Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Dr Iwona Lazar, prof. UŚ, inż. Olga Zawarczyńska, dr inż. Piotr Duda oraz mgr Janusz Koperski z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego uczestniczą w interdyscyplinarnym projekcie kierowanym przez prof. dr. hab. n. med. Krzysztofa Ficka z Galen-Ortopedia w Bieruniu. Zespołem naukowców z Uniwersytetu Śląskiego kieruje dr Iwona Lazar, prof. UŚ. Przedsięwzięciem badawczym podjętym przez zespół jest analiza kości człowieka pod względem gęstości, twardości, składu chemicznego oraz powodów, przez które dochodzi do ich uszkodzeń, a w konsekwencji konieczności zabiegów endoprotezoplastyki, najczęściej stawów kolanowych i biodrowych.

– Specyfika naszych badań polega na tym, że korzystamy z materiałów, jakie otrzymujemy po zabiegach chirurgicznych, nie tak jak w przypadku próbek kości zwierzęcych, gdy mogliśmy zdecydować, które fragmenty wybierzemy do badań. Możemy pracować wyłącznie na tzw. odpadach kostnych, czyli fragmentach, które zostały usunięte z organizmu człowieka jako niezdolne do dalszego działania i zastąpione endoprotezami – opowiada. Badaczka dodaje, że praca z usuniętymi fragmentami kości nie jest monotonna. Kości różnie reagują, bo mniej lub bardziej kruszą się czy łamią. Otrzymywane fragmenty są podobnego kształtu, mieszczą się w dłoni, ale dokładna ich analiza pokazuje różnice w zależności od stopnia zaawansowania zmiany chorobowej.

– Jedną z motywacji, jakie towarzyszą naszej pracy, jest świadomość wspomagania medycyny – mówi inż. Olga Zawarczyńska. – Badając kruchy odłam kostny, dobrze jest się dowiedzieć, jaki jest jego skład chemiczny determinujący wytrzymałość szkieletu. Podejmując prace, najpierw obrazujemy całą próbkę, tzn. tkankę chrzęstną i kostną, dzięki czemu możemy stwierdzić stopień zaawansowania osteoporozy, czyli choroby polegającej na zmniejszeniu gęstości kości oraz zaburzeń w spójności ich tkanek, oraz osteoartrozy, czyli zwyrodnienia stawów, do czego najczęściej dochodzi w procesie starzenia. Otrzymane próbki po zabiegach chirurgicznych trafiają do dr. Piotra Dudy, który wykonuje ich skanowanie z wykorzystaniem wysokorozdzielczego tomografu rentgenowskiego – wyjaśnia naukowczyni.

– Otrzymywane próbki ze stawu kolanowego podczas operacji wymiany są cięte przez lekarzy na fragmenty w kształcie plastrów, które w różnym stopniu są pokryte chrząstką. Z części biodrowej otrzymujemy zawsze głowę kości udowej. W powszechnym rozumieniu zwyrodnienia stawów należą do przypadłości osób starszych. Okazuje się, że takie zaburzenia coraz częściej występują również u osób młodszych – opowiada dr Piotr Duda. – Chrząstki stawów nie regenerują się, dlatego częsty wysiłek czy wady postawy powodują nierównomierne ich ścieranie. W konsekwencji następuje kontakt kości z kością, co wywołuje ból i dyskomfort przy codziennym funkcjonowaniu. Wówczas ratunkiem jest operacja z zabiegiem wymiany obszarów niekwalifikujących się do dalszego użytkowania. W laboratorium próbki odpowiednio zabezpieczone przez lekarzy wstępnie osuszam i przygotowuję do skanowania. Proces ten trwa około godziny. Dane z tomografu są następnie rekonstruowane i przygotowywane do opracowania. Analizą kości zajmuje się mgr inż. Jolanta Rajca z ośrodka Galen-Ortopedia, z którą współpracujemy – wyjaśnia naukowiec.

Na mocną eksploatację tkanek kostnych wpływa także intensywne uprawianie sportu. Mówi się, że sport to zdrowie, lecz nie do końca przekłada się to na stan faktyczny – ostrzega dr Piotr Duda i tłumaczy, jak mocno potrafią być przeciążone stawy podczas wyczynowego uprawiania sportu.

– Gdy stoimy, obciążenie stawów biodrowych jest niewielkie. Gdy z kolei biegniemy, obciążenie jest dynamiczne i nasilone kilkukrotnie w stosunku do masy ciała. Nadmierne uprawianie sportu może przynieść poważne szkody, lecz jego całkowity brak albo poważny niedobór również nie polepszają stanu ludzkiego organizmu. Kości wzmacniają się podczas ich obciążania, dlatego na skutek zbyt małej aktywności fizycznej również dochodzi do ich osłabiania.

Prof. Iwona Lazar dodaje, że za przykład mogą posłużyć astronauci, którzy na skutek przebywania w przestrzeni kosmicznej z mikrograwitacją doznają utraty masy kostnej, czyli osteoporozy już w młodym wieku. Kości są aktywne piezoelektrycznie, dlatego ich obciążanie jest konieczne i stymuluje do prawidłowej przebudowy tkanki kostnej – nawet w dojrzałym wieku. Naukowcy uspokajają jednak, że u młodych ludzi zabiegi chirurgiczne są najczęściej efektem wypadków i urazów mechanicznych.

Kolejnym etapem, przez który przechodzą próbki kości, jest fragmentowanie materiału badawczego i poddanie go obserwacjom mikroskopowym. Osobą odpowiedzialną za tę część badań jest mgr Janusz Koperski. Specjalista w pierwszej kolejności odtłuszcza otrzymany fragment tkanki kostnej. Następnie dokonuje analizy ilościowo- jakościowej materiału badawczego, czyli oblicza stosunek fosforu do wapnia oraz obrazuje mikrostruktury próbek.

Badania przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Śląskiego w oparciu o inne wyniki tego międzyuczelnianego zespołu badawczego mają na celu opracowanie metod kontroli lub zatrzymania postępu choroby zwyrodnieniowej stawów.

– Obniża się wiek, w którym dochodzi do problemów ze stawami – mówi prof. Iwona Lazar. – Jeszcze niedawno sześćdziesięciolatek uchodził za pełnego sił człowieka. Dziś wiele osób narzeka na swój stan zdrowia już w okolicach czterdziestego roku życia. Istniejące trendy promujące aktywność fizyczną i atrakcyjne diety zderzają się w dzisiejszej dobie z siedzącym trybem życia i słabej jakości żywnością, którą staramy się uzupełnić suplementami.

– Obecnie jesteśmy na etapie zbierania danych dotyczących morfologii krwi – mówi inż. Olga Zawarczyńska. – Będziemy zestawiać korelacje, dowiadywać się, jakie elementy wpływają na siebie nawzajem, których składników ubywa i jakie są ich oddziaływania w zależności od wieku pacjenta. Jednym z bardziej interesujących nas hormonów jest parathormon produkowany przez gruczoły przytarczyczne, odpowiedzialny za gospodarkę wapniowo-fosforanową.

Młoda badaczka tłumaczy, że parathormon wpływa na stosunek wapnia do fosforu, który w prawidłowo zbudowanym hydroksyapatycie powinien wynosić 1,67. Jest to związek będący głównym budulcem kości i zębów ludzkich, odpowiedzialny za ich odporność na przeciążenia i uszkodzenia mechaniczne. Jeżeli w organizmie występuje niedobór witaminy D, to budowa hydroksyapatytu może być nieprawidłowa, co jest powodem osłabienia kości. W miejscu ubytku chrząstki stawowej, w obszarze zwyrodnienia, tkanka kostna zaczyna się zagęszczać, próbując w ten sposób bronić się przed ubytkiem chrząstki. Wszelkie ubytki wewnątrz kości są uzupełniane przez płyn zapalny, który wyglądem przypomina gęstą, ciemną, lepką maź. W takiej kości inaczej rozkładają się naprężenia, więc zwiększa się jej podatność na uszkodzenia.

Odkrycie wzajemnych zależności w organizmie człowieka może przynieść wiele odpowiedzi na pytania, które swego czasu zadali sobie członkowie zespołu badawczego z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych UŚ. Chęć poznania mechanizmów, przyczyn i skutków schorzeń prowadzi naukowców w ciekawe zakamarki wiedzy fizycznej, chemicznej i medycznej. Efektem ich działań będą nie tylko publikacje naukowe, ale przede wszystkim lepsza pomoc specjalistyczna udzielana wielu cierpiącym osobom.

Katarzyna Suchańska

Artykuł został opublikowany w "Gazecie Uniwersyteckiej UŚ" [nr 1 (311) październik 2023]