через их эффекторные клетки, остеоциты, остеобласты и остеокласты. Этот термин был изобретен Гарольдом Фростом : хирург-ортопед и исследователь, подробно описанный в статьях, относящихся к Парадигме скелетной физиологии Юты Фроста и Вебстера Джи в 1960-х годах. Механостат часто определяют как практическое описание закона Вольфа, описанного Юлиусом Вольфом (1836–1902), но это не совсем точно. 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 того, как скелет оптимизировался для своей функции, хотя многие приписывают это Вольфу.
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 механографии ). Адаптация ( контур управления обратной связью ) кости в соответствии с максимальными силами считается процессом на протяжении всей жизни. Следовательно, кость адаптирует свои механические свойства в соответствии с необходимой механической функцией: костная масса, геометрия кости и прочность кости (см. Также индекс напряжения-деформации, SSI) адаптируются 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 / упражнение 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).
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 стимуляции роста костей и, таким образом, предотвращения или помощи в минимизации потери костной массы. Примером такой эффективной тренировки является вибрационная тренировка или вибрация всего тела.
Фрост определил четыре области эластической деформации кости, которые приводят к различным последствиям для контура управления:
Механостат: моделирование и ремоделирование пороговых значений 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 на перелом (около 15000 μStrain).
Приведенные выше комментарии являются частью того, как скелет реагирует на нагрузку, потому что разные кости скелета имеют ряд привычных условий деформации (включая величину, скорость, частоту, периоды отдыха и т. Д.), И они не являются однородными. Цифры в таблице являются чисто теоретическими и могут отражать реакцию центра длинной кости при определенных обстоятельствах. Другие части той же кости и другие кости у одного и 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.
Упругая деформация кости измеряется в μStrain. 1000μStrain = изменение длины кости на 0,1%.
Следует учитывать, что прочность кости сильно 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, было показано, что деформации черепа никогда не превышали 1/10 пикового напряжения большеберцовой кости одного и того же человека с аналогичными различиями в скорости деформации. Это говорит о том, что либо кости черепа очень чувствительны к чрезвычайно низким деформациям, либо что «генетическое базовое» 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 прочной кости черепа.
Типичными примерами влияния максимальных сил и возникающих в результате упругих деформаций на рост или потерю костной ткани являются длительные полеты космонавтов и космонавтов, а также пациентов с параплегией в результате несчастного случая. Продолжительные периоды свободного падения не приводят к потере кости черепа, подтверждая идею о том, что его кость поддерживается генетическим, а не механическим воздействием (кость черепа часто увеличивается во время длительных космических полетов, что, как считается, связано с жидкость перемещается внутри тела).
Пациент с параличом нижних конечностей в инвалидном кресле, который использует свои 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.
Такой же эффект можно наблюдать у космонавтов или космонавтов дальних полетов. Хотя они по-прежнему используют руки почти обычным образом, 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. Он описал их адаптивную реакцию на напряжение в своем «правиле растяжения-гипертрофии»:
Подобно отзывчивости 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.
