Typer av benbildning
Ben bildas i embryot på två allmänna sätt. För de flesta ben fastställs först den allmänna formen som en broskmodell, som sedan successivt ersätts av ben (endokondral benbildning). Några ben (såsom klackbenet och kalvariumet) utvecklas inom ett kondenserat område av fibrös vävnad utan en brosk mellanprodukt (membranbenbildning). I långa ben läggs först en krage av svampigt membranben ned i fibrösa vävnader som omger skaftets broskmodell. Samtidigt börjar brosket djupt till denna krage degenereras och förkalkas. Benet penetreras sedan av blodkärl, som växer in i den degenererande modellen och tar bort den förkalkade brosket som är inneslutet i kragen. Vaskulär invasion fortsätter mot båda ändarna av modellen parallellt med fortsatt förlängning av den beniga kragen. Detta lämnar en struktur som består av två brosk-epifys i ändarna av en ihålig benaxel.
Tillväxten uppnås från och med nu på två sätt. Radiell tillväxt sker genom avsättning av nytt ben på periostealytan och ungefär ekvivalent resorption vid endostealytan. Longitudinell tillväxt innefattar utbyte av brosk med ben från skaftets sida av tillväxtplattan, med en hastighet som är nära anpassad med hastigheten för produktion av ny brosk av plattan själv. Tillväxtplattan består av ordnade rader av broskceller; den rad som är längst bort från den beniga axeln är ett basal- eller grovlager, ansvarig för cellreplikation och brosktillväxt. Den komplexa sekvensen av longitudinell tillväxt består av broschcellsdegeneration längst från kärnskiktet, förkalkning av brosk i det området, avsättning över det av ett tunt skikt av verkligt ben (primär spongiosa), och slutligen osteoklastisk resorption för att förlänga det medullära hålrummet parallellt med längsgående tillväxt och för att omforma axelns kontur.
Denna process med brosktillväxt, degeneration, förkalkning och slutlig ersättning med ben är ansvarig för den största tillväxten i ryggradsdjur. Det börjar först i embryot och fortsätter tills full skelettmognad, när tillväxtplattorna i de flesta arter smälter samman och försvinner.
Utseendet på epifysiska ossifieringscentra och deras ultimata fusion, som båda kan detekteras med vanliga röntgenstrålar, följer normalt en ordnad och förutsägbar sekvens som är av stort värde vid utvärderingen av tillväxt- och utvecklingsstörningar. På grund av den komplicerade växelverkan mellan flera vävnadselement i processen för endokondrell benbildning är den metafyseala regionen i benen säte för, eller reflekterar tydligt, många närings- eller metabola störningar av tillväxt. Exempel på störningar som involverar denna tillväxtmekanism inkluderar raket och achondroplastic dvärg.
Benets fysiologi
Kalcium- och fosfatjämvikt
Lika viktigt som benets strukturella egenskaper är den roll benet spelar i upprätthållandet av den joniska sammansättningen av blodet och mellanliggande vätskor i kroppen. Alla ryggradsdjur som har äkta ben uppvisar kroppsvätskekalciumjonkoncentrationer på cirka 50 mg per liter (1,25 millimol) och fosforhalter i intervallet 30–100 mg per liter (1-3 millimol). Dessa nivåer, särskilt kalciumnivåer, är extremt viktiga för att upprätthålla normal neuromuskulär funktion, internuronal transmission, cellmembranintegritet och permeabilitet och blodkoagulering. Den styva konstansen med vilken kalciumnivåer upprätthålls, både hos individen och i alla högre ryggradsdjursklasser, vittnar om den biologiska betydelsen av en sådan reglering. Cirka 99 procent av det totala kroppskalciumet och 85 procent av det totala kroppsfosforet bor i mineralavlagringar av ben; sålunda är ben kvantitativt i en position att medla justeringar i koncentration av dessa två joner i de cirkulerande kroppsvätskorna. Sådana justeringar tillhandahålls av tre hormonella styröglor (styrsystem med återkoppling) och av minst tre lokalt verkande mekanismer. De hormonella slingorna innefattar parathyreoideahormon (PTH), kalcitonin (CT) och D-vitamin och avser uteslutande reglering av koncentrationer av kalciumjon och fosforjon.
PTH och D-vitamin verkar för att höja joniserade kalciumnivåer i kroppsvätskor, och CT (från den ultimobranchiala kroppen eller C-celler i sköldkörteln) verkar för att deprimera dem. Utsöndringen av varje hormon styrs av nivån av kalciumjon i det cirkulerande blodet. Vid normala kalciumkoncentrationer finns det låga sekretionsnivåer av alla tre hormonerna. När blodnivåerna för joniserat kalcium minskar är det en nästan omedelbar ökning av PTH-syntes och utsöndring. PTH har tre huvudsakliga åtgärder för att bibehålla kalciumkoncentrationer i blodet. Det stimulerar direkt njurarna att förbättra den tubulära reabsorptionen av kalcium från ultrafiltratet som annars skulle utsöndras i urinen. Det stimulerar också njuren att aktivera den huvudsakliga cirkulerande formen av D-vitamin till kalcitrial. Calcitrial kommer in i cirkulationen och reser till tunntarmen där det verkar för att öka absorptionseffektiviteten för kalcium i kosten i blodomloppet.
PTH och calcitrial kan också stimulera osteoblaster att producera osteoklastdifferentieringsfaktor (ODF). Osteoblaster som har ODF på sina ytor kan interagera med prekursorcellerna för osteoklaster (monocyter) för att få dem att bli mogna osteoklaster. Osteoklasterna släpper i sin tur saltsyra och enzymer i det mineraliserade benet och släpper kalcium och fosfor i cirkulationen. Således, när det finns otillräckligt dietkalk för att tillgodose kroppens kalciumbehov, arbetar både PTH och kalcitrialt samarbete på osteoblaster för att rekrytera föregångare till osteoklaster för att bli mogna osteoklaster. När kroppens kalciumbehov uppfylls genom adekvat dietintag av kalcium, verkar både PTH och kalkitrial på osteoblaster för att öka deras aktivitet, vilket resulterar i ökad benbildning och mineralisering. Calcitonin är det enda hormonet som interagerar direkt på osteoklaster, som har en receptor för det. Det minskar den mogna osteoklastiska aktiviteten och hämmar därmed deras funktion.
PTH och kalkitrial är också viktiga för att bibehålla serumfosfornivåer. PTH stör störande reabsorption av tubulärt fosfor, vilket orsakar en förbättrad nedsöndring av fosfor. Denna mekanism, som tjänar till att sänka halterna av fosfor i blodomloppet, är betydelsefull eftersom höga fosfatnivåer hämmar och låga nivåer ökar osteoklastisk reabsorption. Kalciumjon i sig har liknande effekter på den osteoklastiska processen: höga nivåer hämmar och låga nivåer ökar effekten av systemiskt verkande medel såsom PTH. Å andra sidan stimulerar PTH produktionen av kalcitrial, vilket i sin tur stimulerar tunntarmen att öka dess effektivitet för absorption av fosfor i kosten.
En brist på D-vitamin resulterar i dålig mineralisering av skelettet, vilket orsakar rakitt hos barn och osteomalacia hos vuxna. Mineraliseringsdefekter beror på minskningen av effektiviteten för tarmkalciumabsorption, vilket resulterar i en minskning av joniserade kalciumkoncentrationer i blod. Detta resulterar i en ökning av PTH i cirkulationen, vilket ökar serumkalcium och minskar serumfosfor på grund av den förbättrade utsöndringen av fosfor i urinen.
Den exakta funktionen av kalcitonin förstås inte helt. Det kan emellertid kompensera förhöjningar i höga kalciumjonnivåer genom att minska osteoklastaktiviteten, vilket resulterar i hämning av benabsorption.
