Неліктен сүйектер жүктеме кезінде күшейеді?

Тірі тіндер тірі емес материалдардан өз өмір сүру жағдайларына бейімделе алу қабілетімен түбегейлі ерекшеленеді – бұлшықеттер жаттығулар кезінде өседі, тері механикалық әсерден қатайяды, ал иммундық жүйе патогендермен кездескеннен кейін нығаяды. Сүйек тіндері де осы логикаға бағынады, дегенмен оның бейімделу мүмкіндіктері ұзақ уақыт бойы төмен бағаланды. Көпшілік адамдар қаңқаны инертті құрылым ретінде қабылдайды – біржола жасалған берік каркас. Шын мәнінде сүйек – механикалық сигналдарға сезімтал және жүктемеге жауап ретінде өз құрылымын қайта құратын тірі, динамикалық түрде жаңартылатын мүше болып табылады. Бұл механизмді түсіну физикалық белсенділіктің остеопороз бен сынықтардан қорғанудың ең тиімді әдістерінің бірі болып табылатынын түсіндіреді.

Сүйектің тірі мүше ретіндегі құрылымы – негіздер

Жүктеменің сүйектерді неге нығайтатынын түсіну үшін, алдымен олардың қалай құрылғанын түсіну қажет. Сүйек туралы қатты өзгермейтін зат ретіндегі кең таралған түсінік түбегейлі қате.

Сүйек тіндері органикалық матрицадан – негізінен коллаген талшықтары – және олардың арасын толтыратын минералды гидроксиапатит кристалдарынан тұрады. Дәл осы үйлесім сүйекке бірегей механикалық қасиеттер береді – органикалық құрамдаушы икемділік пен сыныққа төзімділікті қамтамасыз етеді, ал минералды бөлік қаттылық пен сығу жүктемелерін көтеру қабілетін береді.

Сүйек тіндерінің ішінде үш негізгі жасуша түрі үнемі жұмыс істейді:

• остеобласттар – органикалық матрицаны синтездейтін және минерализацияны іске қосатын құрылысшы жасушалар;
• остеокласттар – ескі тінді ерітіп, жаңарту үшін орын босататын қиратушы жасушалар;
• остеоциттер – минерализацияланған матрицаға қаланған және механикалық жүктемелердің сенсорлары рөлін атқаратын піскен жасушалар.

Дәл осы жасушалардың үнемі өзара әрекеттесуі қирату мен құрылыстың үздіксіз циклін, яғни ремоделингті қолдайды. Ересек адамның барлық сүйек массасының шамамен 10 пайызы жыл сайын жаңартылады – қаңқа өзін шамамен он жылда бір рет толығымен ауыстырады.

Жүктемеге жауап механизмі – сүйек сигналды қалай «естиді»

Сүйек тіндерінің механикалық әсерлерге құрылымын өзгерту арқылы жауап беру қабілетін ХІХ ғасырда неміс анатомы Юлиус Вольф сипаттаған. Оның тұжырымдаған қағидасы – «Вольф заңы» – сүйектің өз құрылымын өзіне әсер ететін жүктемелерге бейімдейтінін айтады. Дегенмен бұл құбылыстың молекулалық механизмдерін тек ХХ-ХХІ ғасырларда ғана түсіндіру мүмкін болды.

Механикалық сигналдарды қабылдауда остеоциттер – минерализацияланған тін ішіндегі кішкентай қуыстарға қамалған жасушалар – шешуші рөл атқарады. Олардың ұзын өсінділері өте жіңішке арналар арқылы жалғасып, бүкіл сүйекті жүйке жүйесі сияқты тесіп өтетін тармақталған желіні құрайды.

Сүйек жүктемеге ұшыраған кезде келесі орын алады.

1. Сүйек матрицасының механикалық деформациясы түтікше жүйедегі сұйықтықтың микроскопиялық ағындарын тудырады. Осы сұйықтықтың остеоцит өсінділері бойымен қозғалуы жасуша мембранасының механикалық тітіркенуін тудырады – бұл механотрансдукция деп аталады. Остеоцит сұйықтықтың ығысу кернеулері арқылы деформацияны әдеби түрде «сезеді».
2. Осы тітіркенуге жауап ретінде остеоцит көптеген гендердің экспрессиясын өзгертіп, сигналдық молекулаларды бөле бастайды. Олардың ішінде простагландин E2, азот оксиді және склеростин ақуызы ерекше рөл атқарады. Жүктеме кезінде склеростин деңгейінің төмендеуі остеобласттардың белсенділігін іске қосатын ең маңызды сигнал болып табылады.
3. Остеобласттар сүйек матрицасының синтезін дәл деформация ең маңызды болған учаскелерде күшейту туралы «бұйрық» алады. Бұл жергілікті бейімделу феноменін түсіндіреді – сүйек біркелкі емес, қажетті жерде нығаяды. Мысалы, теннисшінің жетекші қолындағы сүйек жұмыс істемейтін қолына қарағанда тығыздау болады.
4. Сонымен қатар, жүктелген аймақтарда остеокласттардың белсенділігі төмендейді – тіннің қирауы дәл белсенді құрылыс жүріп жатқан жерде тежеледі. Екі жасуша популяциясының осы үйлестірілген жауабы жүйелі жүктемеге жауап ретінде сүйек массасының таза өсімін қамтамасыз етеді.

Механикалық тітіркенуден құрылымдық өзгеріске дейінгі бұл каскад күндер мен апталарды алады – дәл сондықтан жаттығулардың сүйек тығыздығына әсері бірден емес, біртіндеп байқалады.

Пьезоэлектрлік эффект – сүйек ішіндегі электричество

Сұйықтық ағындарынан басқа, механикалық сигналды биологиялық жауапқа берудің тағы бір механизмі бар – пьезоэлектрлік эффект. Бұл құбылыс ұзақ уақыт бойы қызықты жайт деп саналды, дегенмен бүгінде сүйек механотрансдукциясының маңызды компоненті ретінде танылды.

Сүйектің органикалық қаңқасын құрайтын коллаген талшықтары деформация кезінде әлсіз электричестволық потенциалдарды тудырады. Сүйектің сығылған жағы теріс зарядқа ие болады, созылған жағы – оң зарядқа. Сүйек тіндерінің жасушалары осы өрістерге сезімтал және оларға өз белсенділігін өзгерту арқылы жауап береді.

Бұл ашылудың практикалық маңызын асыра бағалау мүмкін емес:

• сығылған жақтағы теріс заряд остеобласттардың келуін ынталандырады және минерализацияны дәл ең үлкен жүктеме аймақтарында күшейтеді;
• физикалық жаттығулар арқылы жасалатын электричестволық өрістер сүйек бойымен тікелей деформациядан гөрі алысыраққа таралуы мүмкін;
• бұл механизм медицинада қолданылады – электричестволық стимуляция қиын сынықтардың бірігуін жеделдету үшін пайдаланылады;
• бірікпейтін сынық аймағында әлсіз токтар тудыратын имплантацияланатын құрылғылар дәл табиғи пьезоэлектрлік сигналды қайталайтындықтан клиникалық маңызды нәтижелер көрсетеді.

Осылайша, физикалық жүктеме әдеби түрде «электричестволық» тұрғыдан сүйек түзілуін ынталандырады – бұл физика пьезоэлектричествоны сипаттағанға дейін әлдеқайда бұрын эволюция таңдаған механизм.

Қандай жүктеме түрлері ең тиімді

Кез келген физикалық белсенділік сүйектердің нығаюын бірдей ынталандырмайды. Жүктеменің түрі, қарқындылығы және сипаты қаңқаның бейімделуші жауабы қаншалықты күшті болатынын анықтайды.

Сүйек ремоделингі үшін ең тиімділері так называемые «соққы» жүктемелері болып табылады – беттесу кезінде күрт, қарқынды механикалық импульстер туындайтындар. Дәл олар матрицаның ең үлкен деформациясын және ең қуатты пьезоэлектрлік сигналды тудырады.

Сүйек денсаулығы үшін әртүрлі белсенділік түрлерінің тиімділігі келесідей бөлінеді:

• жүгіру және секіру – бетпен жанасу кезіндегі қайталанатын соққы импульстарының арқасында өте тиімді;
• салмақпен күш жаттығулары – сүйектерге айтарлықтай қысу жүктемесін тудыратындықтан ерекше тиімді;
• билер және бағытты күрт өзгертетін командалық ойындар – жүктеме бағыттарының әртүрлілігімен жақсы;
• жүру – әсіресе қарқынды жүктемелерге қарсы көрсетілімі бар егде адамдар үшін орташа тиімді;
• жүзу және велоспорт – су ортасы немесе велосипед орындығы соққы импульстарын жоятындықтан сүйектердің нығаюын әлсіз ынталандырады.

Сүйектің жаңа стимулдарға бейімделетінін, бірақ әдеттегілерге тез үйренетінін түсіну ерекше маңызды. Нығаюды жалғастыру үшін жүктемені біртіндеп арттыру немесе оның әртүрлілігі қажет – бұлшықет физиологиясынан жақсы белгілі қағида қаңқаға да толығымен қолданылады.

Жас және сүйектер – жүктеме қашан әсіресе маңызды

Сүйек тіндерінің механикалық стимулдарға жауап беру қабілеті өмір бойы сақталады, дегенмен оның айқындылығы мен салдары әртүрлі кезеңдерде елеулі ерекшеленеді.

Балалық шақ және жасөспірімдік шақ сүйек массасының «бастапқы капиталын» қалыптастыру үшін сыни маңызды болып табылады. Дәл осы кезеңде қаңқа жүктемеге ең белсенді жауап береді және сүйек массасының шыңына қосылған әрбір пайыз ересек жастағы сынық қаупін азайтады.

Жас бойынша сүйек метаболизмінің өзгеру заңдылықтары жақсы белгілі:

• 25-30 жасқа дейін жаңа тін ескіге қарағанда жылдамырақ құрылады – бұл сүйек массасының шыңын жинау кезеңі;
• 30-дан шамамен 50 жасқа дейін құрылыс пен қирау арасындағы тепе-теңдік шамамен теңестірілген;
• 50 жастан кейін әйелдерде және сәл кейінірек ерлерде сүйек массасының біртіндеп таза жоғалуы басталады;
• әйелдерде менопаузадан кейінгі алғашқы жылдарда эстроген деңгейінің төмендеуіне байланысты жоғалу жылдамдығы күрт артады.

Дәл егде адамдар үшін тұрақты физикалық белсенділік медициналық қажеттілік сипатына ие болады. Зерттеулер көрсеткендей, 65 жастан асқан адамдардағы күш жаттығулары мен жүру сынық жиілігін сенімді түрде азайтады – бұл тек сүйектерді нығайту арқылы ғана емес, сонымен қатар құлау қаупін азайтатын бұлшықет тепе-теңдігі мен үйлесімділігін жақсарту арқылы.

Ғарышкерлер және төсек режимі – кері эффект

Сүйек беріктігін қолдаудағы жүктеменің рөлінің ең сенімді дәлелі ол жоғалған жағдайлар болып табылады. Салмақсыздық және ұзақ иммобилизация сүйек тіндерінің таңғажайып жылдамдықпен жоғалуына әкеледі.

Халықаралық ғарыш станциясындағы ғарышкерлер ай сайын сүйек массасының шамамен 1-2 пайызын жоғалтады – салыстыру үшін, остеопорозы бар егде адамдар жылына шамамен 1-2 пайыз жоғалтады. Орбитада алты ай болғаннан кейін қаңқаның жүктеме түсетін учаскелеріндегі – омыртқа, жамбас, балтыр – сүйек тығыздығы соншалықты төмендейді ки, Жерге оралған кезде сынық қаупін тудырады.

Ұқсас өзгерістер, дегенмен аз айқын, ұзақ төсек режимі, сал ауруы және аяқ-қолдарды иммобилизациялау кезінде орын алады:

• алты апталық қатаң төсек режимі кезінде төменгі аяқ-қолдардағы сүйек тығыздығы шамамен 1 пайызға төмендейді;
• төменгі аяқ-қолдардың сал ауруы кезінде бірнеше жыл ішінде салданған сегменттердегі сүйек массасының жоғалуы 25-40 пайызға жетеді;
• тіпті бір аяқ-қолды гипспен толық иммобилизациялау бірнеше апта ішінде тығыздықтың өлшенетін жоғалуына әкеледі;
• жүктеме қалпына келтірілгеннен кейін сүйек жоғалған массаны біртіндеп қайтарады, дегенмен бұл процесс оның жоғалуына қарағанда әлдеқайда баяу жүреді.

Дәл ғарышкерлерге бақылау сүйек механотрансдукциясы механизмдерін белсенді зерттеуді ынталандырды – бұл процестерді түсіну ұзақ ғарыштық ұшуларда экипаждардың денсаулығын қорғау әдістерін әзірлеу үшін қажет.

Сүйектер жүктемеден табиғатқа қарама-қайшы келгендіктен емес, оның арқасында берік болады – бұл механизм ресурстарды үнемді жұмсауға және оларды қажетті жерге ғана жұмсауға қабілетті ағзаларды іріктеген миллиондаған жылдық эволюцияның нәтижесі болып табылады. Сүйек ремоделингінің биологиясын түсіну остеопороздың алдын алудың ғылыми негізделген стратегияларына жол ашады – қоспаларды пассивті тұтыну арқылы емес, дұрыс таңдалған физикалық жаттығулар арқылы қаңқаға белсенді әсер ету арқылы. Дәл тұрақты жүктеме, кальций мен Д дәруменін жеткілікті тұтыну комбинациясы жасқа және сүйек тығыздығының бастапқы деңгейіне қарамастан сүйек жүйесінің ұзақ мерзімді денсаулығы құрылатын іргетас болып табылады.