Luu

Kova sidekudos, joka yhdessä ruston kanssa muodostaa ihmisen ja muiden selkärankaisten luuston. Se koostuu proteiinitelineen päälle järjestetyistä kalsiumfosfaattikiteistä. Luulla on monia tehtäviä: sillä on rakenteellinen ja mekaaninen tehtävä; se suojaa elintärkeitä elimiä; se tarjoaa paikan verisolujen tuotannolle; se toimii kalsiumvarastona. Ks. sidekudos

Luustossa on kahdenlaisia luita: litteitä luita (esimerkiksi kallon luut ja kylkiluut) ja pitkiä luita (esimerkiksi reisiluu sekä käden ja jalkojen luut). Kummallekin luutyypille on ominaista tiheän, tiiviin luun ulompi kerros, jota kutsutaan kortikaaliseksi luuksi, ja sisäpuolinen, ohuista trabekulaareista koostuva sienimäinen luumateriaali, jota kutsutaan sarveisluuksi. Kortikaalinen luu koostuu luukerroksista (lamelleista), jotka ovat järjestyksessä samankeskisessä sylinterimäisessä järjestyksessä pienten Haversin kanavien ympärillä. Nämä toisiinsa liittyvät kanavat kuljettavat verisuonia, imusuonia ja hermoja luun läpi ja ovat yhteydessä luukalvoon ja luuydinonteloon. Luukalvo on ohut kalvo, joka peittää luun ulkopinnan ja koostuu solukerroksista, jotka osallistuvat luun uudelleenmuotoiluun ja korjaamiseen. Luuydin on yhteydessä luuytimeen, jossa tapahtuu suuri osa verisolujen tuotannosta. Luun ja luuytimen välistä rajapintaa kutsutaan endosteumiksi, ja suurelta osin juuri tästä kohdasta poistetaan luuta vastauksena lisääntyneeseen kalsiumin tarpeeseen muualla elimistössä.

Luu muodostuu osteoblastien, luunmuodostussolujen, laskeutumalla osteoidimatriisiin ja mineralisoitumalla osteoidimatriisiin kehittymällä ja laskeutumalla sen sisälle kalsiumfosfaattikiteitä (hydroksiapatiitin muodossa). Luun jäykkyyden antaa kollageenitelineeseen säännönmukaisesti järjestäytynyt mineraali. Osteoidi sisältää suurelta osin tyypin I kollageenin kuituja ja vähäisempiä määriä lukuisia muita kuin kollageeniproteiineja. Vaikka näiden proteiinien roolia luussa ei tunneta hyvin, uskotaan, että niiden erityinen yhdistelmä luussa antaa tälle kudokselle ainutlaatuisen kyvyn mineralisoitua. On selvää, että nämä proteiinit ovat vuorovaikutuksessa keskenään ja että kollageeni ja useat kollageenittomat proteiinit voivat sitoutua luusolujen pinnalla oleviin erikoistuneisiin reseptoreihin. Tämä sitoutuminen on tärkeää solujen kiinnittymiselle luun matriisiin, ja se myös välittää soluille käyttäytymissignaaleja. Ks. kollageeni

Luun ensisijaiset solutyypit ovat ne, jotka huolehtivat luun muodostumisesta ja ylläpidosta (osteoblastit ja osteosyytit), ja ne, jotka vastaavat sen poistamisesta (osteoklastit). Osteoblastit muodostuvat luukalvossa ja luuytimessä sijaitsevien monipotentiaalisten stroomasolujen erilaistumisesta. Asianmukaisten ärsykkeiden vaikutuksesta nämä primitiiviset stroomasolut kypsyvät luun muodostaviksi soluiksi luuston kohdekohtiin. Eri ärsykkeiden vaikutuksesta ne voivat myös kehittyä adiposyyteiksi (rasvasoluiksi), lihassoluiksi ja kondrosyyteiksi (rustosoluiksi). Osteosyytit, jotka ovat osteoblasteja, jotka sulautuvat itse luukudokseen, ovat luun suurin solutyyppi. Ne asuvat mineralisoituneen luun sisällä olevissa tiloissa (lacunae) ja muodostavat lukuisia ulokkeita luun pienissä kanavissa (cannaliculi), jotka ovat yhteydessä toisiin osteosyytteihin ja luun sisäpinnan soluihin. Osteosyytit ovat näin ollen ihanteellisessa asemassa aistimaan luuhun kohdistuvia rasituksia ja kuormituksia ja välittämään nämä tiedot luun pinnalla oleville osteoblasteille, jolloin luu pystyy sopeutumaan muuttuneeseen mekaaniseen kuormitukseen muodostamalla uutta luuta. Osteosyyttien uskotaan myös olevan soluja, jotka havaitsevat ja ohjaavat korjaamaan mikroskooppisia vaurioita, joita luun matriisissa usein esiintyy kulumisen seurauksena. Jos luussa esiintyviä halkeamia ja mikromurtumia ei pystytä korjaamaan tai jos nämä mikrovauriot kasautuvat nopeammin kuin ne pystytään korjaamaan, se voi aiheuttaa luun rakenteellisen pettämisen, kuten rasitusmurtumissa. On tunnistettu suuri määrä molekyylejä, jotka säätelevät osteoblastisolujen muodostumista ja toimintaa. Verenkierrossa olevat hormonit, kuten insuliini, kasvuhormoni ja insuliinin kaltaiset kasvutekijät, yhdistyvät itse luun sisällä oleviin kasvutekijöihin, kuten transformoivaan kasvutekijä beetaan (TGFβ) ja luun morfogeneettisiin proteiineihin (BMP), vaikuttaakseen osteoblastien erilaistumiseen.

Osteoklastit ovat tyypillisesti isoja, moninukleaarisia soluja, joissa on runsaasti luun hajoamiseen vaadittavaa solunsisäistä koneistoa. Tämä tapahtuu, kun solut muodostavat tiiviin tiiviin vyöhykkeen kiinnittämällä solukalvon luumatriksia vasten, jolloin syntyy luuta resorboiva lokero. Tähän tilaan solu erittää happoa luun mineraalien liuottamiseksi ja entsyymejä luun matriisin kollageenin ja muiden proteiinien pilkkomiseksi. Osteoklastien suorittama luun poistaminen on välttämätöntä, jotta kasvun ja hampaiden puhkeamisen aikana syntyneet mikroskooppiset vauriot ja luun muodon muutokset voidaan korjata. Osteoklastien välittämä luun hajoaminen on myös mekanismi, jolla luuhun varastoitunut kalsium vapautetaan veren kalsiumpitoisuuden ylläpitämiseksi. Useimmat luun resorptiota edistävät aineet vaikuttavat osteoblastisoluihin, jotka puolestaan välittävät signaaleja osteoklastien esiasteille, jotta ne erilaistuisivat kypsiksi osteoklasteiksi. Näitä aineita ovat D-vitamiinin aktiivinen muoto, lisäkilpirauhashormoni, interleukiini-1, interleukiini-6 ja interleukiini-11 sekä prostaglandiinit, kuten prostaglandiini E2. Täysin toimiviksi osteoklasteiksi erilaistuminen edellyttää myös läheistä yhteyttä osteoklastien esiasteiden ja osteoblastisolujen välillä. Tämä johtuu osteoklastien erilaistumistekijäksi (osteoclast differentiation factor, ODF) kutsutusta molekyylistä, joka sijaitsee osteoblastien pinnalla, sitoutuu osteoklastien esiasteiden solujen pinnalla oleviin reseptoreihin ja indusoi niiden etenemisen osteoklasteiksi.

Litteät luut ja pitkät luut muodostuvat erilaisin embryologisin keinoin. Litteät luut muodostuvat intramembranoottisen luutumisen kautta, jossa primitiiviset mesenkyymisolut erilaistuvat suoraan osteoblasteiksi ja tuottavat luisia trabekkeleita periosteaalisen kalvon sisällä. Tämän luun alkuperäinen luonne on suhteellisen epäorganisoitunut, ja sitä kutsutaan kudotuksi luuksi. Myöhemmin tämä kudottu luu muovautuu ja korvautuu paljon vahvemmalla kypsällä lamelliluulla, joka koostuu järjestyksessä järjestetyistä kalkkipitoisista matriisikerroksista. Pitkät luut muodostuvat ruston sisäisellä kehityksellä, jossa tuleva luu alkaa rustona. Rustomalli korvautuu vähitellen luulla järjestäytyneessä tapahtumasarjassa, joka alkaa kasvavan luun keskeltä. Pitkien luiden päihin jää kasvun aikana rustoa, joka muodostaa molempiin päihin rakenteen, jota kutsutaan kasvulevyksi. Kasvulevyihin syntyvät rustosolut (kondrosyytit) lisääntyvät ja lisäävät luun pituutta. Tämä tapahtuu monimutkaisessa tapahtumasarjassa, jossa luun keskusta laajenee sekä poispäin että kohti luun keskustaa. Kun luu saavuttaa lopullisen pituutensa kypsyessään, laajentuminen kasvulevystä lakkaa. Rusto säilyy pitkien luiden päissä erityisessä muodossa, jota kutsutaan nivelrustoiksi ja joka muodostaa nivelten sileät kantavat pinnat.

Luu on dynaaminen kudos, ja se muokkautuu jatkuvasti osteoklastien ja osteoblastien vaikutuksesta. Luun irtoamisen jälkeen osteoklastit joko siirtyvät uusiin resorptiokohtiin tai kuolevat; tätä seuraa käänteisvaihe, jossa osteoblastit houkutellaan resorptiokohtiin. Uskotaan, että osteoklastien toiminta vapauttaa ja aktivoi luun matriisiin inaktiivisessa muodossa olevia kasvutekijöitä, jotka puolestaan edistävät osteoblastien uutta osteoidituotantoa. Uusi osteoidi kalkkeutuu lopulta, ja tällä tavoin luu muodostuu ja korvautuu kerroksittain (lamelleina), jotka ovat näiden toistuvien syklien tulos. Kasvavassa luussa luusolujen toiminta on vinoutunut kohti luun nettokasvua. Terveessä kypsässä luussa luun resorption ja luun muodostumisen välillä vallitsee kuitenkin tasapaino. Kun näiden kahden solutyypin välinen tasapaino rikkoutuu, syntyy luustopatologiaa.

Yleisin luusairaus on osteoporoosi, jossa luun nettokato johtuu osteoklastisesta luun resorptiosta, jota ei täysin korvata uudella luun muodostuksella. Parhaiten ymmärretty osteoporoosin syy on se, jota esiintyy naisilla vaihdevuosien jälkeen tapahtuvan estrogeenin menetyksen vuoksi. Toinen osteoporoottisen luukadon syy on käyttökatkoksen aiheuttama osteoporoosi. Aivan kuten luu voi vastata lisääntyneeseen kuormitukseen tuottamalla lisää luuta, myös luun ylläpito on riippuvainen säännöllisestä kuormituksesta. Merkittävää luukato voi tapahtua pitkittyneen vuodelevon aikana tai esimerkiksi halvaantumisen ja neliraajahalvauksen yhteydessä. Samoin luuston kuormittumattomuus (painovoiman puuttumisen vuoksi) avaruuslennoilla johtaa astronauttien vakavaan luukatoon, ellei painovoiman vaikutuksia simuloida erityisharjoituksilla ja -laitteilla. Katso Osteoporoosi

Monet metaboliset ja geneettiset sairaudet voivat vaikuttaa luun määrään ja laatuun. Aineenvaihduntasairaudet, kuten diabetes, munuaissairaudet, lisäkilpirauhasten lisäkilpirauhashormonin liiallinen eritys, anoreksia nervosa ja D-vitamiinista riippuvainen riisitauti voivat aiheuttaa osteopenioita (luun määrän ja luun rakenteellisen laadun väheneminen). Elinsiirtopotilaiden immunosuppressiivinen hoito voi johtaa luumassan vähenemiseen, samoin luun ja muiden alueiden kasvaimet. Kasvaimet voivat tuottaa aineita, jotka aiheuttavat osteoklastisen luun resorption aktivoitumista. Geeniperäisessä sairaudessa, osteogenesis imperfecta, tyypin I kollageenin geenin mutaatiot johtavat siihen, että osteoblastit tuottavat pienempiä määriä kollageenia tai muuttuneita kollageenimolekyylejä. Muita yleisiä luuston sairauksia ovat nivelsairaudet, kuten nivelreuma ja nivelrikko. Katso Kilpirauhanen

.