پشتیبانی از استخوان
شکستگی استخوان یک اتفاق نسبتاً شایع با خطر شکستگی 44% برای زنان و 25% برای مردان در طول زندگی است. در حالی که این خطر میتواند به طور قابل توجهی با جنسیت و نژاد یک فرد متفاوت باشد، اما به صورت مشترک در همه افراد، با افزایش سن، این خطر به صورت تدریجی افزایش پیدا میکند. در حالی که بیشتر شکستگیهای زیر 40 سال میتواند به دلیل تصادفات ایجاد میشوند، اما بقیه این شکستگیها عمدتاً به دلیل کاهش تراکم استخوان، در سنین بالای 55 سال در افراد ایجاد میگردد.
فرآیند ترمیم طبیعی استخوان
به طور طبیعی، استخوانها توانایی زیادی برای بازسازی دارند و بسیاری از مطالعات نشان دادهاند که چگونه سلولهای بنیادی نقش مهمی در ترمیم استخوان را ایفا میکنند. هر زمان که شکستگی استخوان وجود داشته باشد، سیتوکینها Cytokines توسط استخوان شکسته آزاد میشوند که باعث آزاد شدن سلولهای بنیادی از مغز استخوان میگردد. همانطور که از نام آنها پیداست، سیتوکینها (سیتو Cyto به معنای سلول و کین kine به معنای حرکت) مولکولهایی هستند که حرکت سلولها را تعدیل و هماهنگ میکنند. در عرض یک تا دو روز، تعداد سلولهای بنیادی در گردش به طور قابل توجهی افزایش مییابد. در همان بازه زمانی، محل شکستگی، سیتوکینهای دیگری را ترشح میکند که سلولهای بنیادی در حال گردش را جذب کند. هنگامی که سلولهای بنیادی به محل شکستگی میرسند، سایر سیتوکینها و فاکتورهای رشد، باعث تبدیل این سلولها به رگهای خونی یا سلولهای استخوانی جدید شده، و در نتیجه باعث ترمیم استخوان آسیبدیده میشوند.
در حالی که این پدیده در تمام طول عمر زندگی یک فرد رخ میدهد، اما تعداد سلولهای بنیادی در گردش با افزایش سن کاهش مییابد و این نکته تا حد زیادی عامل کاهش قابل توجه توانایی استخوانها برای ترمیم در افراد سالمند است.
چگونه سلولهای بنیادی می توانند از ترمیم استخوان حمایت کنند؟
به محض اینکه تحقیقات سلولهای بنیادی در اوایل دهه 2000 پدیدار شد، دانشمندان تحقیقات خود را به بررسی راههایی برای استفاده از، پتانسیل بازسازی سلولهای بنیادی بالغ برای ترمیم استخوان به ویژه در افراد سالمند آغاز کردند، زیرا سالمندان تحت تأثیر تراکم پایینتر استخوان و احتمال بیشتر جراحیهای مفصلی قرار داشتند. دانشمندان به سرعت نقش مهم عوامل مختلفی که، در جذب سلولهای بنیادی به محل شکستگی و ترویج ترمیم استخوان ایفا میکنند را، ثبت کردند. در مطالعات آنها دریافتند که در صورت بروز شکستگی استخوان، پیامدی مانند کشیدگی استخوان رخ میدهد، در این حالت داربستهایی ایجاد میشود که در آن فاکتورهای رشد مختلفی تعبیه شده که منجر به بهبود قابل توجه ترمیم استخوان میگردد.
تحریک سلولهای بنیادی درونزا برای ترمیم استخوان
با توجه به توانایی طبیعی سلولهای بنیادی برای حرکت به محل شکستگی استخوان، دانشمندان همچنین به بررسی”تأثیر تحریک ساده آزادسازی سلولهای بنیادی از مغز استخوان بر ترمیم استخوان” پرداختند. این مطالعات ابتدا بر روی حیوانات انجام شد و آنها نشان دادند که این رویکرد ساده بسیار امیدوارکننده است.
تحریک سلولهای بنیادی درونزا یا (ESCM) Endogenous Stem Cell Mobilization به طور قابل توجهی حجم استخوان، تراکم استخوان و ترمیم کلی استخوان را بهبود میبخشد. حتی یک گروه از دانشمندان گزارش دادند که ESCM میتواند، یک استراتژی جایگزین موثر برای پیوند سلول جهت افزایش بازسازی استخوان، ارائه دهد. هنگامی که این رویکرد بر روی افراد زیادی تکرار شد، نتایج مشابهی به دست آمد.یکی از این مطالعات با آزمایش بیمارانی که تحت جراحیهای پیچیده زانو قرار می گرفتند، انجام شد. در این مطالعه دانشمندان به این نتیجه دست یافتند که: شروع آزادسازی سلولهای بنیادی خود بیماران، منجر به بهبود قابل توجهی در ترمیم و یکپارچگی پیوند استخوان آنها گردید.
ESCM (تحریک سلولهای بنیادی درونزا) و تراکم استخوان
یکی از جنبههای سلامت استخوان که به طور گسترده به اثبات رسیده است، کاهش قابل توجه تراکم مواد معدنی استخوان با افزایش سن، به ویژه در زنان است. در حالی که بسیاری از عوامل مانند: عدم فعالیت بدنی و تغییرات هورمونی پس از یائسگی در کاهش تراکم استخوان نقش دارند، اما یکی از مهمترین عواملی که اغلب نادیده گرفته میشود، کاهش تعداد سلولهای بنیادی در گردش ناشی از افزایش سن است که به نوبه خود، توانایی روزانه استخوانها را برای ترمیم و حفظ تراکم سالم، کاهش میدهد.
گروهی از دانشمندان به این نکته دست یافتند که کاهش توانایی استخوانها برای ترمیم ناشی از افزایش سن در زنان، ممکن است با یائسگی آنها مرتبط باشد. آنها با مطالعه بر روی موشهای ساخته شده برای یائسگی، دریافتند که آن موشها، نه تنها تراکم استخوان کمتری داشتند، بلکه سلولهای بنیادی بسیار کمتری را در پاسخ به شکستگی استخوان آزاد کردند و باعث شدند که ترمیم استخوان بیشتر به تأخیر بیوفتد. در مطالعات دیگری در مورد پوکی استخوان این نتیجه گزارش داده شد که: در واقع آزادسازی سلولهای بنیادی خود فرد میتواند به حفظ تراکم استخوان او کمک کند.
نتیجه
سلولهای بنیادی بدون توجه به نوع شکستگی، نقش مهمی در ترمیم استخوان ایفا میکنند و مانند هر بافت دیگری، بین تعداد سلولهای بنیادی در گردش و توانایی استخوانها برای ترمیم ارتباط وجود دارد. افزایش تعداد سلولهای بنیادی در گردش نیز میتواند به بدن “در حفظ سلامت تراکم استخوان“ کمک کند.
Sources:
- Residual lifetime risk of fractures in women and men.
Nguyen ND, Ahlborg HG, Center JR, Eisman JA, Nguyen TV.
J Bone Miner Res. 2007 Jun;22(6):781-8. - The assessment of fracture risk.
Unnanuntana A, Gladnick BP, Donnelly E, Lane JM.
J Bone Joint Surg Am. 2010 Mar;92(3):743-53.
Office of the Surgeon General (US). Bone Health and Osteoporosis: A Report of the Surgeon General. Rockville (MD): Office of the Surgeon General (US); 2004. 5, The Burden of Bone Disease. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK45502/ - Fracture induced mobilization and incorporation of bone marrow-derived endothelial progenitor cells for bone healing.
Matsumoto T, Mifune Y, Kawamoto A, Kuroda R, Shoji T, Iwasaki H, Suzuki T, Oyamada A, Horii M, Yokoyama A, Nishimura H, Lee SY, Miwa M, Doita M, Kurosaka M, Asahara T.
J Cell Physiol. 2008 Apr;215(1):234-42. - Circulating plastic adherent mesenchymal stem cells in aged hip fracture patients.
Alm JJ, Koivu HM, Heino TJ, Hentunen TA, Laitinen S, Aro HT.
J Orthop Res. 2010 Dec;28(12):1634-42. - Mobilization of endothelial progenitor cells in fracture healing and distraction osteogenesis.
Lee DY, Cho TJ, Kim JA, Lee HR, Yoo WJ, Chung CY, Choi IH.
Bone. 2008 May;42(5):932-41. - Role of mesenchymal stem cells in bone regeneration and fracture repair: a review.
Wang X, Wang Y, Gou W, Lu Q, Peng J, Lu S.
Int Orthop. 2013 Dec;37(12):2491-8. - Strategies to Stimulate Mobilization and Homing of Endogenous Stem and Progenitor Cells for Bone Tissue Repair.
Herrmann M, Verrier S, Alini M.
Front Bioeng Biotechnol. 2015 Jun 2;3:79. - Adult Stem Cells for Bone Regeneration and Repair.
Iaquinta MR, Mazzoni E, Bononi I, Rotondo JC, Mazziotta C, Montesi M, Sprio S, Tampieri A, Tognon M, Martini F.
Front Cell Dev Biol. 2019 Nov 12;7:268. - Effects of human granulocyte-colony stimulating factor on fracture healing in rats.
Bozlar M, Aslan B, Kalaci A, Baktiroglu L, Yanat AN, Tasci A.
Saudi Med J. 2005 Aug;26(8):1250-4. - Five Days Granulocyte Colony-Stimulating Factor Treatment Increases Bone Formation and Reduces Gap Size of a Rat Segmental Bone Defect: A Pilot Study.
Herrmann M, Zeiter S, Eberli U, Hildebrand M, Camenisch K, Menzel U, Alini M, Verrier S, Stadelmann VA.
Front Bioeng Biotechnol. 2018 Feb 12;6:5. - The effects of G-CSF and naproxen sodium on the serum TGF-beta1 level and fracture healing in rat tibias.
Kaygusuz MA, Turan CC, Aydin NE, Temel I, Firat S, Bulut T, Kuku I.
Life Sci. 2006 Dec 3;80(1):67-73. - Mobilization of endogenous stem cell populations enhances fracture healing in a murine femoral fracture model.
Toupadakis CA, Granick JL, Sagy M, Wong A, Ghassemi E, Chung DJ, Borjesson DL, Yellowley CE.
Cytotherapy. 2013 Sep;15(9):1136-47 - Bone marrow-derived cell mobilization by G-CSF to enhance osseointegration of bone substitute in high tibial osteotomy.
Marmotti A, Castoldi F, Rossi R, Marenco S, Risso A, Ruella M, Tron A, Borrè A, Blonna D, Tarella C.
Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2013 Jan;21(1):237-48. - Age- and gender-related alterations of the number and clonogenic capacity of circulating CD34+ progenitor cells.
Moresi R, Tesei S, Costarelli L, Viticchi C, Stecconi R, Bernardini G, Provinciali M.
Biogerontology. 2005;6(3):185-92. - When stem cells grow old: phenotypes and mechanisms of stem cell aging.
Schultz MB, Sinclair DA.
Development. 2016 Jan 1;143(1):3-14. - Osteogenesis and aging: lessons from mesenchymal stem cells.
Infante A, Rodríguez CI.
Stem Cell Res Ther. 2018 Sep 26;9(1):244. - Changes of mesenchymal stromal cells mobilization and bone turnover in an experimental bone fracture model in ovariectomized mice.
Pang J, Guo HL, Ding DF, Wu YY, Zhao YF, Gu XF, Zheng YX.
Int J Clin Exp Pathol. 2015 Sep 1;8(9):10228-38. - AMD3100 improves ovariectomy-induced osteoporosis in mice by facilitating mobilization of hematopoietic stem/progenitor cells.
JY Im, WK Min, MH Park, NO Kim, JK Lee, HK Jin, JY Choi,
SY Kim , JS Bae.
BMB Reports 2014; 47(8): 439-444.