Mekanostat

Mekanostaten är en term som beskriver hur mekanisk belastning påverkar benstrukturen genom att ändra massan (mängden ben) och arkitekturen (dess arrangemang) för att ge en struktur som motstår vanliga belastningar med en ekonomisk mängd material . Eftersom förändringar i skelettet åstadkoms genom processerna för bildning ( bentillväxt ) och resorption (benförlust), modellerar mekanostaten effekten av påverkan på skelettet av dessa processer, genom deras effektorceller, osteocyter, osteoblaster och osteoklaster. Termen uppfanns av Harold Frost : en ortopedisk kirurg och forskare som beskrivs utförligt i artiklar som hänvisar till Frost och Webster Jee's Utah Paradigm of Skeletal Physiology på 1960-talet. Mekanostaten definieras ofta som en praktisk beskrivning av Wolffs lag som beskrevs av Julius Wolff (1836–1902), men detta är inte helt korrekt. Wolff skrev sina avhandlingar om ben efter att bilder av bensektioner beskrevs av Culmann och von Meyer, som föreslog att arrangemanget av strävorna (trabeculae) vid benens ändar var i linje med de påfrestningar som benet upplevde. Det har sedan dess fastställts att de statiska metoderna som användes för dessa beräkningar av spänningslinjer var olämpliga för arbete på vad som i själva verket var krökta balkar, ett fynd som beskrivs av Lance Lanyon, en ledande forskare inom området som "en triumf av en bra idé över matematik." Medan Wolff drog ihop arbetet av Culmann och von Meyer, var det den franske vetenskapsmannen Roux, som först använde termen "funktionell anpassning" för att beskriva hur skelettet optimerade sig för sin funktion, även om Wolff krediteras av många för det.

Enligt Mechanostat stimuleras bentillväxt och benförlust av den lokala, mekaniska, elastiska deformationen av benet. Anledningen till den elastiska deformationen av ben är de maximala krafterna som orsakas av muskler (t.ex. mätbara med hjälp av mekanografi ). Anpassningen (återkopplingskontrollslingan ) av ben enligt de maximala krafterna anses vara en livslång process. Därför anpassar ben sina mekaniska egenskaper efter den nödvändiga mekaniska funktionen: benmassa, bengeometri och benstyrka ( se även Stress-strain index , SSI) anpassar sig till daglig användning/behov. "Maximal kraft" i detta sammanhang är en förenkling av den verkliga inmatningen till ben som initierar adaptiva förändringar. Även om storleken på en kraft (vikten av en last till exempel) är en viktig bestämningsfaktor för dess effekt på skelettet, är den inte den enda. Hastigheten för applicering av kraft är också kritisk. Långsam applicering av kraft under flera sekunder upplevs inte av benceller som en stimulans, men de är känsliga för mycket snabb applicering av krafter (såsom stötar) även av mindre omfattning. Högfrekventa vibrationer av ben vid mycket låga magnituder tros stimulera förändringar, men forskningen på området är inte helt entydig. Det är tydligt att ben svarar bättre på belastning/träning med luckor mellan enskilda händelser, så att två belastningar åtskilda av tio sekunders vila är mer potenta stimuli än tio belastningar inom samma tio sekunder.

På grund av denna kontrollslinga finns det ett linjärt samband i den friska kroppen mellan muskeltvärsnittsarea (som ett surrogat för typiska maximala krafter som muskeln kan producera under fysiologiska förhållanden) och benets tvärsnittsarea (som ett surrogat för ben styrka).

Dessa relationer är av enorm betydelse, särskilt för tillstånd med benförlust som osteoporos , eftersom en anpassad träning som utnyttjar de nödvändiga maximala krafterna på benet kan användas för att stimulera bentillväxt och därigenom förhindra eller hjälpa till att minimera benförlust. Ett exempel på en så effektiv träning är vibrationsträning eller helkroppsvibration .

Modellering och ombyggnad

Frost definierade fyra regioner av elastisk bendeformation som resulterar i olika konsekvenser på kontrollslingan:

Mekanostat: Modellerings- och ombyggnadströsklar

• 
  Utanvändning: Stam < ca 800μTöjning: Ombyggnad (benanpassning och benreparation) Benmassa och benstyrka minskar.
• 
  Anpassat tillstånd: töjning mellan cirka 800μTöjning och cirka 1500μTöjning: Ommodellering (benreparation) Benmassa och benstyrka förblir konstant (homeostas: benresorption=benbildning).
• 
  Överbelastning: Töjning > cirka 1500 μ Töjning: Modellering (bentillväxt): benmassa och benstyrka ökar.
• 
  Fraktur: Töjning > cirka 15000 μ Töjning: Maximal elastisk deformation överskrids, vilket orsakar benfraktur.

Enligt detta har ett typiskt ben (t.ex. skenbenet ) en säkerhetsmarginal på cirka 5 till 7 mellan typisk belastning (2000 till 3000 μStrain) och frakturbelastning (ca 15000μStrain).

Kommentarerna ovan är alla en del av hur skelettet reagerar på belastning, eftersom skelettets olika ben har en rad vanliga belastningsmiljöer (som omfattar storlek, hastighet, frekvens, viloperioder, etc.), och de är inte enhetliga. Siffrorna i tabellen är endast teoretiska och kan spegla svaret från mitten av ett långt ben under specifika omständigheter. Andra delar av samma ben och andra ben hos samma individ upplever olika belastning och anpassar sig till dem trots olika tröskelvärden mellan obruk, underhåll och adaptiv bildning. Dessutom styrs benstrukturen av en komplex serie av olika influenser, såsom kalciumstatus, effekterna av hormoner, ålder, kost, kön, sjukdomar och läkemedel. Ett ben som upplever vad som under vissa omständigheter skulle ses som en stimulans för att bilda mer material kan antingen hållas på en konstant nivå där cirkulerande kalcium var låg, eller så kan samma belastning bara dämpa mängden resorption som upplevs hos en gammal person med ett ben -slösa sjukdom.

Enhet: Stam E

Den elastiska deformationen av ben mäts i μStrain . 1000μTöjning = 0,1 % förändring av benets längd.

• Töjning E vid längden l och förändring av längden Δ l : $E={\frac {\Delta l}{l}}$

Det måste beaktas att benstyrkan är starkt beroende av geometrin och riktningen av de verkande krafterna i förhållande till denna geometri. Brottbelastningen för tibias axiella krafter är till exempel cirka 50 till 60 gånger kroppsvikten. Brottbelastningen för krafter vinkelrät mot den axiella riktningen är cirka 10 gånger lägre.

Olika typer av ben kan ha olika modellerings- och ombyggnadströsklar. Modelleringströskeln för skenbenet är cirka 1500 μStrain (0,15 % förändring av längden), medan modelleringströskeln för delar av skallbenen är helt annorlunda. Vissa delar av skallen som underkäken (underkäken) upplever betydande krafter och påfrestningar under tuggning, men kraniets kupol måste förbli stark för att skydda hjärnan, även om den inte upplever vad som skulle ses som stimulerande påfrestningar. I en studie där stammarna mättes i skallen på en levande människa, visades det att stammar i skallen aldrig översteg 1/10 av toppbelastningen i skenbenet hos samma individ, med liknande skillnader i töjningshastigheter. Detta tyder på att antingen ben i skallen är mycket känsliga för extremt låga stammar, eller att den "genetiska baslinje"-mängden ben i skallen i vad som i praktiken inte används modifieras av effekterna av belastning. Huruvida skallarna på boxare är tjockare än vanliga individer är en spännande fråga som inte har besvarats.

Eftersom de fysiska, materiella egenskaperna hos ben inte förändras i kroppens olika bentyper, resulterar denna skillnad i modelleringströskel i en ökad benmassa och benstyrka, och därmed en ökad säkerhetsfaktor (samband mellan frakturbelastning och typiska belastningar) för skallen jämfört med skenbenet. En lägre modelleringströskel innebär att samma typiska dagliga krafter resulterar i ett "tjockare" och därmed starkare ben vid skallen.

Exempel

Typiska exempel på påverkan av maximala krafter och de resulterande elastiska deformationerna på bentillväxt eller benförlust är förlängda flygningar av astronauter och kosmonauter , såväl som patienter med paraplegi på grund av en olycka. Förlängda perioder i fritt fall leder inte till förlust av ben från skallen, vilket ger stöd till tanken att dess ben upprätthålls av en genetisk inte en mekanisk påverkan (skallbenet ökar ofta vid långvariga rymdflygningar, något som tros vara relaterat till vätskeskiften i kroppen).

En förlamad patient i rullstol som använder sina armar men inte sina ben kommer att drabbas av massiv muskel- och benförlust i bara benen på grund av bristande användning av benen. Men musklerna och benen i armarna som används varje dag kommer att förbli desamma, eller kan till och med öka, beroende på användningen.

Samma effekt kan observeras för långflygande astronauter eller kosmonauter. Medan de fortfarande använder sina armar på ett nästan normalt sätt, på grund av bristen på gravitation i rymden finns det inga maximala krafter som induceras på benens ben. På jorden upplever långvariga spelare av racketsport liknande effekter, där den dominerande armen kan ha 30 % mer ben än den andra på grund av de asymmetriska krafttillämpningarna.

Harold Frost applicerade Mechanostat-modellen inte bara på skelettvävnader utan också på fibrösa, kollagena bindvävar, såsom ligament, senor och fascia. Han beskrev deras anpassningsförmåga till belastning i sin "stretch-hypertrophy regel":

"Intermittent stretch får kollagenvävnad att hypertrofi tills den resulterande ökningen i styrka minskar förlängningen i spänningen till någon miniminivå".

I likhet med benvävnadernas lyhördhet inträffar denna anpassningsrespons endast om den mekaniska påfrestningen överskrider ett visst tröskelvärde. Harold Frost föreslog att för täta, kollagena bindvävar är det relaterade tröskelvärdet cirka 4 % töjningsförlängning.

externa länkar

• ISMNI – International Society of Musculoskeletal and Neuronal Interactions