Growth, adaptation and aging of the skeletal system

Our skeletal system requires a certain amount of maintenance in order to withstand the external loading appropriately for a long period. This maintenance is performed by specializae cells; i.e., osteoclasts and osteoblasts, which continuously resorb and rebuild the bony matrix in small packages. It is presently not known how these cells are being signalled such that they undertake appropriate actions and resorb damaged (weak) bone and replace it with a new. It is well recognized that mechanical loading has an important effect on the cellular events. Mechanical load distribution in bony structures can be calculated using the finite element method. In addition, the effects on growth, adaptation and degeneration due to this loading can be incorporated into these models as well. That gives the opportunity to study the interaction between biological and mechanical aspects in bone tissue. In this study a few examples of such an interaction are simulated numerically and their biological or clinical consequences are discussed.

Nasz układ kostny, aby dobrze znosić przez pewien czas obciążenia zewnętrzne, wymaga pewnej dozy podtrzymywania. Podtrzymywanie to przeprowadzane jest przez pewne wyspecjalizowane komórki, tzn. komórki kościogubne (osteoklasty) i komórki kościotwórcze (osteoblasty). Komórki te w małych porcjach ciągle wchłaniają i przebudowują substancję międzykomórkową. Aktualnie nie wiadomo jak te komórki otrzymują sygnały nakazujące podjęcie odpowiednich działań, wchłania uszkodzonej (słabej) kości i zastępowania jej nową tkanką kostną. Uważa się, że obciążenie mechaniczne odgrywa ważną rolę w zdarzeniach komórkowych. Rozkład obciążeń mechanicznych w strukturach kostnych można wyznaczyć przy zastosowaniu metody elementów skończonych. W tych modelach może być ponadto uwzględniony wpływ na wzrost, przystosowanie i degenerację wywołaną obciążeniem. Daje to możliwość badania interakcji pomiędzy aspektami biologicznymi i mechanicznymi w tkance kostnej. W niniejszej pracy podano kilka przykładów symulacji numerycznej takiej interakcji oraz przedyskutowano konsekwencje biologiczne czyli kliniczne.