Functions of bone

1. Bones शरीर का skeletal framework बनाती हैं जो शरीर को आकार एवं movement के लिए आधार प्रदान करता है।
2. यह calcium, magnesium एवं phosphorus का महत्वपूर्ण reservoir भी हैं एवं इस प्रकार इन ions की homeostasis में मदद करती है।
3. Bone marrow ही adults में hematopoiesis के लिए स्थान उपलब्ध कराती है। इन्हीं कार्यों को भली-भांति सम्पादित करने के लिए bones अत्यधिक vascular होती हैं। वास्तव में कुल cardiac output का 10% भाग, skeleton को ही जाता है।
किसी bone के दो भाग होते हैं।
1. Organic matrix - इसका 90-95% भाग type 1 collagen का बनता है। शेष proteins bony cells, collagen fibers एवं minerals की binding में मदद करती हैं।
2. Mineral phase - इसमें प्रमुखतः calcium एवं phosphorus आते हैं जो hydroxyapatite crystals के रूप में collagen fibrils के मध्य deposit होते हैं।
Collagen fibers एवं इनके mineralisation का एक निश्चित क्रम में होना ही bone को आवश्यक दृढ़ता प्रदान करता है।
PTH एवं vitamin D दोनों ही osteoclasts की संख्या को बढ़ाते हैं एवं bone resorption को भी बढ़ाते हैं। ध्यान रहे, यह दोनों ही osteoclasts को सीधे-सीधे ही प्रभावित न करके पहले osteoblasts को उत्तेजित करते हैं। परन्तु osteoblastic एवं osteoclastic activities की coupling होने के कारण यह indirectly osteoclasts को भी उत्तेजित करा देते हैं।

Development of bone
Embryonic development के समय शरीर में 200 bones मुख्यतः दो प्रकार से बनना आरम्भ करती हैं।
⁃ प्रथम cartilage के ossification से, जिसे endochondrial ossification कहते हैं, एवं
⁃ द्वितीय बिना cartilage के ही, precursor cells के समूह के ossification से, जिसे intramembranous ossification कहते हैं
आओ, पहले इस दूसरी intramembranous bone formation के विषय में विस्तार से समझते हैं।
Intramembranous ossification
शरीर की craniofacial bones, clavicles एवं scapulae इसी विधि से बनती हैं। इन्हें बनाने वाली cells, neural crest से उत्पन्न होती हैं।
Intramembranous bone बनने की प्रक्रिया निम्नवत हैं।
⁃ Condensation - सर्वप्रथम, mesenchymal precursur cells, प्रस्तावित bone की आकृति में एक स्थान पर एकत्रित हो जाती हैं।
⁃ Formation of osteoblasts - यह mesenchymal precursur cells, सीधे ही osteoblasts में differentiate कर लेती हैं।
⁃ Secretion of bony matrix (osteoid) - Osteoblasts द्वारा bony matrix का secretion होता है जिसे osteoid कहते हैं। Intramembranous bones के osteoid में type 1 collagen की प्रमुखता होती है जिसके परस्पर गुंथे हुए interwoven fibers, fibrous skeleton का निर्माण करते हैं।
⁃ Formation of osteocytes - ज्यों-ज्यों osteoblasts के proliferation से उत्पन्न हुईं young osteoblasts द्वारा osteoid secretion बढ़ता जाता है, old, mature osteoblasts इस matrix pool से घिरती जाती हैं। इस प्रकार से अलग-अलग हुईं इन osteoblasts के differentiation से osteocytes का निर्माण होता है।
⁃ Vascularisation of osteoid - Osteoid secretion के साथ-साथ ही इसका vascularisation आरम्भ हो जाता है।
⁃ Mineralisation of osteoid - Blood vessels इन osteoid को minerals उपलब्ध कराती हैं जो collagenous skeleton पर deposit होकर इसे दृढ़ता प्रदान करते हैं जो अंततः bone का निर्माण करती है।
⁃ Maturation of bone - इस प्रकार बनी प्रारंभिक bone, modelling एवं remodelling के द्वारा अपने size एवं shape में परिवर्तन करते हुए अंततः mature bone बनाती है। इस mature bone में भी जीवन भर शरीर की आवश्यकतानुसार परिवर्तन होते रहते हैं।

Endochondral ossification
Intramembranous ossification से बनने वाली craniofacial bones, clavicles एवं scapulae के अतिरिक्त शरीर के axial skeleton (जैसे vertebrae एवं ribs) तथा appendicular skeleton (जैसे limbs) को बनाने वाली अन्य bones इसी विधि से बनती हैं।
Embryo में axial skeleton बनाने के लिए paraxial mesoderm एवं appendicular skeleton बनाने के लिए lateral plate mesoderm की cells का प्रयोग होता है।
Endochondral bone बनने की प्रक्रिया निम्नवत हैं।
⁃ Condensation - Intramembranous ossification की ही भांति endochondral ossification का आरम्भ भी mesenchymal precursur cells, के एक स्थान पर एकत्रित होने से होता है।
⁃ Formation of chondrocytes - परन्तु जहाँ intramembranous ossification में यह mesenchymal precursur cells, सीधे ही osteoblasts में differentiate कर लेती हैं वहीँ endochondral ossification में इनका differentiation पहले chondrocytes में होता है।
⁃ Secretion of cartilaginous matrix - यह chondrocytes, extracellular cartilaginous matrix secrete करती हैं। Intramembranous bony matrix में जहाँ type 1 collagen की प्रमुखता होती है वहीँ endochondral bony matrix में type 2 collagen पाया जाता है। इसी type 2 collagen के परस्पर गुंथे हुए interwoven fibers, fibrous skeleton एवं प्रस्तावित bone के cartilaginous model या template का निर्माण करते हैं।
⁃ Enlargement of cartilaginous model - Chodrocyte proliferation एवं matrix production के साथ-साथ यह cartilaginous model आकार में बढ़ता जाता है। Endochondral bones में यह growth विशेष रूप से long bones के मध्य भाग (diaphysis) में होती है।
⁃ Formation of osteoblasts and osteoid - Cartilaginous model के diaphyseal region में सबसे बाहर की ओर स्थित chondrocytes (perichondrocytes), differentiate होकर osteoblasts का निर्माण करती हैं। इन्हीं के द्वारा cartilaginous template के चारों ओर osteoid का deposition होता है।
⁃ Vascularisation of cartilaginous template - Chondrocyte proliferation एवं hypertrophy के साथ-साथ ही इसका vascularisation भी आरम्भ हो जाता है। इन vessels के द्वारा ही hematopoietic series की osteoclasts (जिन्हें यहाँ chodroclasts कहते हैं) इस cartilaginous model के diaphyseal region में पहुंचती हैं जहाँ वह इस cartilage को इसके center से dissolve करना प्रारम्भ करती हैं।
⁃ Formation of primary ossification center and mineralisation of osteoid - यह blood vessels ही cartilaginous template के चारों ओर secreted osteoid को minerals भी उपलब्ध कराती हैं जिसके mineralisation से bone collar का निर्माण होता है। यही bone collar भविष्य में long cortical bone के compact, lamellar outer envelope को बनाता है।
⁃ Formation of metaphyseal growth plate and trabecular bone - Diaphyseal region की chondrocytes के dissolution से यह chondrocytes, long bones के दोनों सिरों (metaphyseal region) तक ही सीमित रह जाती हैं। यही chondrocytes, long bone की लम्बाई बढ़ाने के लिए growth engine की भांति कार्य करते हैं। Metaphyseal region की यह young chondrocytes, जैसे-जैसे दोनों सिरों की ओर proliferate करती जाती हैं, वैसे-वैसे older chondrocytes क्रमशः osteoblasts में differentiate करती जाती हैं। जहाँ diaphyseal region की osteoblasts से cortical bone का निर्माण होता है वहीँ metaphyseal region की osteoblasts, cancellous या trabecular bone बनाती हैं। इसे primary spongiosa कहते हैं। Bony length बढ़ने के साथ-साथ metaphyseal region में बनी यह trabecular, primary spongiosa, क्रमशः cortical bone में परिवर्तित होती जाती है secondary spongiosa कहते हैं।
⁃ Formation of secondary ossification center - जिस प्रकार embryonic life में long bone के center में vascular invasion से primary ossification center बनता है उसी प्रकार postnatal life में जब blood vessels, bony ends में प्रवेश करती हैं तब उनसे secondary ossification center का निर्माण होता है जो epiphyseal calcification कराता है।
⁃ Maturation of bone - Diaphyseal एवं epiphyseal calcification के साथ-साथ इनके मध्य का metaphyseal region एक growth plate के रूप में उभर आता है। Puberty के उपरांत, boys एवं girls दोनों में, estrogen के प्रभाव से यह metaphyseal growth plate क्रमशः लुप्त हो जाती है जिससे bone के आगे बढ़ने की सम्भावना समाप्त हो जाती है। किसी bone के लम्बाई में न बढ़ने के बाद भी इसकी cortical thickness बढ़ती रहती है। इसके लिए, bony cortex की भीतरी endosteal surface पर bony resorption एवं बाहरी periosteal surface पर new bone deposition की प्रक्रिया आजीवन चलती रहती है।

Remodelling of bone
Bone कोई permanent, static tissue नहीं है जो एक बार बन जाने के पश्चात्, सदैव वैसा ही बना रहे। External morphology में एक जैसी लगने पर भी इसके internal configuration में जीवन भर परिवर्तन होते रहते हैं जो इसे जीवन की बदलती परिस्थितियों के अनुसार ढालने में मदद करते हैं। Bone remodeling का मुख्य उद्देश्य किसी bone को उस पर पड़ने वाले mechanical stress की दिशा के अनुसार ढालना होता है। Bone के जिस भाग में यह mechanical force कम पड़ता है उस स्थान पर bone formation घट जाती है। उनसे bone resorption के माध्यम से calcium, phosphorus एवं organic matrix निकाल लिया जाता है। इसके विपरीत, bone के जिस भाग में यह mechanical force अधिक पड़ता है उस स्थान पर bone formation के माध्यम से और अधिक calcium, phosphorus एवं organic matrix deposit करा दिया जाता है। वास्तव में mechanical force की दिशा में स्थित osteocytes से sclerostin का secretion घट जाता है। यह sclerostin, Wnt signals के suppression के माध्यम से bone formation को घटाता है। Sclerostin के घट जाने से mechanical force की दिशा में bone formation बढ़ जाती है।
Bone remodelling में bone formation एवं bone resorption की प्रक्रियाएं परस्पर सम्बद्ध भी रहती हैं एवं एक दूसरे को प्रभावित भी करती हैं। इसे coupling कहते हैं। Bone resorption की प्रक्रिया लगभग 3 weeks तक चलती है जबकि bone formation में लगभग 3 months लगते हैं। इस प्रकार हम समझ सकते हैं कि bone resorption के थोड़ा भी अधिक बढ़ने पर यह किस प्रकार osteoporosis उत्पन्न कर सकता है। प्रत्येक remodelling cycle के पूर्ण होने के पश्चात् BMU, अगली cycle तक quiescent अवस्था में रहती है।
Bone remodelling का आरम्भ osteoclasts के द्वारा bone resorption से होता है। परन्तु इन osteoclasts को bone resorption के लिए प्रेरित करना है अथवा नहीं, इसके निर्धारण का कार्य स्वयं bone forming cells, osteoblasts एवं osteocytes करती हैं। इनसे दो प्रकार के growth factors उत्पन्न होते हैं।
⁃ M-CSF एवं RANKL - जो osteoclast production एवं recruitment को बढ़ाते हैं, एवं
⁃ Osteoprotogerin - जो RANKL को बांधकर उनको osteoclasts को उत्तेजित करने से रोकता है।
Osteoclasts के द्वारा bone resorption पूर्ण होने के पश्चात् osteoblasts एवं osteocytes, bone formation का कार्य आरम्भ करती हैं। परन्तु यहाँ भी osteoblasts एवं osteocytes को bone formation के लिए प्रेरित करने का कार्य osteoclasts द्वारा ही किया जाता है। यह भी दो प्रकार से होता है।
⁃ Bone resorption से उत्पन्न degradation products जैसे TGF beta, IGFs एवं VEGF
⁃ Osteoclasts द्वारा secreted growth factors जैसे BMP, Wnt एवं PDGF
Bone remodelling के निम्नांकित उद्देश्य हैं
⁃ पुरानी bone matrix एवं cells को नयी matrix एवं cells से replace करना,
⁃ Mechanical forces की दिशा के अनुसार किसी bone को उसके लिए अनुकूल बनाना,
⁃ Bone के microfractures को repaire करना, एवं
⁃ Mineral homeostasis को regulate करना

Bone resorption एवं bone formation के मध्य coupling में असंतुलन से अनेक रोग उत्पन्न हो सकते हैं -
⁃ Osteoclastic activity के घट जाने से bone density में वृद्धि - osteopetrosis
⁃ Osteoblastic activity के बढ़ जाने से bone density में वृद्धि - osteosclerosis
⁃ Osteoclastic activity के बढ़ जाने एवं osteoblastic activity के घट जाने से bone density में कमी - osteoporosis

Process of bone remodelling
Bone remodelling cycle में प्रयुक्त होने वाली bone एवं इसमें प्रयुक्त होने वाली सभी cells (osteoclasts एवं osteoblasts), सम्मिलित रूप से bone multicellular unit (BMU) कहलाती हैं। सम्पूर्ण शरीर में किसी एक समय में लगभग 10 लाख BMUs सक्रिय रहती हैं। किसी cortical bone में यह Haversian canalicular walls पर सक्रिय होती हैं जबकि cancellous bone में bone surface पर। इसकी प्रक्रिया निम्नवत है।
⁃ Uncovering of bony surface - Bone surface एवं canalicular walls दोनों ही lining cells से covered रहती हैं। Resorption के प्रस्तावित स्थान पर सर्वप्रथम यह lining cells contract करके उस स्थान को uncover कर देती हैं।
⁃ Recruitment of osteoclast - यह raw bony surface, multinucleated mature osteoclast को आकर्षित करती है जिससे वह इस स्थान पर स्थापित हो जाती हैं। इस स्थान पर bone resorption से बने गड्ढे के कारण इसे Howship's lacuna कहते हैं। Bone dissolving substances को चारों ओर leak होने से बचाने के लिए ही osteoclasts, Howship's lacuna से भली-भांति चिपकी रहती हैं।
⁃ Resorption of bone - Activated osteoclasts का जो भाग bone के संपर्क में रहता है उसका surface area बढ़ाने के लिए उस स्थान पर अनेक villous like convolutions होते हैं, जिन्हें ruffled border कहते हैं। Activated osteoclasts, इसी भाग से विभिन्न bone dissolving substances secrete करती हैं।
⁃ Hydrochloric acid - जो bone के mineral phase (hydroxyapatite crystal) को dissolve करता है। इससे उत्पन्न होने वाले calcium, phosphate एवं bicarbonate, osteoclasts से होते हुए blood में release करा दिए जाते हैं।
⁃ Enzymes (proteases) - जैसे tartrate resistant acid phosphatase (TRAP), cathepsin K एवं matrix metalloproteinases (MMP) जो organic matrix को dissolve करते हैं। इनसे उत्पन्न होने वाले collagen crosslinks भी blood में release होकर urine के माध्यम से excrete out कर दिए जाते हैं।
⁃ Advancement of osteoclasts from resorbed area - जैसे-जैसे किसी स्थान की superficial bone layer absorb होती जाती है, multinucleate osteoclasts उस स्थान से आगे बढ़ती जाती हैं। एक सीमित समय तक पर्याप्त bone resorption करा चुकने के बाद कुछ osteoclasts की apoptosis के द्वारा मृत्यु हो जाती है। Bone resorption द्वारा बनी यह cavity अब osteoblasts को आकर्षित करती है जिससे वह इस स्थान पर स्थापित हो सकें।
⁃ Recruitment of osteoblasts and deposition of new bone - Osteoblasts सर्वप्रथम osteoid से उपरोक्त cavity को भर देते हैं एवं इसके बाद क्रमशः इसके mineralisation से वहां new bone बना देते हैं।
⁃ Recovering of resorbed area - New bone formation के सम्पूर्ण होने के बाद कुछ osteoblasts apoptosis के द्वारा समाप्त हो जाती हैं, cavity के base में स्थित अन्य osteoblasts, osteoid में दब कर osteocytes में परिवर्तित हो जाती हैं जबकि new bone की ऊपरी सतह पर स्थित कुछ अन्य osteoblasts, दोबारा lining cell में परिवर्तित होकर bony surface को पूर्ववत बना देती हैं।
Protection from uncontrolled bone resorption - शरीर की अधिकाँश क्रियाओं में उनको अनियंत्रित हो जाने से बचाने के लिए कोई न कोई regulatory mechanism अवश्य होता है। Excessive bone resorption को रोकने के लिए भी, osteocytes द्वारा osteoprotegerin (OPG) नामक factor का निर्माण किया जाता है जो RANKL को बांधकर इससे osteoclasts का activation रोक देता है।
Osteoclasts - Mediator of bone resorption
Bone resorption का कार्य osteoclasts के द्वारा संपन्न होता है। सर्वप्रथम समझ लेते हैं कि यह किस प्रकार उत्पन्न होती हैं।
Hematopoietic precursor cells - Osteoclasts, hematopoietic precursor cells की myelomonocytic lineage से उत्पन्न होती हैं। ध्यान करो, इसी lineage से macrophages भी उत्पन्न होती हैं जो osteoblasts की ही भांति giant एवं multinucleated होने की क्षमता रखती हैं।
• Preosteoclasts - Hematopoietic precursor cells, osteoclast formation के लिए committed हों, ऐसा करने के लिए transcription factor PU-1 की आवश्यकता पड़ती है। इनके द्वारा hematopoietic precursor cells के differentiation से preosteoclasts का निर्माण होता है। कुछ cytokines जैसे macrophage colony stimulating factor (M-CSF) इस differentiation में मदद करते हैं।
• Mature, mononucleate osteoclasts - Immature preosteoclasts से mature osteoclasts बनने की प्रक्रिया का संचालन bone स्वयं अपनी आवश्यकतानुसार करती है। Osteocytes (तथा साथ ही osteoblasts एवं bony matrix की stromal cells) द्वारा उत्पन्न कुछ cytokines, जैसे receptor activator of nuclear factor kappa B ligand (RANKL), preosteoclasts के mature osteoclasts में maturation में मदद करते हैं।
• Multinucleate, quiescent osteoclasts - M-CSF एवं RANKL की मदद से अनेक mature किन्तु uninucleate osteoclasts के परस्पर fusion से multinucleate ostoclasts का निर्माण होता है जो bone resorption करा सकने में सक्षम होती हैं। इस पर भी पुनः activate कराये जाने तक यह bone surface पर शांत (quiescent) पड़ी रहती हैं।
• Activated osteoclasts - Quiescent multinucleate ostoclasts cells को bone resorption आरम्भ करने के लिए केवल activation की आवश्यकता होती है। RANKL ही इन्हें activated osteoclast में परिवर्तित करके bone resorption आरम्भ कराता है।
Osteoblasts - Mediator of bone formation
Bone formation का कार्य osteoblasts द्वारा संपन्न होता है। यह किसी bone की surface पर मिलती हैं जहाँ new bone formation हो रही हो। इनका मुख्य कार्य organic matrix की synthesis एवं secretion है। यही organic matrix के mineralisation को भी नियंत्रित करती हैं।
अतः सर्वप्रथम इनके विषय में भी जान लेना आवश्यक है।
• Mesenchymal progenitor cells - Osteoblasts की उत्पत्ति mesenchymal pluripotent progenitor cells से होती है जिनसे adipocytes एवं chondrocytes भी बनती हैं। विभिन्न transcription factors के प्रभाव में इन progenitor cells का differentiation, भिन्न-भिन्न दिशाओं में होता है।
⁃ PPAR-gamma इनको adipocytes में परिवर्तित कराता है
⁃ Sox9 इनको chondrocytes में परिवर्तित कराता है, एवं
⁃ Runx2 इनको preosteoblasts में परिवर्तित कराता है। कुछ growth factors, जैसे bone morphogenic protein (BMP) , इस differentiation में मदद करता है।
• Preosteoblasts - इनके differentiation एवं proliferation से mature osteoblasts का निर्माण होता है। कुछ growth factors जैसे BMP एवं Wnt तथा hormones एवं cytokines जैसे PTH, vitamin D एवं IGFs इस differentiation में मदद करते हैं।
• Mature osteoblasts - यह cuboidal आकार की secretory cells होती हैं जो bone formation के लिए आवश्यक पदार्थों को बनाती हैं।
⁃ Type 1 collagen एवं matrix components - जिन्हें सम्मिलित रूप से osteoid कहते हैं।
⁃ Alkaline phosphatase - यह mineralisation inhibitors को hydrolyse करके new bone forming site पर calcium एवं phosphate के deposition से organic matrix के mineralisation में सहायक होता है।
Mature osteoblasts, osteocalcin, osteopontin एवं bone sialoprotein coding genes के expression से भी new bone formation में मदद करती हैं।
Fate of osteoblasts - कुछ समय की osteoblastic activity के पश्चात्, mature osteoblasts के तीन प्रकार के परिणाम हो सकते हैं
⁃ Apoptosis से इनकी मृत्यु हो जाती है
⁃ Bone की lining cell के रूप में यह quiescent state में चली जाती हैं जहाँ से आवश्यकता पड़ने पर यह दोबारा activate हो सकती हैं
⁃ Osteocytes में परिवर्तित होकर यह सक्रिय बनी रहती हैं

Osteocytes - Regulator of bone remodelling
सभी bones में जो cells सर्वाधिक संख्या में मिलती हैं वह osteocytes ही हैं। यह किसी bone के cellular elements का 90% भाग बनाती हैं। Bone की अन्य cells (osteoblasts एवं osteoclasts) के विपरीत, osteocytes का जीवन काल काफी लम्बा होता है। उत्पत्ति के बाद यह आजीवन जीवित भी रह सकती हैं एवं सक्रिय भी रह सकती हैं।
• Osteocytes की उत्पत्ति osteoblasts से होती है। Osteoid का secretion करते-करते कुछ mature osteoblasts इसी osteoid में दबती चली जाती हैं। इस पर भी bone की lining cells की भांति यह quiscent phase में नहीं जातीं बल्कि पूर्ववत सक्रिय बनी रहती हैं। क्योंकि osteoid में दबे रहकर यह बाहरी वातावरण से पूरी तरह कट सकती हैं अतः यह अपने आकार में अनेक परिवर्तन कर लेती हैं।
⁃ Mature osteoblast के cuboid आकार के विपरीत अब यह छोटी disc का आकार बना लेती हैं जिससे bone पर पड़ रहे mechanical forces को भली-भांति समझ सकें। इस प्रकार, osteoclasts किसी mechanosensor की भांति कार्य करती हैं।
⁃ इनमें से अनेक लम्बे-लम्बे dendritic processes निकलते हैं जो bone की lacunar canaliculi से होते हुए bone surface तक पहुँच जाते हैं। इन्हीं के द्वारा osteocytes एक दूसरे से एवं bone surface पर स्थित osteoblasts एवं osteoclasts के संपर्क में रहती हैं।
• अपने secretions के माध्यम से यह bone formation एवं bone resorption की प्रक्रियाओं को भी नियंत्रित करती हैं। इसी कारण से osteoclasts को bone formation एवं resorption की master regulatory cell कहा जाता है। किसी bone में यह bone remodelling मुख्यतः दो स्थानों पर होती है, bony surface पर एवं Haversian canals में। किसी bone का लगभग 18% calcium प्रतिवर्ष इस remodelling में जमा होता एवं निकलता रहता है।
⁃ Ostoclasts द्वारा excessive bone resorption को नियंत्रित करने के लिए osteoprotegerin का secretion करती है जो osteoclasts को inhibit करता है।
⁃ Osteoblasts द्वारा excessive bone formation को नियंत्रित करने के लिए sclerostin का secretion करती है जो Wnt को inhibit करके osteoblasts को inhibit करता है।
• इन कार्यों के अतिरिक्त, osteoclasts, fibroblast growth factor (FGF) भी secrete करती हैं जो phosphate metabolism में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।