Як працює Закон Вольфа?

Кістка здатна реагувати на зміну навантаження;  Вольф (1868) описав те, що стало відомим як Закон Вольфа, де зазначається, що  «механічне навантаження на кістку супроводжується адаптивними змінами у внутрішній архітектурі та зовнішній формі”

Закон Вольфа стверджує, що кістки та м’які тканини будуть реагувати на фізичні дії, що застосовуються до них, змушуючи їх перебудовуватись по лінії сил стискання (Willie et al., 2013, Shamay et al., 1973).

Зростання сили, що діє на кістку призводить до деформації, згідно такої властивості тканини, як пружність.  При збільшенні навантаження на кістку, вона з часом перебудовується і стає міцнішою, і буде здатною протистояти більшому стресу (Shamay et al, 1973).

Внутрішня архітектура тканини зазнає адаптаційних модифікацій (наприклад, тимчасова пружна деформація), а потім вторинна зміна зовнішньої кортикальної частини кістки, яка в результаті може стати товщою.

Також присутнє зворотне явище: якщо навантаження на кістку зменшується, кістка стане менш щільною і слабкою через відсутність необхідного стимулу для продовження ремоделювання. Таким чином, баланс є необхідний для зміцнення  кістки (Kaeding et al, 2013).

Коли кістка піддається впливу сили, вона зазнає еластичної деформації,  та може відновити свою гістологічну конфігурацію як тільки навантаження припиняється. Однак, коли ці  сили перевищують опір кісток, еластична деформація витісняється пластичною деформацією: повернення до попереднього рівня немає, і, якщо сили, що повторюються, залишаються, то можуть  відбутися мікророзриви. У таких випадках відбувається кісткова реабсорбція. Як тільки цей баланс порушується (наприклад, послідовні мікротравми, не дозволяючи кістці повністю відновитись від початкового стресу) і мікротравми накопичуються, може виникнути “стрес перелом” (Kaeding et al, 2013).

“Стрес перелом” супроводжується вираженою біллю; вона має тенденцію до зменшення і з часом повністю стихає в міру загоєння. Фізичний терапевт повинен знати терміни і стадію процесу загоєння, і усвідомлювати, що надмірно агресивна дія може перешкоджати цьому процесу.

Отже, важливо, щоб пошкоджені структури піддавалися впливу поступово збільшуючи навантаження протягом реабілітаційного процесу (Serhan et al, 2010).

Клінічні випробування Ryan et al, 1998 та Malmros et, al, 1998 присвячені профілактиці остеопорозу рекомендують осьове навантаження та силові вправи, щоб уникнути втрати мінеральної щільності кістки. Ці вправи впливають на ремоделювання кісток відповідно до закону Вольфа (Frost 1994). 

Дослідження Iwamoto et al, 2001 демонструють збільшення мінеральної щільності кістки за допомогою фізичних навантажень (вправи з осьовим навантаженням) і подальше зниження мінеральної щільності кістки при  зменшенні активності (на рухову активність  без осьового навантаження). За допомогою вправ з осьовим навантаженням, кістка адаптується до впливу ваги і тяги м’язів шляхом побудови більшої кількості кісткових клітин, в результаті чого підвищується  щільність кісткової тканини. 

В дослідженні Sinaki et al, 2003 та Lin et al, 2008 значне збільшення щільності  кісткової тканини відбулося в поперековому відділі хребта та  ділянці шийки стегна  у тих, хто брав участь у виконанні вправ з осьовим навантаженням, тоді як ці показники зменшувались у групі, яка не виконувала вправ.

Кісткова маса також менш реагує на механічні подразники з віком.

Процес перетворення механічних сигналів в анаболічні агенти для зміни кісток називаються “механотрансдукцією” і служать в якості нового способу лікування остеопорозу (Rubin et al, 2013). 

Механотрансдукція – процес, через який механічні сили  перетворюються в клітинні сигнали (Huang et al, 2010). Механотрансдукція, що веде до перебудови кістки, включає в себе етапи механічного з’єднання, біохімічного з’єднання, передачу сигналу і клітинну реакцію (Duncan et al, 1995). Конкретні ефекти клітинної реорганізації залежать від тривалості, амплітуди і сили навантаження; а також було виявлено, що тільки циклічне навантаження може стимулювати формування кістки (Duncan et al, 1995).

Отже:

• механічне навантаження на кістку супроводжується адаптивними змінами у внутрішній архітектурі та зовнішній формі;
• збільшення навантаження на кістку, призводить до її перебудови і вона стає міцнішою;
• якщо навантаження на кістку зменшується, кістка стане менш щільною і слабкою;
• обсяг та інтенсивність  механічного навантаження на кістку залежить від термінів та стадії загоєння
• фізичний терапевт повинен знати терміни і стадію процесу загоєння, і усвідомлювати, що надмірно агресивна дія може перешкоджати цьому процесу;
• важливо, щоб пошкоджені структури піддавалися впливу поступово збільшуючи навантаження протягом реабілітаційного процесу;

Підготував: Юра Мельник, Тарас Панасевич

Джерела:

• Frost HM. Wolff’s Law and bone’s structural adaptations to mechanical usage: an overview for clinicians. Angle Orthod. 1994;64(3):175–88.

• Wolff J. The law of bone remodeling. 1st ed. New York: Springer; 1986 (translation of the German 1892 edition)
• Duncan, RL; CH Turner (November 1995). “Mechanotransduction and the functional response of bone to mechanical strain”. Calcified Tissue International. 57 (5): 344–358. doi:10.1007/bf00302070. PMID 8564797. S2CID 8548195.
• Huang, Chenyu; Rei Ogawa (October 2010). “Mechanotransduction in bone repair and regeneration”. FASEB J. 24 (10): 3625–3632. doi:10.1096/fj.10-157370. PMID 20505115. S2CID 3202736.
• Rubin CT, Rubin UJ, Judex S. Exercise and the prevention of osteoporosis. In: Rosen CJ, editor. Primer on the metabolic bone diseases and disorders of mineral metabolism. Ames: Wiley-Blackwell; 2013. p. 396–402.
• Ryan AS, Treuth MS, Hunter GR, Elahi D. Resistive training maintains bone mineral density in postmenopausal women. Calcif Tissue Int. 1998;62(4):295–9.
• Malmros B, Mortensen L, Jensen MB, Charles P. Positive effects of physiotherapy on chronic pain and performance in osteoporosis. Osteoporos Int. 1998;8(3):215–21.
•  Iwamoto J, Takeda T, Ichimura S. Effect of exercise training and detraining on bone mineral density in postmenopausal women with osteoporosis. J Orthop Sci. 2001;6(2):128–32.
• Lin JT, Lane JM. Nonpharmacologic management of osteoporosis to minimize fracture risk. Nat Clin Pract Rheumatol. 2008;4(1):20–5. doi:10.1038/ncprheum0702.
• Sinaki M. Nonpharmacologic interventions: exercise, fall prevention, and role of physical medicine. Clin Geriatr Med. 2003;19(2):337–59.
• Serhan C, Ward P. Fundamentals of Inflammation. Cambridge, England: Cambridge University Press; 2010.
• Kaeding CC, Miller T (2013) The comprehensive description of stress fractures: a new classification system. J Bone Joint Surg Am 95:1214–1220