กระดูกกับวิสัยทัศน์ใหม่ที่คุณอาจไม่เคยรับรู้ (ตอน1)

กระดูกกับวิสัยทัศน์ใหม่ที่คุณอาจไม่เคยรับรู้ (ตอน1)

โครงกระดูกในฐานะอวัยวะแบบไดนามิกที่ส่งและรับข้อความกับส่วนอื่นของร่างกาย

กระดูก: พวกมันจับเราตั้งตรง ปกป้องอวัยวะภายใน ทำให้เราสามารถขยับแขนขาได้ และป้องกันไม่ให้เราทรุดลงไปกองกับพื้น เมื่อเรายังเด็ก พวกเขาเติบโตไปพร้อมกับเราและหายจากอาการกระดูกหักในสนามเด็กเล่นได้อย่างง่ายดาย เมื่อเราอายุมากขึ้น พวกมันมักจะอ่อนแอลง และอาจแตกหักหลังจากหกล้มหรือถึงขั้นต้องเปลี่ยนกลไก

หากบทบาทเชิงโครงสร้างนั้นเป็นทั้งหมดที่กระดูกทำเพื่อเรา ก็คงเพียงพอแล้ว

แต่มันไม่ใช่... กระดูกของเรายังเป็นแหล่งเก็บแคลเซียมและฟอสฟอรัสที่มีประโยชน์ ซึ่งเป็นแร่ธาตุที่จำเป็นสำหรับเส้นประสาทและเซลล์อื่นๆในการทำงานอย่างถูกต้อง 

ในแต่ละวันไขกระดูกที่อยู่ภายในรูพรุนจะปั่นเซลล์เม็ดเลือดหลายแสนล้านเซลล์ ซึ่งทำหน้าที่นำออกซิเจนไปต่อสู้กับการติดเชื้อ และทำให้เลือดจับตัวเป็นลิ่มในบาดแผล เช่นเดียวกับเซลล์อื่นๆ ที่ประกอบกันเป็นกระดูกอ่อนและไขมัน

นั่นไม่ใช่ทั้งหมดที่พวกเขาทำ ในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่ากระดูกมีส่วนร่วมในการสนทนาทางเคมีที่ซับซ้อนกับส่วนอื่นๆ ของร่างกาย รวมทั้งไตและสมอง เนื้อเยื่อไขมันและกล้ามเนื้อและแม้แต่จุลินทรีย์ในท้องของเรา

ราวกับว่าคุณพบว่ากระดุมและคานในบ้านของคุณกำลังสื่อสารกับเครื่องปิ้งขนมปังของคุณ

นักวิทยาศาสตร์ยังคงถอดรหัสทั้งหมดที่เซลล์กระดูกสามารถส่งสัญญาณไปยังอวัยวะอื่นๆ รวมถึงวิธีที่เซลล์ตีความและตอบสนองต่อข้อความระดับโมเลกุลที่มาจากที่อื่น 

นักวิทยาศาสตร์แพทย์กำลังเริ่มพิจารณาว่าพวกเขาจะใช้ประโยชน์จากการสนทนาระดับเซลล์เหล่านี้เพื่อพัฒนาวิธีการรักษาใหม่ ๆ เพื่อปกป้องหรือเสริมสร้างกระดูกได้อย่างไร

Laura McCabe นักสรีรวิทยาแห่ง Michigan State University ใน East Lansing กล่าวว่า "เป็นพื้นที่ใหม่ของการสำรวจ ผลงานล่าสุดทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ากระดูกมีพลังมากกว่าที่เคยคิดไว้มาก McCabe กล่าว หรืออย่างที่นักศึกษาของเธอเคยพูดว่า “กระดูกไม่ใช่หิน”

หลักฐานเบื้องต้นว่ากระดูกมีบางอย่างที่จะพูด

กระดูกเป็นเนื้อเยื่อที่มีลักษณะเฉพาะ: ไม่เพียงประกอบด้วยเซลล์ที่สร้างเมทริกซ์แข็งที่ให้ความแข็งแรงแก่โครงกระดูกเท่านั้น แต่ยังมีเซลล์ที่ทำลายกระดูกด้วย ทำให้กระดูกสามารถสร้างรูปร่างใหม่ได้เมื่อเด็กเติบโตขึ้น และซ่อมแซมตัวเองไปตลอดชีวิต 

ตัวสร้างกระดูกเรียกว่าเซลล์สร้างกระดูก(osteoblasts) และทีมที่แยกชิ้นส่วนหรือทำลายเรียกว่าเซลล์ละลายกระดูก(osteoclasts) เมื่อความสมดุลระหว่างการกระทำของทั้งสองไม่สมดุล ผลที่ได้คือกระดูกน้อยเกินไป (หรือมากเกินไป) สิ่งนี้จะเกิดขึ้น เช่น ในโรคกระดูกพรุน ซึ่งเป็นภาวะทั่วไปของกระดูกที่อ่อนแอและเปราะ ซึ่งส่งผลให้การสังเคราะห์กระดูกไม่สามารถตามทันการเสื่อมสลายของกระดูกเก่า

นอกจากเซลล์สร้างกระดูกและเซลล์สลายกระดูกแล้ว กระดูกยังมีเซลล์อีกประเภทหนึ่งคือเซลล์ osteocytes แม้ว่าเซลล์เหล่านี้ประกอบด้วยเซลล์กระดูกถึง 90 เปอร์เซ็นต์หรือมากกว่านั้น แต่เซลล์เหล่านี้ไม่ได้ศึกษามากนักจนกระทั่งเมื่อประมาณ 20 ปีที่แล้ว เมื่อนักชีววิทยาด้านเซลล์ชื่อลินดา โบนวัลด์สนใจ เพื่อนร่วมงานบอกเธอว่าอย่าเสียเวลา โดยบอกว่าเซลล์สร้างกระดูกอาจมีบทบาททางโลกบางอย่างเท่านั้น เช่น การตรวจจับแรงทางกลเพื่อควบคุมการเปลี่ยนแปลงของกระดูก หรือบางทีพวกเขาก็อยู่เฉยๆ ไม่ได้ทำอะไรมากมาย

Bonewald ซึ่งขณะนี้อยู่ที่ Indiana University ในอินเดียแนโพลิส ตัดสินใจศึกษาพวกเขาต่อไป ในความเป็นจริงแล้ว Osteocytes รับรู้ถึงภาระทางกลอย่างที่เธอและนักวิจัยคนอื่น ๆ ได้ค้นพบ แต่อย่างที่โบนวัลด์กล่าวว่า “พวกเขาทำมากกว่านั้นอีกมาก” เธอเพิ่งเขียนเกี่ยวกับความสำคัญของเซลล์ osteocytes ต่อไต ตับอ่อน และกล้ามเนื้อในการทบทวนสรีรวิทยาประจำปี

การค้นพบครั้งแรกของเธอเกี่ยวกับการสื่อสารของเซลล์สร้างกระดูกกับอวัยวะอื่นๆ ซึ่งรายงานในปี 2549 คือเซลล์สร้างปัจจัยการเจริญเติบโตที่เรียกว่า FGF23 จากนั้นโมเลกุลนี้จะแล่นไปตามกระแสเลือดไปยังไต หากร่างกายมี FGF23 มากเกินไป ซึ่งเกิดจากโรคกระดูกอ่อนที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรม ไตจะปล่อยฟอสฟอรัสออกมาในปัสสาวะมากเกินไป และร่างกายจะเริ่มขาดแร่ธาตุที่จำเป็น อาการที่ตามมา ได้แก่ กระดูกอ่อน กล้ามเนื้ออ่อนแรงหรือแข็ง และปัญหาเกี่ยวกับฟัน

ในช่วงเวลาเดียวกับที่ Bonewald กำลังดำดิ่งสู่การวิจัยเซลล์สร้างกระดูก นักสรีรวิทยา Gerard Karsenty เริ่มตรวจสอบความสัมพันธ์ที่อาจเกิดขึ้นระหว่างการเปลี่ยนแปลงของกระดูกและการเผาผลาญพลังงาน Karsenty ซึ่งขณะนี้อยู่ที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบียในนิวยอร์ก สงสัยว่าทั้งสองจะเกี่ยวข้องกัน เนื่องจากการทำลายกระดูกและการสร้างใหม่เป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานมาก

ในการศึกษาในปี 2000 Karsenty ได้ตรวจสอบว่าฮอร์โมนที่เรียกว่าเลปตินสามารถเชื่อมโยงระหว่างกระบวนการทางชีววิทยาทั้งสองนี้ได้หรือไม่ เลปตินผลิตโดยเซลล์ไขมันและเป็นที่รู้จักกันดีที่สุดว่าเป็นตัวกดความอยากอาหาร มันยังเกิดขึ้นในวิวัฒนาการในช่วงเวลาเดียวกับกระดูก ในการทดลองกับหนู Karsenty พบว่าผลของเลปตินในสมองทำส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงของกระดูก

Karsenty แนะนำว่า การใช้เลปตินในลักษณะนี้จะช่วยให้สัตว์ที่มีกระดูกรุ่นแรกสุดสามารถยับยั้งการเจริญเติบโตของกระดูกควบคู่ไปกับความอยากอาหารเมื่ออาหารขาดแคลน ช่วยประหยัดพลังงานสำหรับการทำงานในแต่ละวัน

กลุ่มของเขาพบการสนับสนุนแนวคิดนี้เมื่อพวกเขาถ่ายภาพรังสีเอกซ์ของกระดูกมือและข้อมือของเด็กหลายคนที่ขาดเซลล์ไขมัน และทำให้เกิดเลปตินเนื่องจากการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรม ในทุกกรณี นักรังสีวิทยาที่ไม่คุ้นเคยกับอายุที่แท้จริงของผู้คนจะจัดอันดับกระดูกว่ามีอายุมากกว่าพวกเขาหลายเดือนหรือหลายปี หากไม่มีเลปติน กระดูกของพวกมันจะก้าวไปข้างหน้า ทำให้ได้รับคุณลักษณะต่างๆ เช่น ความหนาแน่นที่สูงขึ้น ซึ่งเป็นเรื่องปกติของกระดูกที่มีอายุมากกว่า

นั่นเป็นกรณีของกระดูกที่ฟังอวัยวะอื่น แต่ในปี 2550 Karsenty เสนอว่ากระดูกยังมีบางอย่างที่พูดถึงวิธีที่ร่างกายใช้พลังงาน เขาพบว่าหนูที่ขาดโปรตีนที่สร้างจากกระดูกที่เรียกว่า ออสทีโอแคลซิน มีปัญหาในการควบคุมระดับน้ำตาลในเลือด

ในการวิจัยเพิ่มเติม Karsenty ค้นพบว่า osteocalcin ยังส่งเสริมการเจริญพันธุ์ของผู้ชายด้วยผลต่อการผลิตฮอร์โมนเพศ ปรับปรุงการเรียนรู้และความจำโดยปรับระดับสารสื่อประสาทในสมอง และเพิ่มการทำงานของกล้ามเนื้อระหว่างออกกำลังกาย เขาบรรยายข้อความเหล่านี้และบทสนทนาอื่นๆ ที่กระดูกมีส่วนร่วม ในการทบทวนสรีรวิทยาประจำปี 2555

เป็นชุดการทำงานที่น่าทึ่งสำหรับโมเลกุลเดียวในการจัดการ และ Karsenty คิดว่าพวกมันทั้งหมดเชื่อมโยงกับการตอบสนองต่อความเครียดที่สัตว์มีกระดูกสันหลังในยุคแรก ๆ ซึ่งเป็นสัตว์ที่มีกระดูกสันหลัง - วิวัฒนาการมาเพื่อความอยู่รอด “กระดูกอาจเป็นอวัยวะที่กำหนดสรีรวิทยาของสิ่งมีชีวิตที่อันตราย” เขากล่าว

Karsenty เสนอว่าผลของ osteocalcin ช่วยให้สัตว์มีกระดูกสันหลังในยุคแรก ๆ ทั้งตัวผู้และตัวเมียสามารถตอบสนองต่อสายตาของสัตว์นักล่าโดยเพิ่มระดับพลังงานผ่านผลของฮอร์โมนเทสโทสเตอโรน เช่นเดียวกับการทำงานของกล้ามเนื้อ พวกเขาจะสามารถวิ่งหนีได้ และหลังจากนั้นก็จำ (และหลีกเลี่ยง) สถานที่ที่พวกเขาเคยเผชิญกับภัยคุกคามนั้นได้

นักวิจัยในห้องทดลองของ Karsenty ทำการศึกษาเหล่านี้กับหนูทดลองที่ขาด osteocalcin ที่ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมซึ่งเขาพัฒนาขึ้น และห้องทดลองหลายแห่งได้จำลองผลลัพธ์ของเขาในรูปแบบต่างๆ อย่างไรก็ตาม ห้องปฏิบัติการในสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่น ซึ่งทำงานร่วมกับหนูหลายสายพันธุ์ที่ไม่สร้างฮอร์โมนออสทีโอคาลซิน ไม่พบผลกระทบในวงกว้างต่อภาวะเจริญพันธุ์ กระบวนการสร้างน้ำตาล หรือมวลกล้ามเนื้อในลักษณะเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถอธิบายความแตกต่างได้ และสมมติฐานการตอบสนองต่ออันตรายยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่

ไม่ว่า osteocalcin จะมีบทบาทสำคัญในวิวัฒนาการของสัตว์มีกระดูกสันหลังตามที่ Karsenty เสนอหรือไม่ก็ตาม การศึกษาเหล่านี้ได้สร้างแรงบันดาลใจให้นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ สำรวจวิธีต่างๆ ที่กระดูกรับฟังและพูดคุยกับส่วนที่เหลือของร่างกาย

Crosstalk ระหว่างกล้ามเนื้อและกระดูก

เป็นที่รู้กันว่ากระดูกและกล้ามเนื้อซึ่งเป็นหุ้นส่วนในการเคลื่อนไหว มีปฏิสัมพันธ์ทางร่างกายกันมานานแล้ว กล้ามเนื้อดึงรั้งกระดูก และเมื่อกล้ามเนื้อแข็งแรงขึ้นและใหญ่ขึ้น กระดูกจะตอบสนองต่อแรงดึงทางกายภาพที่เพิ่มขึ้นนี้ด้วยการใหญ่ขึ้นและแข็งแรงขึ้นด้วย ทำให้กระดูกสามารถปรับตัวเข้ากับความต้องการทางกายภาพของสัตว์ได้ ดังนั้นกล้ามเนื้อและกระดูกที่ได้สัดส่วนจึงสามารถทำงานร่วมกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ

แต่ปรากฎว่ามีการสนทนาทางเคมีเกิดขึ้นด้วย ตัวอย่างเช่น เซลล์กล้ามเนื้อโครงร่างสร้างโปรตีนที่เรียกว่าไมโอสแตติน (myostatin) ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้เซลล์เติบโตมากเกินไป ในการทดลองกับสัตว์ฟันแทะ ควบคู่ไปกับการสังเกตคน นักวิจัยพบว่า myostatin ยังช่วยควบคุมมวลกระดูกด้วย

ในระหว่างการออกกำลังกาย กล้ามเนื้อยังสร้างโมเลกุลที่เรียกว่า beta-aminoisobutyric acid (BAIBA) ซึ่งมีอิทธิพลต่อการตอบสนองของไขมันและอินซูลินต่อการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้น Bonewald พบว่า BAIBA ปกป้อง osteocytes จากผลพลอยได้ที่เป็นอันตรายจากเมแทบอลิซึมของเซลล์ที่เรียกว่า reactive oxygen species ในหนูอายุน้อยที่ถูกทำให้เคลื่อนที่ไม่ได้ ซึ่งปกติจะทำให้กระดูกและกล้ามเนื้อลีบ การให้ BAIBA พิเศษช่วยรักษาทั้งกระดูกและกล้ามเนื้อให้แข็งแรง

ในการศึกษาเพิ่มเติม Bonewald และเพื่อนร่วมงานพบว่าโมเลกุลของกล้ามเนื้ออีกชนิดหนึ่งที่เพิ่มขึ้นเมื่อออกกำลังกาย ไอริซินยังช่วยให้เซลล์สร้างกระดูกคงอยู่ได้ในการเพาะเลี้ยงและส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงของกระดูกในสัตว์ที่ไม่บุบสลาย

การสนทนาไม่ได้เป็นแบบทางเดียวเช่นกัน ในทางกลับกัน เซลล์สร้างกระดูกจะสร้างพรอสตาแกลนดิน E2 ซึ่งส่งเสริมการเจริญเติบโตของกล้ามเนื้อเป็นประจำ พวกเขาเพิ่มการผลิตสารโมเลกุลนี้เมื่อพวกเขาพบว่าเพิ่มขึ้นในการลากจูงจากกล้ามเนื้อทำงาน

กระดูกส่วนไหนที่ได้รับจากลำไส้

ร่างกายมนุษย์มีเซลล์จุลินทรีย์มากพอๆ กับเซลล์ของมนุษย์ แบคทีเรียและจุลินทรีย์อื่นๆ หลายล้านล้านตัวที่อาศัยอยู่ในลำไส้ ซึ่งก็คือไมโครไบโอมนั้นทำหน้าที่เกือบเหมือนอวัยวะอื่น พวกมันช่วยย่อยอาหารและป้องกันไม่ให้แบคทีเรียที่ไม่ดีเข้ามาจับตัว และพวกมันจะพูดคุยกับอวัยวะอื่นๆ รวมถึงกระดูกด้วย

จนถึงตอนนี้ การสนทนาเกี่ยวกับกระดูกและไมโครไบโอมดูเหมือนจะเป็นแบบทางเดียว คริสโตเฟอร์ เฮอร์นันเดซ ผู้เชี่ยวชาญด้านชีวกลศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยคอร์เนล ในเมืองอิทากา รัฐนิวยอร์ก กล่าวว่า ไม่มีใครสังเกตเห็นว่ากระดูกส่งข้อความกลับไปยังจุลินทรีย์ แต่โครงกระดูกสามารถเรียนรู้สิ่งที่มีประโยชน์มากมายจากลำไส้ได้ McCabe กล่าวว่า ตัวอย่างเช่น สมมติว่ามีคนได้รับอาหารเป็นพิษ พวกเขาต้องการทรัพยากรทั้งหมดเพื่อต่อสู้กับการติดเชื้อ “มันไม่ใช่เวลาที่จะสร้างกระดูก” McCabe กล่าว

คำแนะนำแรกของการเชื่อมต่อของกระดูกกับไมโครไบโอมมาจากการศึกษาหนูที่เลี้ยงในสภาพแวดล้อมที่ปลอดเชื้อในปี 2555 โดยไม่มีจุลินทรีย์เลย สัตว์เหล่านี้มีเซลล์สร้างกระดูกที่ทำลายกระดูกน้อยกว่า และทำให้มวลกระดูกสูงขึ้น การให้จุลินทรีย์ในลำไส้แก่หนูช่วยฟื้นฟูมวลกระดูกให้เป็นปกติในระยะสั้น

แต่ผลกระทบระยะยาวนั้นแตกต่างกันเล็กน้อย จุลินทรีย์ปล่อยโมเลกุลที่เรียกว่ากรดไขมันสายสั้น ซึ่งทำให้ตับและเซลล์ไขมันสร้างโกรทแฟกเตอร์ที่เรียกว่า IGF-1 มากขึ้น ซึ่งส่งเสริมการเจริญเติบโตของกระดูก