뼈의 구조와 기능 : 인체를 지탱하는 핵심 메커니즘

뼈는 바탕질(matrix)에 침착된 미네랄과 살아있는 세포로 구성된 결합조직이다. 뼈는 인체에 있는 모든 결합조직 중에 가장 단단하지만, 다른 결합조직처럼 세포와 세포바깥바탕질(extracelluar matrix)로 이루어져 있다. 뼈모세포(osteoblast)는 I형 콜라겐과 다른 세포바깥바탕질 구성요소인 프로테오글리칸(pro-teoglycans, PG)을 생성한다. 또한 뼈모세포는 시토카인(cytokines), 성장인자, 프로스타글란딘(pros-taglandins), 효소와 같은 조절인자들을 생성하며, 뼈의 복원뿐만 아니라 침천(deposition)과 무기질침착(mineralization)에도 필수적인 주요 뼈 형성 세포이다. 뼈모세포가 뼈 생성 활동을 멈추면 뼈세포(osteo-cyte)라고 하며, 뼈세포는 성숙한 뼈모세포이다. 뼈파괴세포(osteoclast)는 단핵세포에서 시작된 여러 개의 핵을 가진 다핵세포(multinucleate cells)이며, 뼈파괴세포의 주된 기능은 뼈의 분해와 흡수이다. 세포바깥바탕질은 섬유요소(fibrillar component)와 섬유간요소(interfibrillar component)로 구성되어 있다. 뼈에 있는 세포바깥바탕질의 섬유간 요소는 미네랄뿐만 아니라 당단백질(glycoproteins), 프로테오글리칸과 물을 포함한다. 미네랄은 주로 칼슘과 아교섬유 내 또는 사이에 있는 인산결정체로 구성되어 있으며, 이러한 뼈의 무기요소는 뼈를 단단하고 견고하게 만든다. 세포바깥바탕질의 섬유요소는 그물섬유(reticu-lar fiber)를 비롯하여 I형 아교섬유, 그리고 탄력섬유를 포함하고 있다. 뼈모세포에 의해 합성되는 I형 콜라겐은 미네랄과 묶일 수 있는 유일한 콜라겐이다. 아교섬유는 유연성과 인장력을 위한 상대적인 능력을 제공한다. 전체 뼈 중량의 약 2/3는 무기질, 약 1/3은 유기화합물(주로 I형 콜라겐과 소량의 비콜라겐성 단백질) 그리고 소량의 수분으로 이루어져 있다. 성숙한 뼈는 다양한 구조적 요구에 더 잘 저항하도록 하기 위해 두 종류로 되어 있다. 해면뼈(spongy bone)라고 불리는 가장 안쪽에 있는 층과 치밀뼈(compact bone)라고 불리는 바깥쪽에 있는 층이다. 해면뼈에서 칼슘화된 조직은 뼈잔기둥(trabeculae)이라고 하는 얇은 판을 형성한다. 뼈잔기둥은 뼈에 가해진 스트레스에 반응하도록 놓여지고, 뼈몸통(bone shaft)과 다른 부분을 유지할 뿐만 아니라 부하를 적절히 분산시킬 수 있다. 불규칙한 뼈잔기둥들이 서로 얽혀 망상을 이루며, 골수공간(marrow cav-ity)이 있어 그 속에 골수가 들어있다. 골수는 혈구를 만드는 조혈기관이다. 단단해 보이는 치밀뼈는 뼈막(periosteum)이라 불리는 강한 섬유성 막에 의해 덮여 있다. 뼈막의 안쪽 면은 뼈모세포로 이루어져 있고, 그것은 뼈의 성장과 재생에 필수적이다. 뼈막은 혈관이 잘 발달되어 있어 뼈에 영양분을 제공하는 많은 모세혈관을 포함하고 있다. 뼈는 자가-회복(self-repairing)되며, 미네랄 요구와 스트레스의 내적 그리고 외적인 요인에 반응하여 특성이 바뀔 수 있다. 뼈조직의 이러한 반응은 Wolff의 법칙으로 설명된다. 뼈는 그것에 가해진 생체역학적인 힘에 의해 내적인 구조(architecture)가 바뀐다. 또한 뼈는 가소성(plastic property)이 있으며, 압박력을 흡수하고 저장하며, 인장력을 전달한다. 뼈의 파괴와 재형성의 주기적인 과정은 뼈 리모델링(remodeling)이라 하며, 뼈의 안쪽 면에서 파괴되어 재흡수되는 동안 동시에 새로운 뼈조직이 바깥면에서 형성된다. 뼈에 가해지는 주기적인 압박은 증가된 애벌뼈(callus) 형성과 더 빠른 뼈되기(ossification)를 통해 치유(healing)를 강화할 수 있다. 뼈 형성을 위한 최적의 자극은 스트레스 라인(line)의 생체역학적인 에너지이다. 스트레스 라인은 내적인 기둥시스템(internal trabecular system)을 의미한다. 뼈 합성을 자극하는 다양한 내적 그리고 외적인 인자들은 체중부하(weight bearing)의 양, 항중력근(antigravity muscles)의 사용, 뼈에 대한 근수축력, 에스트로겐(es-trogen), 테스토스테론(testosterone), 성장호르몬, 갑상샘호르몬, 칼슘, 비타민 D 등이다. 뼈는 기능적 활동을 하는 동안 힘줄의 당김과 체중과 같은 외적인 힘에 반응하여 평생 동안 재형성될 수 있는 능력을 가지고 있다. 외적인 힘이 반복적으로 또는 장시간 적용된다면 뼈모세포의 활동은 증가하고 그 결과로 뼈 질량(bone mass)이 증가한다. 이러한 힘이 없다면 뼈파괴세포의 활동이 지배적이고 뼈 질량은 감소하게 된다. 뼈의 주요 기능은 칼슘, 인 등의 무기물이나 염화물을 저장하고 필요에 따라 혈액에 방출하는 저장기능과 적색 골수가 존재하여 조혈작용을 하며, 뇌, 내장, 척수 등의 장기를 보호하는 기능, 물렁조직을 형태적으로 지지하는 것과 체중을 지지하는 작용을 한다.