Lidské tělo

Kost je orgán tvořící základní stavební článek kostry. Podle tvaru, stavby, cévního zásobení, růstu a biomechanických vlastností rozdělujeme kosti do tří skupin. Rozlišujeme kosti dlouhé, krátké a ploché.

Dlouhé kosti tvoří především kosti končetin. Patří  k  nim femur, tibia, fibula, humerus, radius, ulna, ale i klíční kost a žebra. Dlouhé kosti jsou typické svými rourovitými úseky na které nasedají koncové partie, obvykle tvořící kloubní   konce  kostí pokryté kloubní chrupavkou.

Na  makroskopickém  řezu  typickou  dlouhou  kostí  proto  rozlišujeme: 

·      plášťovou  vrstvu  kosti, kompaktní  vrstvu (tzv. kompaktu); a

·      houbovitou  část  kosti, spongiózní část  (tzv. spongiózu).

Lidská kostra je z 80 % složena z kompaktní kosti, která je nositelkou především mechanických vlastností skeletu, a z 20 % spongiózní kosti, která reprezentuje obrovskou plochu pro realizaci látkové  výměny kostí  a  jejich  remodelaci.

Kostní  kompakta

Kompakta je tvořena buď koncentricky uspořádanými lamelami nebo destičkovými lamelami, orientovanými rovnoběžně  s  dlouhou osou kosti. Komplex až dvaceti soustředných lamel s centrálním (Haversovým) kanálkem  se  nazývá  Haverský  systém  neboli osteón.   

Osteón   je  základní  stavební  jednotkou   kompaktní  kosti

Stavba  osteónu: Stěnu  osteónu  tvoří  6 - 15 trubicovitých  lamel, v jejichž  stěnách  jsou vyhloubeny komůrky, ve kterých jsou uloženy bohatě rozvětvené o steoblasty (-cyty).  Osteóny mohou být v kompaktě uloženy rovnoběžně, nebo  probíhat  v  táhlých  spirálách, případně  mohou  být ohnuty  do  oblouku.

Středem osteónu probíhá centrální (Haversův) kanálek vyplněný řídkým vazivem, různými typy pojivových buněk a jednou až dvěma krevními kapilárami doprovázenými nervovými vlákny inervujícími jejich stěnu. Centrální kanálky jsou mezi sebou spojeny příčnými a šikmými Volkmannovými kanálky, takže krevní oběh osteónů je vzájemně propojen. Některé  osteóny  mohou  být  na   jednom   konci  zaslepené.

[ Jednotlivé kostní lamely tvořící osteón se skládají ze svazků kolagenních vláken zalitých do amorfní mezibuněčné hmoty, a  z  osteocytů (- blastů). Svazky kolagenních vláken probíhají v každé lamele více méně rovnoběžně. Každá lamela má tak "svůj" směr průběhu vláken, takže skelet celého osteónu je komplex vzájemně se různě křížících kolagenních vláken.

Schematicky lze podle průběhu vláken rozlišit tři typy osteónů: spirální, longitudinální (podélné) a alternující (smíšené). Zdá se, že v osteónech se běžně vyskytuje kombinace lamel s různou prostorovou orientací vláken i s různým stupněm mineralizace. Destičkovité lamely uložené mezi trubicovitými osteóny mají obdobnou stavbu. Na zevním a vnitřním povrchu kompakty tvoří koncentrické vrstvy, kterým říkáme zevní  a  vnitřní    lamely.

Ve stěnách lamel jsou mělké jamky, lakuny  ve kterých jsou uloženy rozvětvené osteoblasty (- cyty). Některé osteoblasty po ukončení produkce mezibuněčné hmoty zanikají, a lakuny pak zůstávají prázdné.

Ze dna lakun začínají jemné kostní kanálky (canaliculi ossium), do kterých osteoblasty vysílají své výběžky a tvoří tak anatomický základ komunikačního systému lakun (osteoblastů), lamel a centrálních (Haversových) kanálků. 

Většina kostních buněk je tak svými výběžky buď přímo ve vzájemném kontaktu nebo tento buněčný kontakt nahrazuje cirkulující tkáňová tekutina ve štěrbinách mezi povrchem osteoblastů a dnem lakuny, resp. stěnou kostních kanálků. Některé kanálky se obloukovitě ohýbají a vracejí se do dna téže lakuny. Tyto kanálky se sousedními lamelami nekomunikují.

: Osteón  je stavební  i  cirkulační jednotkou kostní kompakty. Popsaná úprava kolagenních vláken v lamelách osteonu a jejich rozdílný stupeň mineralizace, jsou základem pevnosti kompakty v tahu, tlaku i v ohybu. Také biomechanické vlastnosti kostní kompakty (viz dále) jsou přímým důsledkem této úpravy. Výhodných mechanických vlastností dosahuje kompakta i zásluhou specifické úpravy cirkulace, která na jedné straně dovoluje vysoký stupeň látkové výměny, na druhé straně nevede k zeslabení poměrně rigidní struktury osteónů.

Možnost oboustranné látkové výměny mezi krví a kostními buňkami je tak zajištěna cestou: kapiláry v centrálním Haversově kanálku Þ kostní kanálky  Þ osteoblasty (- cyty) Þ mezibuněčná kostní hmota. Pomocí této komunikace se uskutečňuje jednak mineralizace kostní tkáně, jednak se touto cestou transportují vápenaté a hořečnaté ionty uvolňované z kompakty do krevního oběhu. Tkáňová (extracelulární) tekutina cirkulující lakunami a kostními kanálky je totiž v kontaktu s obrovskou plochou anorganických krystalitů [Ca₁₀ (PO₄ )₆ (OH)₂ ].

Udává se, že u člověka vážícího 70 kg  je tkáňová   tekutina  v  kontaktu  s  minerály  na  ploše 1500 - 5000 m² !

Kostní  spongióza

Spongióza je v lamelární kosti všude tam, kde není vytvořena souvislá a jednotná dřeňová dutina (kostní hlavice). Spongióza  je  i   pod  plášťovou  vrstvou  kompakty.

Stavba  spongiózy: Spongióza  je  složena  z  trámců  (trabekul) a plotének tvořících prostorové struktury, jejíchž tvar je výsledkem různých mechanických sil působících na kost. Stavba trámců a plotének je prakticky stejná jako stavba lamel osteónů. U silnějších trámců se dokonce formují pravé Haversovy osteóny, tj. trámce složené z koncentricky uspořádaných lamel. Na povrchu trámců jsou drobné lakuny s osteoblasty a kostními kanálky.

: Je nesporné, že povrch osteoblastů (- cytů) je v kontaktu s tekutinou (s proteoglykany) cirkulující ve štěrbinách lakun a kanálků, do kterých osteoblasty vysílají své výběžky. Podle realizovaných měření se tlak této tekutiny mění v závislosti na zatížení kosti, a tyto změny zřejmě mají vliv i na metabolickou aktivitu kostních buněk produkujících mezibuněčnou kostní hmotu. Vzhledem k tomu, že každá pohybová aktivita vede ke změnám zatížení kostí, je možné, že prostřednictvím tlaku v lakunách a kanálcích je regulována kostní přestavba, remodelace kostí a pod.

Směr průběhu a uspořádání kostních trabekul a trámců odpovídá tzv. trajektoriím, tj. liniím spojujícím místa největšího zatížení kosti.

Celkovému uspořádání průběhu trámců a lamel spongiózy v kosti, říkáme kostní architektonika. Každá kost má specifickou a typickou architektoniku své spongiózy, která není neměnná. Při porušení kostního tvaru, např. při kostní zlomenině a následném odlišném tlakovém zatěžování zhojené, ale deformované kosti se trámce přestavují. Vzniká architektonická úprava trámců již typická pro nové tlakové zatížení.

Stavba  dlouhých  kostí: Jednotlivé úseky dlouhých kostí jsou nejlépe patrny  na dětské, ještě neúplně osifikované kosti. Střední úsek kosti, diafýza   je dutý a často válcovitý  útvar, jehož  plášť  tvoří kompaktní kost. Dutina  diafýzy, tzv. dřeňová  dutina  (cavitas  medullaris) je vyplněna kostní dření.

Na koncích dlouhých kostí jsou  kloubní  konce  kostí, epifýzy. Epifýzy jsou vyplněny kostní trámčinou (spongiózou), obklopenou tenkou slupkou kompaktní kosti (kortikalis). Pokud kost roste, jsou epifýzy a diafýzy odděleny růstovou chrupavkou, fýzou. (Stavbě růstové chrupavky bude věnována  pozornost  v  dalším textu.)

Masivní, dlouhé kosti končetin (stehna, bérce, paže a předloktí) mají dvě epifýzy (dvě růstové chrupavky !); články  prstů  a  žebra  jsou  monoepifýzové  kosti.

Povrch dlouhých kostí – s výjimkou  svalových  úponů  a  kloubních  povrchů, povléká  okostice.

Periost

Okostice, periosteum  je poměrně silná (až 2 mm) tuhá vazivová blána, která nestejně pevně lne k povrchu kostní kompakty. U dlouhých kostí je periost ke kompaktě nejlépe fixován v místě úponů šlach a vazů, kde kolagenní vlákna vazů a šlach přímo pronikají mezi povrchové lamely kompaktní kosti.

Stavba  okostice: Periost se skládá ze tří, vzájemně velmi těsně spojených vrstev. Povrchová adventicie je tvořena řídkým vazivem s menším množstvím vazivových buněk (fibrocytů, tukových buněk) a spíše síťovitě orientovanými vlákny; střední fibroelastická vrstva je složena ze snopců převážně podélně probíhajících svazků kolagenních a elastických vláken pevně zakotvených na hranici epifýzy a metafýzy; vnitřní vrstva je bohatá na osteoblasty, fibroblasty a cévní pleteně. Z této vrstvy periostu  roste kost do  šířky. (Viz dále.) V dospělosti a ve stáří převládají ve vnitřní vrstvě nepravidelně uspořádaná vlákna a redukované cévní sítě.

Na zbývajícím povrchu kosti je  periost ke kompaktě upevněn pomocí krátkých vazivových vláken, odstupujících  do  kosti  z  hluboké  vrstvy  periostu.

Tyto svazky, tzv. Sharpeyových  vláken jsou zality do kostní kompakty a zabezpečují pevný úpon periostu na značné ploše kosti. Protože se Sharpeyovými vlákny  vstupují z  periostu do kompakty i cévy, představuje periost nejen mechanickou ochranu povrchu kosti a mezičlánek pro úpon svalů, ale je také významným zdrojem cévního zásobení kosti. (Odtržení  periostu  znamená zničení cévního zásobení v příslušném okrsku kosti.)

Periost (jeho hluboká vrstva) je významným zdrojem kostitvorné aktivity, která se uplatňuje nejen v růstu kostí do šířky a při jejich  remodelaci, ale i při hojení defektu kompakty, který je vyplňován kostitvornou aktivitou zachovaného periostu.

Obdobnou stavbu jako periost na povrchu kosti, má vnitřní okostice, endosteum vystýlající dřeňovou dutinu kosti. Endost je tenčí a kromě podílu na tvorbě kostní tkáně si v dětství zachovává i krvetvornou potenci.

Základní  biomechanické  vlastnosti  dlouhých  kostí

Obecné biomechanické vlastnosti kostí nejlépe vystihuje modifikovaný Rouxův zákon: Maximální  pevnosti  kosti  je  dosaženo  s  minimální  spotřebou  materiálu.                                                             

Kost je velmi pevná - pevnost kompakty dlouhých kostí je srovnávána s mosazí, litinou nebo kujným železem (100 - 200 MPa). O biomechanických vlastnostech izolovaných kostí bylo získáno velké množství údajů. Bylo např. zjištěno, že diafýza (kompakta) dlouhých kostí snáší obrovské statické zatížení  působící  ve  směru  její  osy: pažní  kost "unese" hmotnost asi  600 kg; stehenní  kost 760 kg, ale  holenní  kost  až  1350 kg.

Byla ale změřena i menší - asi poloviční pevnost diafýz při zatížení v příčném směru, a prokázána pevnost kompakty dlouhých kostí ve zkrutu. (Např.  lýtková  kost  praská  již  při  zatížení  6 kg.)

Je také nepochybné, že kosti jsou v tahu ještě odolnější než při tlakovém zatížení.

Tato a mnohá další čísla jsou sice instruktivní, ale jejich praktické využití je často problematické. Měření prováděná na izolovaných vzorcích kosti v naprosto arteficielním prostředí, nemohou plně vypovídat o biologických vlastnostech kostí zapojených v systému celého skeletu, a o chování kostí v průběhu působení dynamických, různě směrovaných sil, kterým jsou kosti vystaveny při pohybu, růstu, ale i v průběhu úrazových dějů. Omezíme se proto pouze na několik pravidel, podle kterých se staticky a dynamicky namáhaná kost řídí.

Kost  není  z  mechanického  hlediska  homogenní  útvar.

Kompakta dlouhých kostí je složena z trubicovitých  lamel, které ideálně splňují základní požadavek pevnosti s minimální spotřebou stavebního materiálu. Lakuny lamel - vzhledem ke svému oválnému tvaru nesnižují významněji pevnost kompakty, stejně jako canaliculi ossium paprsčitě prorážející stěny lamel. Mezi vrstvenými lamelami je málo kolagénu a intersticiální hmota je vysoce mineralizována. Pouze ojedinělá jsou kolagenní vlákna pronikající z jedné lamely do druhé. Chybění vláken mezi lamelami je snad důvodem nízké odolnosti kompakty ve zkrutu.

Obecně platí, že distribuce minerálů v kompaktě není stejná. Mezi klasickými Haversovými osteony i mezi vmezeřenými lamelami, jsou místa méně mineralizované (méně tvrdé) kosti, které z mechanického hlediska snad plní funkci určitých absorberů  kinetické  energie působící na kompaktu. Jak již bylo uvedeno, kompakta  diafýzy  je  velmi    na statický tlak působící v dlouhé ose kosti (trubicový systém lamel !). Ještě pevnější - až o 60 % je kompakta  v  tahu.

U většiny dlouhých kostí je kompakta nejtlustší  uprostřed  délky  diafýzy. Zde také nejlépe odolává pomalé torzi, ohnutí kostí. Na horizontálně (příčně) působící tlak není kostní diafýza odolná,   chybí jí "prostorově odolná" struktura  kostní  spongiózy.

Trámce spongiózy v diafýze totiž buď chybějí nebo jsou velmi primitivně vytvořeny na dutinové ploše kompakty.

Dynamické zatížení kostní kompakty je závislé na  rychlosti pohybu, s jejíž dvojmocí  zatížení stoupá. (Proto i velmi malý, ale  rychlý  náraz  působí  zlomeninu !)

Spongiózu  epifýz tvoří vzájemně se křížící trámce - typická struktura vznikající na základě prostorově komplikovaně směrovaného tlaku a tahu, a struktura na tlak a tah také maximálně odolná. Trámce připomínají svým tvarem a uspořádáním lomené gotické oblouky podpírající chrámové klenby, a probíhají v silokřivkách odpovídajících místům tlaku a tahu, kterým je daná kost vystavena.                                          

Spongióza  =  hydraulický  systém  kosti

Spongióza není z biomechanického hlediska pouze souborem trámců kostní tkáně. Prostory mezi trámci jsou vyplněny tukovými buňkami, buňkami kostní dřeně, cévami, nervy a mezibuněčnou tekutinou.

Tukové  buňky  velmi  dobře adherují  k  povrchu trámců. Celý systém buněk a cév spongiózy lze chápat jako  elastický  hydraulický  systém, chránící kostní trámce. Do systému přitéká krev z cév, které jsou uvnitř kosti a odtéká oběma směry - do žil dřeně i mimo kostní tkáň - do žilního systému periostu. Hydraulické vlastnosti kostní spongiózy se projevují při jakémkoliv zatížení pohybového systému, zvýšením hydrostatického tlaku v dutinách spongiózy. Zátěž je tak zčásti absorbována a rigidní kostní trámce jsou zatíženy až "v druhém sledu".

Hydraulický systém spongiózy můžeme chápat i jako "shock absorber" kosti a stimulátor růstu, remodelace nebo obnovy kosti. (Viz dále.)

 Kostní  dřeň

Dřeňové dutiny diafýz, prostůrky  spongiózy  a  širší  Haversovy  kanálky  vyplňuje  kostní  dřeň.

Kostní dřeň, medulla ossium je rosolovitá měkká tkáň, jejíž vzhled a stavba se mění podle toho, jde-li o červenou, žlutou nebo šedou dřeň.

Červená  kostní  dřeň

Stavba dřeně: Červená kostní dřeň se skládá ze sítě retikulárních vláken, prostoupených  širokými krevními  vlásečnicemi do  kterých zde vstupují krevní buňky a destičky. V síti jsou uloženy výchozí buňky  pro tvorbu všech základních typů bílých i červených krvinek, krevních destiček kostních buněk, a  krevní  buňky   v  různé  fázi zralosti.

: Červená dřeň je krvetvorný orgán, a po narození jediné místo, kde v těle vznikají krvinky. V průběhu růstu červené dřeně ubývá a ve věku kolem dvaceti let je krvetvorba většího rozsahu lokalizována především v hrudní kosti,ve spongióze kloubních konců dlouhých kostí a ve spongióze krátkých kostí (v obratlových tělech, karpálních a tarzálních kostech). Poměrně do vysokého věku se udržuje krvetvorba v žebrech, v plochých kostech lebky a pánve a v drsnatinách, výběžcích a hranách dlouhých kostí. 

Červená kostní dřeň je postupně nahrazována žlutou dření.

Žlutá  kostní  dřeň

[ Stavba  dřeně: Sítě retikulárních vláken červené dřeně jsou infiltrovány tukovými buňkami, které nakonec převládají. Červená dřeň se v podstatě mění na tukové vazivo.

: Vzhledem k množství tukových buněk vyplňujících téměř celé dřeňové dutiny všech kostí a k velmi silné vaskularizaci této tkáně, představuje žlutá kostní dřeň i určitou energetickou reservu organismu. Žlutá kostní dřeň je ve vysokém věku nahrazována tzv. šedou dření. Jde o vazivo, které ve dřeňových dutinách zůstává po ztrátě tukových buněk.