منابع مقاله درباره بافت استخوان، عوامل محیطی، طبیعت انسان

استخوان‌سازی اولیه یا جنینی
این نوع بافت اولین بافت استخوانی است که در دوران جنینی و تعمیر شکستگی شکل می‌گیرد. مشخصه این نوع بافت قرارگرفتن فیبرهای کلاژن به صورت تصادفی است.
در جریان جنین‌زایی، تکامل استخوان دراز تحت تاثیر فرآیندی به نام استخوان‌زایی درون غضروفی 29و استخوان پهن به کمک فرآیندی به نام استخوان‌زایی درون غشایی30 صورت می‌گیرد.

الف) استخوان‌سازی درون غضروفی
استخوان‌های طویل (فمور، تیبیا، استخوان بازو، رادیوس) در اوایل رشد جنین به فرم غضروف می‌باشد و از فشردگی بافت مزانشیم، کندروسیت به وجود می‌آید. استخوان‌سازی غضروفی در نقاطی از غضروف به نام مرکز ابتدایی استخوان‌سازی شروع می‌شود و حاصل آن در اوایل تولد جنین استخوانهای کوتاه می‌باشد. همچنین شکل‌گیری دیافیز استخوان‌های دراز، استخوان‌های کوتاه، ….بر عهده این نوع استخوان‌سازی است (شکل 1-13).
ب) استخوان‌سازی درون غشایی
این نوع استخوان‌سازی مسئول شکلگیری استخوان‌های پهن چون جمجمه، فک، آرواره و ترقوه می‌باشد. مراحل این فرایند شامل: 1) شکلگیری مرکز استخوان‌سازی 2) کلسیفه‌شدن 3) تشکیل ترابکولار 4) رشد پریستئوم (پوشش استخوان).
فرم این نوع استخوان‌ها در حالت جنینی به صورت بافت همبند مزانشیم است و گروهی از این سلول‌ها متمایز شده و به سلول‌های استئوبلاست مبدل می‌شوند. استئوبلاست‌ها در ابتدا ماتریکس غیرمعدنی و رشته‎‌ای شکل استئوئید را ترشح کرده که در نهایت معدنی شده و به استخوان فشرده تبدیل می‌گردد (32) (شکل1-14).

شکل 1-13: فرآیند استخوانی شدن درون غضروفی با فشردگی مزانشیم:a) تجمع سلول‌های پیش استئوبلاست b)تشکیل غضروف هیالن c) مرکز ابتدایی استخوان‌سازیd) مرکز ثانویه استخوان‌سازیe) استخوان با حفره مغزی و انتهاهای اپی‌فیزال f) رگ‌های خونی تغذیه‌کننده – منبع:(32).

شکل1-14: استخوان‌سازی درون‌غشایی: a) تجمع سلولهای پیش‌ساز استئوبلاست، b) ماده زمیته بی‌شکل و شبکه کلاژن شکل گرفته در مرکز و بین سلول‌ها، c) سلول بنیادی مزانشیم تمایزیافته به استئوبلاست‌ها که استئوئید را سنتز می‌کند، d) بافت استخوان ابتدایی توسط استئوبلاست‌ها شکل‌گرفته است (32).
1-5-2 استخوان‌سازی ثانویه
پس از تولد بافت جنینی با استخوان بالغ (ثانویه) جایگزین می‌گردد. در این مرحله رشد طولی و عرضی استخوان انجام می‌شود و تا حدود سن 21 سالگی ادامه دارد. این نوع از استخوان‌سازی تحت تاثیر عواملی چون ژنتیک، تغذیه و عوامل محیطی می‌باشد (32).
1-5-3 دوباره‌سازی31 استخوان
دوباره‌سازی استخوان فرآیندی حیاتی ‌و پویا در بافت استخوان بالغ بوده که شامل مرحله‌ی حذف اسکلت استخوان (بازجذب استخوان32) و مرحله‌ی شکل‌گیری استخوان جدید (استخوان‌زایی33)است. فرآیند دوباره‌سازی برای تکامل، بلوغ، حفظ و نگهداری استخوان ضرورت دارد. در هر دو مرحله این فرآیند مسیرهای سیگنالی میزان مناسبی از رشد و تمایز را موجب می‌شوند. این مسیرهای سیگنالی شامل فعالیت هورمون‌هایی چون پاراتیروئید (PTH)، 1و 25 دی هیدروکسی کوله کلسیفرول، هورمون رشد، استروئید و کلسی‌تونین و سایتوکین TGF-β، IGF می‌شوند (35, 36). هر دو فرآیند تجزیه و ساخت نه تنها از بعد کمی بلکه از بعد زمانی و مکانی نیز هماهنگ هستند و در صورت وقوع عدم تعادل بین این دو فرآیند بیماری حاصل می‌گردد. به طور مثال زمانی که استئوکلاست‌ها افزایش فعالیت و یا استئوبلاست‌ها کاهش فعالیت داشته باشند، پدیدهی پوکی استخوان حادث می‌شود (شکل1-15).

شکل1-15: دوباره‌سازی استخوان، جذب استخوان توسط سلول استئوکلاست و تشکیل استخوان توسط استئوبلاست انجام می‌گیرد(32) .

1-6 هتروژن بودن کشت سلول بنیادی مزانشیمی
از ویژگی‌های شاخص سلول‌های مزانشیمی کلون‌زا بودن این سلول‌ها در کشت اولیه است. کلونی‌های منفرد که هرکدام از یک سلول مشتق شده است، از لحاظ پتانسیل تمایز هتروژن هستند. حدود یک سوم کلون‌های کشت اولیه سلول‌های چسبنده مغز استخوان از لحاظ تمایزی چندتوان بوده و قادرند به سه رده استخوان، غضروفی و چربی تمایز یابند. در حالی‌که بقیه تنها پتانسیل دو رده‌ای (استخوان و غضروف) یا تک رده‌ای (استخوان) دارند.
سلول مزانشیم مغز استخوان پتانسیل تمایزی به هر سه رده را دارد (32). سلولهاي بنيادي مزانشيمي مغز استخوان، تحت شرايط خاصي توان تمايز به انواع سلولهاي غير مزانشيمي نظير سلولهاي كبدي، سلولهاي ششي (37)، سلولهاي عضله اسكلتي، سلولهاي عضله صاف (38)، سلولهاي عضله قلبي، سلولهاي اپيتليال روده اي و نورون (39)را نيز دارند.
1-6-1 شرایط آزمایشگاهی تمایز مزانشیم به استخوان
برای تمایز به استخوان، روش کار آزمایشگاههای مختلف یکسان است. برای این منظور پس از این که سلول‌های بنیادی مزانشیم جدا شدند و با انجام چند پاساژ تکثیر یافتند، سلول‌های پاساژ 2یا 3 با استفاده از محیط کشت مناسب (DMEM) حاوی 15-10 درصد سرم گاوی کشت داده شده تا به مرحله confluency (مرحله ای که در آن تمام کف ظرف پر از سلول است) برسند. در این زمان محیط تکثیری خارج میگردد و محیط استئوژنیک به کشت سلول اضافه می‌شود. این محیط شامل DMEM محتوی 50 میکروگرم در میلیلیتر Ascorbic Acid 2-phosphate، 10 نانومولار Dexamethasone و 10 میلی مولار β-Glycerol Phosphate است. سلولها در آنکوباتور 37 درجه سانتیگراد و 5 درصد CO2 به مدت 21 روز انکوبه می‌شوند و هر دو روز یک بار محیط آنها تعویض میگردد و در پایان تمایز، وقوع تمایز استخوانی با روش آلیزارین رد برای ماتریکس معدنی شده ارزیابی می‌گردد (40).
1-6-2 تنظیم مولکولی تمایز به استخوان سلول‌های بنیادی مزانشیمی
القای تمایز به استخوان، فرایندی کاملا برنامه‌ریزی شده است. حضور گلوکوکورتیکوئید، دگزامتازون در محیط استخوانی از تمایز به استخوان سلول‌های بنیادی مزانشیمی حمایت می‌کند و فسفات آلی نظیر بتا گلیسرول فسفات در معدنی شدن استخوان نقش دارد. فسفات‌های آزاد سبب بیان نشانگرهای استخوانی چون استئوپونتین و بیان ژن تنظیمی استخوان‌زایی نظیر Cbfa1 می‌شوند (41).
علاوه بر مواد معمول استخوان‌زا یعنی دگزامتازون، بتاگلیسرول فسفات و آسکوربیک اسید فسفات، از اعضای خانواده BMP34 نیز برای تمایز به استخوان سلول‌های بنیادی مزانشیمی استفاده می‌شود. BMP، به تنهایی قادر است تعداد ندول‌های استخوانی و میزان نشست کلسیم را در کشت استخوان‌زایی افزایش دهد. بیان فاکتور Cbfa1 (فاکتور اتصال- هسته‌ایa-1)35 و پروتئین مورفوژنیک استخوان (BMPs) و Runx2 که تولیدکننده پروتئین‌های ماتریکس استخوان است، تنظیم‌کننده‌های بالقوه تمایز سلول‌های مزانشیم به استئوبلاست هستند. بیان Cbfa1 اولین نشانه تمایز استئوژنیک است و ماکزیمم سطح آن در سلول‌های پیش استئوبلاست بیان می‌شود. کلاژن نوع 1 و استئوپوینتین نیز در اوایل تشکیل پیش استئوبلاست‌ها بیان می‌شوند (41).
سیالوپروتئین استخوان36(BSP) و استئوکلسین (OCN)37مارکرهای تمایز پیش استئوبلاست به استئوبلاست و نشان‌دهنده شروع معدنی‌شدن هستند و بیان این پروتئین‌ها در مراحل پایانی تمایز استئوبلاستیک است. تمایز به رده استئوبلاست توسط ژن‌های خانواده هجوگ38 چون Ihh (ایندین هجوگ)39و Shh (سونیک هجوگ)40کنترل می‌شود. دیگر فاکتورهای بیانی دخیل در تنظیم تکثیر و بلوغ استئوبلاست‌ها شامل پروتئین‌های زینک- فینگر41، پروتئین‌های رانت- دومین42 و پروتوانکوژن‌هایی چون c-myc، c-jum و c-fos می‌باشند (شکل1-16) (42).

شکل1-16: مراحل فرآیند استئوژنیک و ژنهای کنترلی آن(www.reacube.com(.
1-6-3 نقش سیگنال دهی Wnt در تمایز سلول های بنیادی مزانشیم به استخوان
پروتئینهای Wnt گلیکوپروتئینهای غنی از سیستئین هستند که تکوین، تکثیر و حرکت سلولی، تعیین سرنوشت سلولی و ایجاد قطبیت سلولی را تنظیم میکنند. مسیر سیگنالدهی Wnt برای نگهداری توانایی تقسیم و تمایز در سلولهای بنیادی مختلف لازم است. در حضور Wnt signal و با اتصال عامل Wnt به گیرنده غشایی، مسیر پیامرسانی شروع میشود (شکل 1-17). گیرنده غشایی، سیگنال را به داخل سلول منتقل میکند و چندین پروتئین داخل سلولی فعال میشوند و نتیجه آن مهار شدن GSK38 و تجمع β-catenin است. بتا کاتنین به یک مجموعه از فاکتورهای نسخه برداری موسوم به TCF family پیوسته و ساختار تشکیل شده وارد هسته میشود و تکثیر سلول را باعث میشود. در غیاب Wnt signal، GSK3β کیناز مهار نمیشود و به دنبال آن کاهش بتا- کاتنین داخل سلولی رخ میدهد. شمای مسیر سیگنالی Wnt به طور خلاصه در شکل زیر آمده است.

شکل 1-17: تصویر شماتیک از مسیر سیگنال دهی Wnt (www.wormbook.org)

مطالعات نشان داده است که دو عضو خانواده Wnt موسوم به Wnt3a و Wnt5a به ترتیب در تکثیر و تمایز سلولهای بنیادی مزانشیم دخیل هستند. زمانیکه به محیط تکثیری سلولهای بنیادی مزانشیم Wnt3a اضافه شود، میزان تکثیر سلولها افزایش مییابد و آپوپتوز آنها کاهش مییابد، در حالی که افزودن این ماده (Wnt3a) به محیط استخوان زا سلولهای بنیادی مزانشیم، تمایز به استخوان را مهار میکند. البته برای مهار استخوانزایی، حضور Wnt3a شرط لازم بوده ولی کافی نیست زیرا مطالعات نشان داده است که با وجودی که در حضور Wnt3a بیان ژنهای اختصاصی استخوان نظیر استئوکلسین و Bone sialoproteinبه طور چشمگیری کاهش مییابد، افزودن Wnt5a به محیط کشت سلولهای بنیادی مزانشیم سبب پیشبرد تمایز به استخوان این سلولها میشود (43).

همانطور که در مطالب فوق اشاره شد مکانیزم هموستاز استخوان بسیار پیچیده بوده و تحت تاثیر فاکتورهای متعددی میباشد، لذا هر گونه اختلالی در این مکانیزم باعث کاهش سرعت و کیفیت تشکیل استخوان می گردد. در طبیعت انسان در معرض فاکتورهای شیمیائی فراوانی قرار دارد که می توانند در فرایند تمایز سلولهای مزانشیم مغز استخوان به استئوبلاستها که در تشکیل نودولهای استخوانی موثر هستند اختلال ایجاد کند. از طرفی برخی از عناصر نیز میتوانند طی مکانیزمهای ناشناخته در تکثیر و رشد سلوهای مزانشیم مغز استخون اختلال ایجاد کرده یا جایگزین عناصر تشکیلی دهنده ماتریکس استخوان شده و بدین ترتیب در فرآیند بازسازی و تشکیل استخوان نقش داشته باشند که از میان این ترکیبات می توان به عنصر بور (B) اشاره کرد.

1-7 عنصر بور(B)

شکل 1-18: جایگاه بور در جدول تناوبی عناصر (chemistry.tutorcircle.com).

بور عنصری با عدد اتمی5، اولین عضو عناصر خانواده شبه فلزها یا نیمه رساناها، که شامل سیلیکون و ژرمانیوم و تنها نافلز عناصر گروه IIIA جدول تناوبی میباشد (44) (شکل 1-18).
بلور بور، ماده‌ای سیاه و بسیار سخت بوده که نقطهی ذوب آن بالاتر از ۲۰۰۰ درجهی سانتی‌گراد میباشد. این عنصر در بیشتر ترکیب‌های آشنای خود مانند اکسیدها، سولفیدها، نیتریدها و هالیدها به صورت سه ظرفیتی وجود دارد. بور در طبیعت به صورت اکسید سه ظرفیتی و معمولا در پیوند با دیگر عناصر یافت می‌شود که بیش از صد مورد از کانی‌های بور که دارای اکسیدهای مختلف سه ظرفیتی از بوراند، تا کنون پیدا شده‌اند (45). این عنصر فراوانی کمی در پوستهی زمین دارد. ترکیبات رایجی از این عنصر که به صورت طبیعی در زمین ایجاد می‌شوند، در آب محلولاند. عنصر بور همچون کربن تمایل زیادی به تشکیل پیوند پایدار با دیگر عناصر دارد و همیشه در ترکیب با دیگر عناصر است. لذا در سطح زمین به صورت آزاد یافت نمی‌شود و در صنعت، تهیه ی بور بسیار خالص با سختی روبرو است (46).

1-7-1 مشتقات بور:
الف)اسید بوریک
اسید بوریک (شکل شماره 1-19) که هیدروژن بورات، بوراسیک اسید، ارتواسید بوریک نیز نامیده می شود، یک اسید لویس است ((Ka=7/3×10 -10,pKa9/14 که پذیرنده گروه هیدروکسیل (OH) بوده، لذا قادر است با ترکیبات دارای موقعیت گروه سیس هیدروکسیل چون قندها و پلی ساکاریدها، آدنوزین 5 فسفات، پیریدوکسین، ریبوفلاوین، دهیدروآسکوربیک اسید، نوکلئوتیدهای پیریدین پیوند برقرار