1

CO TO JEST JAKOŚĆ KOŚCI?

I Środkowo Europejski Kongres Osteoporozy i Osteoartrozy oraz XIII Zjazd Polskiego Towarzystwa Osteoartrologii i Polskiej Fundacji Osteoporozy, Kraków 6-8.10.2005

Streszczenia:
Ortopedia Traumatologia Rehabilitacja 2005, vol 7 (Suppl. 1), s79-80.


L24
CO TO JEST JAKOŚĆ KOŚCI?

Mirosław Jabłoński
Klinika Ortopedii i Rehabilitacji AM w Lublinie, ul. Jaczewskiego 8, 20-950 Lublin

Słowa kluczowe: Jakość kości, wytrzymałość, biomechanika kości

Oczywista niepodatność szkieletu na odkształcenia pod wpływem sił wynikających ze skurczów mięśni i działania grawitacji zapewnia stałość kształtu ciała oraz podstawę dla czynności jego narządu ruchu. Przeciążenia podczas urazów są nierzadko przyczyną złamań, które definiuje się jako przerwanie ciągłości kości. Taka „ostra niewydolność mechaniczna” powstaje wówczas, gdy zostaje przekroczona wytrzymałość, czyli wartość siły łamiącej. Liczne obserwacje kliniczne i wyniki badań doświadczalnych na zwierzętach zwracają uwagę na potrzebę pogłębienia rozważań nad mechaniczną wydolnością szkieletu pod kątem przenoszonych obciążeń i odporności na złamania. W ten sposób wytrzymałość kości wiąże się bezpośrednio z pojęciem ich jakości, jako struktur podporowych.
Z fizycznego punktu widzenia kości to zbudowane kompozytywo w układzie hierarchicznym ciała sprężyste. Wytrzymałość wyizolowanych kości poddanych próbom podczas złamań doświadczalnych zależy od ich budulca (materiału) czyli tkanki, z której powstały oraz jej przestrzennego rozmieszczenia i wymiarów, co zwykło określać się geometrią kości.
Zróżnicowany wpływ na jakość kości mają genetyczne czynniki określające wartość biochemiczną i pośrednio biomechaniczną składowych budulca kompozytywego tkanki kostnej tj. jej fazy organicznej i mineralnej. Klasycznym przykładem chorobowej niewydolności szkieletu wskutek błędu genetycznego kolagenu jest wrodzona łamliwość kości, a skrajnych zaburzeń fazy mineralnej genetycznie uwarunkowana choroba marmurowa kości, którą przy nadmiernym wysyceniu szkieletu solami wapnia charakteryzuje zwiększona częstość złamań.
Duży wpływ na jakość kości wywierają także czynniki środowiskowe, czego przykładem może być stan osteoporozy z niedożywienia, a innym osteomalacji przy niedostatku witaminy D. Inne szkodliwości, jak narażenia na wysokie stężenia fluoru lub metali ciężkich również mogą być przyczyną większej podatności na złamania.
Poddanie próbki czy całej wyizolowanej kości działaniu siły w określonych warunkach wytrzymałościowych badań doświadczalnych pozwala uzyskać zapis wartości działającej siły w odpowiedzi na uzyskane odkształcenie. Kości jako ciała sprężyste w określonym zakresie zachowują się zgodnie z prawem Hooke’a, a wykres siła-odkształcenie jest częścią prostej. Jednak po przekroczeniu określonej wartości obciążenia, odpowiadającej sile łamiącej, rozpoczyna się nieodwracalna faza próby wytrzymałościowej, czyli złamanie.
Badania wytrzymałościowe wykazały, że odniesienie gęstości mineralnej kości do ich wytrzymałości sprawdza się jedynie w 60-70%, tak więc 30-40% jakości kości wypełniają inne czynniki.
Kość jest tkanką samoodnawialną. Właściwość ta wynika ze współistnienia u dorosłych procesów kościogubnych i kościotworzenia najprawdopodobniej w odpowiedzi na powstanie obszarów tkanki o obniżonej charakterystyce biomechanicznej, to jest tam, gdzie „materiał” budulcowy kości „zestarzał” się i gdzie doszło do nagromadzenia beleczek lub osteonów ze złamaniami zmęczeniowymi. Powstają one wskutek przekroczenia dawki podprogowych obciążeń cyklicznych (tj. tzw. wytrzymałości zmęczeniowej). Zaburzenia odnowy tkanki kostnej i nagromadzenie „starej” mechanicznie niewydolnej kości obniża istotnie jej wytrzymałość, czyli wpływa ujemnie na jakość. Wytrzymałość beleczek zmniejsza się również podczas fazy kościogubnej przyspieszonego obrotu kostnego, co wiąże się z ich osłabieniem przez zwiększenie liczby jamek resorpcyjnych.
Jakość kości zależy więc od kolagenowej i niekolagenowej substancji organicznej, od stanu jej zmineralizowania (własności materiałowe), wynika z organizacji wewnętrznej i połączeń beleczek kostnych, od ich rozmiarów i ciągłości oraz występowania obszarów mikrouszkodzeń zmęczeniowych (własności strukturalne).

L24
BONE QUALITY AND BONE STRENGTH – IS THERE A DIFFERENCE?

Mirosław Jabłoński
Department of Orthopaedics and Rehabilitation Medical University in Lublin, ul. Jaczewskiego 8, 20-950 Lublin, Poland

Keywords: Bone quality, bone strength, bone biomechanics

Skeleton is obviously resistant to mechanical forces generated by muscle contractions and gravitation. Fracture appears to be the result of acute overloading presenting with the discontinuation of bone which eventually fails to behave as an elastic structure. Engineering informs us of the elastic materials such as steel or rubber that respond with definite deformation after certain force has been applied. The amount of deformation in the material, relative to its original length, is the strain. Peak compressive strains in bone during vigorous activity can reach as high as 0.35%. When the increase in strain is no longer proportional to the applied force ends the ability of the material to resume its original shape and permanent damage to the structure begins to accrue. In terms of bone, yield failure arises then through ultrastructural microcracks within the hydroxyapatite and the disruption of the collagen fibers. The force that irreversibly damages the structure of bone is the breaking force, i.e. strength and it occurs at the strain of approximately 0.7%. In numerous experimental models it was demonstrated that the correlation between the bone strength and bone mineral density reached values of 0.6-0.7. It means that there are other important factors that affect breaking force of bone. For engineers it is an obvious statement since bone unlike steel is an anisotropic structure representing hierarchical composite model.
The composite structure of bone allows it to withstand compressive and tensile stresses, as well as bending and torsional moments. The inorganic phase of bone, with hydroxyapatite crystals arrayed in a protein matrix provides the ability to resist compression. As in concrete, a material that excels at resisting compression but is poor in resisting tension, tensile elements (e.g. steel reinforcing rods) are added to create a composite material that can cope with the complex loading environments. In the case of bone this tensile strength arises from collagen fibers organized into lamellae. Another important factor contributing to bone strength is its geometry i.e. sizes and spatial orientation of the bone tissue regarded as material.
Genome plays undoubtedly predominant role in determining all the structural components of bone. Failure to do so as far as the collagen is considered was demonstrated in osteogenesis imperfecta. Inability to remove old bone by genetically deficient osteoclasts in marble bone disease is accompanied by higher frequency of fractures in spite of extremely high mineral density of bone in this disease. Deficient mineralisation of osteoid in osteomalacia or rickets could be also determined genetically.
Under physiological conditions bone is continuously remodeled. It is strongly supposed that this process stays under control of bone cells that act recruiting osteoclasts to remove microdamage in order to exchange structural material for mechanically more competent. Accumulation of areas of fatigue fractures in bone (i.e. microdamage) is regarded as material failure and decreases bone strength. The discontinuity of bone trabeculae in osteoporosis affects negatively the quality and strength of bone.
Summarizing the quality of bone can be measured as bone strength (similarly as bone mass by bone mineral density) and remains affected by all the factors influencing normal bone development and remodeling. Factors the are mainly genetically-determined stay also related to the environment like fluorosis or lack of vitamin D. Low level of bone quality reduces bone strength and is the main cause of low-energy fractures as in the osteoporotic syndrome.




L24 FARMAKOTERAPIA OSTEOPOROZY DZIŚ I JUTRO

III Środkowo Europejski Kongres Osteoporozy i Osteoartrozy oraz XV Zjazd Polskiego Towarzystwa Osteoartrologii i Polskiej Fundacji Osteoporozy, Kraków 24-26.09.2009

Streszczenia:
Ortopedia Traumatologia Rehabilitacja 2009, vol 11 (Suppl. 2), s:77-78.
 
 

L24
FARMAKOTERAPIA OSTEOPOROZY DZIŚ I JUTRO
 
Czerwiński E.1,2, Borowy P.2 
1 Zakład Chorób Kości i Stawów, WNZ, Coll. Med. Uniwersytetu Jagiellońskiego
2 Krakowskie Centrum Medyczne, ul. Kopernika 32, 31-501 Kraków, www.kcm.pl
 
Słowa kluczowe: osteoporoza, leczenie, przebudowa kości
 
Prawidłowa przebudowa kości jest niezbędna do utrzymania jej funkcji biomechanicznych. Składają się na nią nieustające procesy niszczenia (aktywacji i resorpcji) i tworzenie kości (wytwarzania osteoidu i jego mineralizacja). Oddziela je faza spoczynku, kiedy powierzchnię kości pokrywają komórki wyścielające. Przebudowy dokonują komórki kostne w ramach tzw. jednostek przebudowy BMU (Basic Multicellular Unit). Nadrzędną rolę w ramach BMU sprawuje osteocyt, będący zarazem najbardziej zagadkową komórką, która m.in. poprzez apoptozę (obumarcie) inicjuje przejście z fazy spoczynku w fazę aktywacji resorpcji. Apoptoza osteocyta, który pełni funkcję „mechanoreceptora” jest m.in. następstwem rozerwania jego wypustek przez mikropęknięcie spowodowane nadmierną mineralizacją „podstarzałej” kości (wzrost twardości – brak elastyczności).
Resorpcja kości rozpoczyna się od rekrutacji pre-osteoclastów z prekursorów komórek hematopoetycznych poprzez M-CSF (macrophage colony stimulating factror), a następnie ich dojrzewanie poprzez układ Rank/RankL. Dalszy rozwój osteoklasta i jego aktywność modyfikuje min. osteoblast poprzez układ cytokin przede wszystkim: osteoprotegeryna versus – Rank/RankL: Powstaje więc układ wzajemnych sprzężeń.
Tworzenie kości w pierwszej fazie polega na wytwarzaniu osteoidu przez osteoblast, a następnie jego mineralizacji. Rekrutacja pre-osteoblastów z prekursorów macierzystych komórek mezenchymalnych jest inicjowana przez osteocyt z udziałem układu Wnt-sklerostyna. Zależnie od ekspresji genowej z komórek tych mogą powstawać osteoblasty, chondrocyty lub adipocyty.
Zaburzenie równowagi przebudowy kości z przewagą jej niszczenia jest przyczyną powstawania osteoporozy i wzrostu łamliwości kości.
We współczesnej farmakoterapii osteoporozy dominują leki antyresorpcyjne, głównie bisfosfoniany. Hamują one rekrutację i aktywność osteoklastów przyspieszając zarazem ich apoptozę. Bisfosfoniany radykalnie redukują przebudowę kości przez obniżenie aktywacji resorpcji do resztkowego poziomu. Niestety zahamowana aktywność osteoklastów jest sprzężona z obniżeniem aktywności osteoblastów, co powoduje zmniejszenie się tworzenia kości. Zmiany te znajdują swoje odbicie w poziomach markerów tworzenia i niszczenia kości. Efekt przeciw-złamaniowy bisfosfonianów polega na zahamowaniu dalszej destrukcji struktury kości i wtórnej mineralizacji, co jest z kolei możliwe dzięki zwolnionej przebudowie. Ponieważ bisfosfoniany łączą się trwale z minerałem kości ich działanie utrzymuje się przez długi okres po odstawieniu leku. Estrogeny i SERMy działają również antyresorpcyjnie poprzez receptory estrogenowe osteoklasta. W najbliższym czasie dostępny będzie kolejny lek antyresorpcyjny – Denosumab, który jest monoklonalnym przeciwciałem Rank/RankL. Podobnie jak bisfosfoniany ma działanie czysto antyresorpcyjne i skutkiem sprzężenia również obniżenie aktywności osteoblastów.
W przeciwieństwie do tych leków stront ma działanie nie tylko antyresorpcyjne, ale również kościotwórcze poprzez stymulację rekrutacji i aktywności osteoblastów. Nie generuje zwrotnego hamowania osteoblastów. Skutkiem tego obserwujemy obniżenie markerów niszczenia kości i podwyższenie ich tworzenia kości. Stront wpływa korzystnie na kość beleczkową i kość korową, co w sumie przekłada się na efekt terapeutyczny- zmniejszenie częstości złamań kręgosłupa i pozakręgowych w tym bliższego końca kości udowej. Podobne działanie antyresorpcyjne bez sprzężenia reprezentuje anty-katepsyna K.
Jedyną obecnie dostępną formą leku stymulującego tworzenie kości jest PTH. Hormon ten jako endogenny w stałej sekrecji powoduje resorpcję kości. Podawany natomiast podskórnie (pulsacyjnie) nasila tworzenie kości i jako jedyny z dostępnych leków powoduje odbudowanie zniszczonej struktury kości.
            Obecnie trwają intensywne badania nad wykorzystaniem układu Wnt i sklerostyny w stymulacji osteogenezy sterowanej przez osteocyt jak i nad antagonistami receptora wapniowego. Wybiórcza stymulacja osteoblasta lub wybiórcze hamowanie osteoklasta wydaje się być optymalnym rozwiązaniem wskazującym na terapię sekwencyjną. Najprawdopodobniej idealnym lekiem byłby preparat generujący oba te procesy równocześnie.
 
 
L24
PHARMACOTHERAPY OF OSTEOPOROSIS TODAY AND TOMORROW
 
Czerwiński E.1,2, Borowy P.2 
1 Department of Bone and Joint Diseases, Jagiellonian University Medical College, Krakow, Poland
2 Krakowskie Centrum Medyczne, ul. Kopernika 32, 31-501 Krakow, Poland, www.kcm.pl
 
Key words: osteoporosis, treatment, bone remodeling, bisphosphonate, strontium, PTH
 
Appropriate bone remodeling is essential to preserve its biomechanical functions. It includes continuous bone destruction processes (activation and resorption) and bone formation (osteoid production and mineralization). These processes are separated by quiescence phase when bone surface is covered by lining cells. Bone remodeling is performed by bone cells within so called Basic Multicellular Unit (BMU). The superior role in BMU holds osteocyte, which is at the same time the most mysterious cell that through apoptosis initiates transition from quiescence phase into resorption activation phase. Apoptosis of osteocyte which functions as a „mechanoreceptor” is among others the result of microcracks caused by over-mineralization of the “older” bone (increase of hardness – lack of elasticity).
Bone resorption starts from the recruitment of pre-osteoclasts from hematopoetic cell precursors through macrophage colony stimulating factor (M-CSF) followed by their maturation through rank/RankL. Further development of osteoclast and its activation is modified among others by osteoblast through cytokins especially osteoprotegerin versus – Rank/RankL. In this way the system of coupling is formed.
Bone formation in the first phase is based on osteoid production by osteoblast and then its mineralization. Pre-osteoblast recruitment from precursors of mezynchemal cells is initiated through osteocyte with the contribution of Wnt – sclerostin system. Depending on gene expression osteoblasts, chondrocyte and adipocites can be generated from these cells.
Disorder in balance of bone remodeling with dominating resorption is the cause of osteoporosis and bone fragility increase.
Nowadays in pharmacotherapy of osteoporosis the most common are antiresorptive drugs, mainly bisphosphonates. They decrease the recruitment and activity of osteoclasts and at the same time accelerate their apoptosis. Bisphosphonates radically reduce bone remodeling by a decrease of resorption activation to a minimal level. Unfortunately the inhibited osteoclasts activation is coupled with a decrease of osteoblast activation which causes reduction in bone formation. These changes are reflected in marker levels of bone formation and resorption. Anti-fracture effect of bisphosphonates lies in the inhibition of further bone structure destruction and secondary mineralization, which is in turn possible due to slowed down bone turnover. Because bisphosphonates bind permanently to bone mineral, their activity persists for a long time after discontinuing drug. Estrogens and SERMs also have an antiresorptive action throughout estrogen receptors of osteoclasts. In the forthcoming future another antiresorptive drug should be available – Denosumab, which is Rank/RankL monoclonal antibody. Similarly to bisphosphonates it has a clearly antiresorptive effect and as a result of coupling also decreases activation of osteoblasts.
In contrast to these medications strontium plays not only an antiresorptive function but has an effect on bone formation due to stimulation of recruitment and osteoblasts activation. Antiresorptive function of strontium does not lead to the inhibition of osteoblasts. As a result we observe a decrease of bone resorption and an increase of bone formation markers. Strontium has a beneficial influence on trabecular and cortical bone, which actually brings a therapeutic effect – a decrease of spinal an non-spinal fractures including proximal femur fracture. A similar antiresorptive effect without coupling has anti-cathepsin K.
PTH is a medication of the strongest anabolic effect, which stimulates bone formation even in advanced osteoporosis. In physiological conditions this hormone in particular causes bone resorption. Administered subcutaneously (pulsatile) intensifies bone formation and as the only among available drugs causes re-formation of destructed bone structure.
In progress currently are intensive studies on the use of Wnt signaling and sclerostin in stimulation of osteogenesis controlled by osteocyte as well as on calcium receptor antagonists. Selective stimulation of osteoblast or selective inhibition of osteoclast seems to be an optimal solution that indicates sequential therapy. Probably the ideal medication would be a drug generating both these processes simultaneously.
 




Osteoporoza – nierozpoznana, nieleczona

II Środkowo Europejski Kongres Osteoporozy i Osteoartrozy oraz XIV Zjazd Polskiego Towarzystwa Osteoartrologii i Polskiej Fundacji Osteoporozy, Kraków 11-13.10.2007

Streszczenia:
Ortopedia Traumatologia Rehabilitacja 2007, vol 9 (Suppl. 2), s119-120.


L24
OSTEOPOROZA – NIEROZPOZNANA, NIELECZONA

Czerwiński E.1,2 , Borowy P.2, Milert A.1 , Czerwińska I.2

1 Zakład Chorób Kości i Stawów, WOZ, Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego
2 Krakowskie Centrum Medyczne, ul. Kopernika 32, Kraków, www.kcm.pl

Słowa kluczowe: osteoporoza, nierozpoznana, leczenia, złamania

Starzenie się społeczeństwa powoduje, że osteoporoza stanowi narastający problem kliniczny, ekonomiczny i społeczny. Celem pracy jest przedstawienie najistotniejszych skutków osteoporozy oraz problemów związanych z jej niedostatecznym rozpoznawaniem i brakiem leczenia.
W roku 2000 w Europie zarejestrowano 3.800.000 złamań osteoporotycznych. Każdego roku złamanie bliższego końca kości udowej (bkk udowej) występuje u 611.000 kobiet i 179.000 mężczyzn. W Europie złamanie osteoporotyczne pojawia się co 30 sekund. Przewiduje się że liczba złamań bkk udowej, która w roku 1990 wynosiła w świecie 1.600.000, w roku 2050 wyniesie 6.260.000. Całkowita liczba złamań osteoporotycznych przekracza liczbę zawałów serca czy udarów mózgu. U mężczyzn po 50 r.ż. ryzyko złamania jest większe niż ryzyko raka prostaty. Przebyte “duże“ złamanie osteoporotyczne zwiększa ryzyko zgonu, zwłaszcza u mężczyzn. W badaniach skandynawskich udowodniono, że śmiertelność z powodu złamania bkku jest większa, niż udar mózgu. Dodatkowo jakość życia chorych po złamaniu wyraźnie spada.
Celem leczenia osteoporozy jest uniknięcie pierwszego lub kolejnego złamania. Pierwsze złamanie występuje najczęściej w kręgosłupie ale w 60% przypadków nie daje żadnych objawów zatem nie jest rozpoznawane. Nawet jeżeli złamanie jest obecne na radiogramie to tylko 52% jest zauważone przy ocenie radiogramów a jedynie 7% z tych pacjentów jest poddanych leczeniu. Pomocą w rozpoznawaniu złamań kręgosłupa może być pomiar wzrostu i porównanie go do poprzednich wyników.
Silny ból towarzyszący złamaniom pozakręgowym zmusza chorego do szukania pomocy u specjalisty. Niestety świat ortopedyczyny jest zainteresowany doskonałym leczniem złamań, ale wciąż ignoruje fakt, że są on skutkiem osteoporozy. Jedynie 7-25% pacjentów ze tymi złamaniami ma rozpoznaną i ewentualnie leczoną osteoporozę.
Z kolei powszechna wiara w prawidłowy wynik DXA powoduje, że miliony pacjentów jest zapewnianych, że nie grozi im złamania. Ciągle mało znany jest fakt, że 50%-70% złamań występuje u osób, które nie spełniają kryteriów densytometrycznych rozpoznania osteoporozy. Stąd nowe wytyczne WHO zalecają obliczanie 10-cioletniego bezwzględnego ryzyka złamania, gdzie badanie densytometryczne jest tylko jednym z czynników.
Istnieje zatem konieczność podjęcia wielokierunkowych działań edukacji pacjentów i lekarzy podstawowej opieki zdrowotnej jak i specjalistów o zasadach zapobiegania pierwszemu i kolejnemu złamaniu a szczególnie ocenie ryzyka złamania.


L24
OSTEOPOROSIS – UNDIAGNOSED, UNTREATED

Czerwiński E.1,2, Borowy P.2, Milert A.1, Czerwińska I.2

1 Department of Bone and Joint Diseases, Jagiellonian University Medical College
. Krakowskie Centrum Medyczne, ul. Kopernika 32, Krakow, Poland, www.kcm.pl

Key words: Osteoporosis, undiagnosed, treatment, fractures

Ageing of population causes that osteoporosis has become an increasing clinical, economical and social problem. The aim of the study is to present the most important facts of osteoporosis and problems related to its unsatisfactory diagnosis and abandoned treatment.
In the year 2000 there were 3.800.000 of osteoporotic fractures registered in Europe. Every year 611.000 of proximal femur fractures occur in women and 179.000 in men. In Europe an osteoporotic fracture occurs every 30 seconds. It is foreseen that a number of proximal femur fractures in the world which in the year 1990 was 1.600.000, in 2050 will be 6.260.000. The total number of osteoporotic fractures exceeds the number of heart attacks or strokes. In men after 50 years of age the risk of fracture is higher than the risk of prostate cancer. Past “major” fracture increases the risk of death, especially in men. It was found in Scandinavian studies that the mortality caused by proximal femur fracture is higher than that of stroke. In addition, the life quality of patients after the fracture remarkably decreases.
The aim of treatment of osteoporosis is the prevention of the first or the second fracture. The first fracture most often appears in spine but in 60% of cases it is symptomless though undiagnosed. Even if the fracture is present on a radiogram, 52% of them are noticed when the radiogram is assessed but only 7% of these patients undergo the treatment. In a iagnosis of spinal fractures, the measurement of height and comparison with previous results may be helpful. Severe, sharp pain that assists non-vertebral fractures forces patients to seek for a specialists help. Unfortunately the world of orthopaedics is interested in perfect fracture treatment and still ignores the facts that the fractures itselves are the result of osteoporosis. Only 7-25% of patients with these fractures are diagnosed and eventually treated with osteoporosis.
On the other hand a general faith in normal results of DXA causes that millions of patients are ascertained about no risk of fracture. Still, little known is the fact that 50%-70% of fractures occur in patients who do not fulfill densitometry criteria in diagnosis of osteoporosis. Therefore WHO recommends calculation of 10-year absolute fracture risk for diagnosis of osteoporosis where the densitometry is only one of its factors.
There is an urging need to undertake a complex multidirectional action in aim to risen knowledge and awareness among patients, basic care physicians and specialists in prevention of the first and second fracture, especially in fracture risk assessment.