Darbeli elektromanyetik alanlar ile osteojenik indüksiyon (teorik, deneysel ve klinik çalışma)

Abstract

O.l/d.) Ö Z n; T Bu bölümde, kemiğin fonksiyonu ve şekline etki eden faktörler araştırılmıştır. Mekanik stresler kemiğin yalnız şeklini değil, aynı zamanda kütlesini de değiştirebilir. Kemiğin genel şekli embriyoda belirlenmesine rağmen, mekanik özelliklerini çeşitli faktörlerin düzenliyeceği görüşü de açıktır. Bu, direkt mekanik kuvvetlerle olabileceği gibi, bundan daha fazla indirekt yolla, kuvvet altında deforme olan kemiğin bioelektrik yanıtının, negatif feedback kontrol halkasıyla oluşacağı anlaşılmıştır. Gelen sinyal, mezenşim hücresine, kemiğin ne zaman, nasıl ve ne gibi bir oryan- tasyona ihtiyacı olduğunu anlatır. Kemiğin piezoelektrik, yarı iletkenlik ve akan potansiyel özelliklerinin, extraselluler mat- rixinden kaynaklandığı gösterilmiştir. Sonuçta; kalp ye -kas pom palarından gelen kanın damardaki akışıyla oluşan akan potansiyel ler, periferik sinirdeki elektron akışı, komşu kasların aktivite- lerinden doğan elektriklenme, toplam yüklü moleküller, kollogenin dipol momentleri ve hücrenin elektriksel özelliklerinin toplamı hücre yanıtını tetiklemektedir. -32-O. II.) KiUttİKTüiK-L PO'IAWSII^Li^RlN KAINAK-uARI [ Ganlı dokunun elektriksel potansiyel kaynakları üç çeşittir; 1- Bioelektrik potansiyeller (Steady stade potansiyeller) 2- Aksiyon potansiyeller 5- Stresle oluşan potansiyeller (SGP) C.II/S) BİOiüLSKZRIK POTAJJSIYiuixuliR : Tüm canlı dokularda bulunur. Hücrenin metabolik ve fizikoşimik çalışmaları sonucunda ortaya çıkar (73). Yani bu potansiyellerin oluşması için hücre gereklidir. Bioelektrik potansiyellerinde pola- ritesi vardır. Daha çok negatif potansiyeller metabolik aktivitenin yüksek olduğu yerlerde gözlenir. Becker' in amfibia extremite uçla rında ayrıca ampütasyon güdüğünde ve re jenerasyon boyunca güdükte negatif ampütasyon bulmuştur (Resim 9İ Regenerasyon tamamlanınca r> Resim 9 pozitif polarite oluşur (26) Uzun kemik metafizlerinin elektro negatif olması kan akımının ve metabolik aktivitenin yüksek olma sındandır. Ayrıca kırık bölgesinide elektro negatif olması damar- lardaki kanın ortması ve yoğun bir metabolik aktiviteden dolayıdır. (Resim 10) (72-73). ŞB değişimleride bu potansiyelde değişimlere -35-Iio Op<`«nr nno mvrrny KlAMiKn tKTRCMtî OT THC Dlf riRlKCt ih nnCSUAl P'jTtttTlALS (ItTWtlN.NT/1CT 1IBI9MQULA AhO 5AM[ BONE iVWtOiAUlT AfUR 5L'BPtHıOİUAL fSACTUUt -6 Resim 10 yol açar. Kxrxk iyileşmesinin tamir fazxnda pH alkali olmasxda dikkat çekicidir. Hücreleri ölü olan bir dokuda bioelektrik po tansiyelleri saptanamaz. Bu potansiyeller, dejenerasyon, kan do- laşxmı, kasların cxkarxlmasi ve stresten (deformasyon) bagxmsxz- dır, denmekt edir. O.II/b.) AKSİYON POTAMSİYaLLSRt ; Depolarize olan ' sinirlerde ve kontraktive protein tasxyan kaslarda oluşur. Hücrenin canlx olmasx gereklidir. Amplitütleri bioelektrik potansiyellerden fazladır. C.II/e.) S!PRJiiSiiüi 01ıÜv?AM POTMSiTflLLER (SGP)t Deformasyon sonucu extras e llüler matrixin oluşturduğu potan siyellerdir. Hücre canlilxgxndan bagxmsxz olarak oluşur. -3$~O. III. HÜCRji) Vü OüüN ÜHÜNL?ElNiî BlOıılLBKTRIÜiN Ü'ELLLtiRt Geçen bölümde, kemikte oluşan bioelektrik yanıtların, ne relerden kaynaklandığı anlatıldı. Bu bölümde bu baz bilgi ışığı altında, mezenkim hücresi ve onun temel yan ürünü olan kolloge- nin değişen bioelektrik çevredeki davranışları incelenecektir. C.III./a) HÜOBJİ : Bu bölüme başlamadan önce şunu belirtmek gerekir; elektro- mekanik ve diğer çevresel faktörler, kemik şekli ve osteogene- zis'i etkileyen, yegane uyaran değildir. Embriyodan alman kı kırdak rudiment ler inin kültür ortamında, olgun kemiğin şekline benzeyen ve osteogenezisi sürdürme yetenekleri vardır (Fail 1959) Gelişme ve kemik formasyonu, invitro olarak neural, sirkületuar veya majör mekanik etkiler olmaksızın oluşabilir (115). Açıkça görülen şudurki, genetik faktörler son şekil ajfcmada direkt etki lidir. Diğer bir deyimle, bağ dokusunun genel organizasyonu, genetik faktörler tarafından şekillendirilir. Fakat, gelişme ve davranışlar ki, organizmanın yaşam süresince oluşur; değişen çevre koşullarından etkilenir. Piezoelektrik etkiye bağlı, Bağ dokusu hücresinin değişimine ait ilk çalışmalardan birisi, 194-9 da Evans ve Zeit'm silikozis'de oluşan fibrojenik reaksiyonu, gözlemeleridir. Buradaki tozların piezoelektrik özelliklerinin, dokudaki fibrogenezisi tetiklediğini gözlediler. Deney sonuçları maddeler halinde şöyledir» 1° Partiküller, insolübl'dür. Aynı zamanda piezoelektrik özel likleri olası olan asimetrik kristaller sınıf mdandır. 2? Partiküllerin elektriği iletmemesi gerekir. Eğer iletirse kısa devreler oluşturarak, dokudaki etkileri azalır. 5° Partiküllerin yetiri büyüklükte olması gerekir, çünkü, onun oluşturduğu stresler fibrogenezis için yetersiz olabilir. 4. Partiküller, dokuda uygun konsantrasyonlarda bulunmalı ve partiküllerin pozisyonu rezonans oluşturan sistemler halin de olmalıdır. -55-Burada partiküllerin, mekanik enerjiyi elektriğe çeviren ve hücre davranışlarını değiştiren, transducer (değiştirici) görevi yaptığı düşünülmüştür. Bu.çalışmanın sonucunda, yazarlar ayrıca galvanik akımın invivo olarak fibrogenezisi stimule et tiğini belirtmişlerdir. Bu ve buna benzer gözlemler, Dement 'e (1954), malignite gelişiminde elektriksel dransducer mekaniz malarının rol oynadığını düşündürdü. Bu bölümdeki bütün teorik yaklaşımlar Dementin tezinden yola çıkılarak yazılmıştır (57) Dışardan suni olarak uygulanan elektrik akımının kemik hüc re davranışını etkilediği, ilk kez Japonya'da 1950 lerin ortasın da yapılan çalışmalarda saptanmıştır (133). Bu çalışmada 1-100 mikro A.lik akımlar uygulanarak osteogenezis sağlanmıştır, fakat çalışmanın iyi kontrol edildiğini söylemek zordur. Çünkü, operas yon ve elektrodlarm yerleştirilmesi kendi başına osteogenezisi stimule edici faktörlerdir. Bundan başka kullanılan elektrod cinsi ve yüzeyi, faradayik reaksiyon oluşturarak yanıtın sonuçlarını et kileyebilir. Bu yüzden 1963' den beri, silikon kaplı platin-irid- yum'lu elektrodlar kullanılmaya başlanmıştır (9). Buna karşın elektrodlarda oluşan rezistans, polarizasyon yüzünden artmakta, bu da akımın yeteri ölçüde akamamasına neden olmaktadır ve akımın yükseltilmesini gerektirmektedir. Fakat akım yükseldikçe de, fara dayik reaksiyonlar artarak polarizasyon fazlalaşacak ve olar bir kısır döngüye girmiş olacaktır. 0,8 micro A.lik bir akım ile sti- mulasyonda, osteogenezisde, kontrol grubuna göre bir farklılaşma oluşmamıştır. 2,4 mikro A.lik akımlarda, katot çevresinde büyük bir osteogenezis artımı gözlenir. Bunun histolojik görüntüsü filo- rid osteogenezisine benzer. Birçok mitotik görünümün yanı sıra, blast formunda çok fazla hücre oluşmaktadır. Bunun dışındaki yeni kemik oluşumu, göreceli olarak homojen olup hücresel yapılar matrix ve kalsifikasyon içerir. Buna rağmen katot çevresindeki kemik kit lesi sınırlıdır. (Basset 1954) (16). Daha ileri çalışmalarda ise katot intramedüller olarak yerleştirilir. Karşı tarafına eşit uzak lıkta iki anot yerleştirildiğinde, trabeküller güneş fırçası tarzın da olmakta ve elektrik alan gidişini yansıtmaktadır.(Pavluk ve Bassett 1970) (108). Bundan başka anot çevresinde osteoklasisin oluştuğu gözlenmiş ve bu elektrod yüzeyinde osteoklastlar saptanmıştır. Bu ko nuda yapılan çalışmalarda birçok akım çeşidi, örneğin doğru akım, ' darbeli doğru akım, asimetrik alternatif akım denendi ve hepsindedö- osteogenezis artımı katot çevresinde gözlendi. Fakat simetrik al ternatif akımda her iki elektroddada hiçbir osteogenezis artımı göz -36-lenmemiştir.. (59). Bundan başka Yorrington ve Joequiss (1969) domuz ve köpek kulaklarının arkasına implante edilen katot ile osteoge- nezis elde ettiler. Son zamanlarda ise Assimaeopoulos (1968), tavşanların kulaklarındaki yumuşak doku yaralanmalarının iyileş mesinde, paslanmaz çelik elektrodlar ile verilen 5-100 Mikro A.lik akımların, belirli bir iyileşme artımı gözlendiği saptandı. Friedenberg ve Kohanim (1968) tavşanlarda 3-10 Mikro A.lik akım larla kuvvetle artan bir osteoblastik aktivite elde etti(69)» Hem değişen ve nemde sabit akımlarda en fazla kemik formasyonu 5-20 Mikro A arasında, katot çevresinde elde edilmesine karşın, anot1 ta destriksiyonun olduğu gözlendi. 20 Mikro A. in üstünde kıkırdak ve kemik oluşumları birlikte idi, 100 Mikro A. de ise heriki tarafta destriksiyon vardı. Aşırı yüklenme ile oluşan stress kırıklarının microfraktürleri osteosit ölümleri ile karak- terizedir. Bundan sonraki iyileşme fazında, patlayıcı tarzda paraosteal osteogenezis gözlenir. Aynı bulgular Ruedi ve Bassett (1967) tarafından da gözlenmiştir. Buradaki elektriksel, olay ile sellüler yanıt arasındaki ilişki, kesin olarak bilinmemekle beraber iki olası mekanizmadan söz edilebilir; Birincisi, öochran (1968) m ileri sürdüğü mekanizmadır (50). Burada kemik hastalıklarında olduğu gibi (örneğin kırıklarda), elektriksel yanıtın azalması söz konusudur. Bu ise mikrokırıklarâ neden olur. Böylece potansiyel amplitüdü düşer ve dalga şekilleri daha az bifazik olur. Yani tek polariteli pulslara eğilim artar, çünkü deformasyon kalktıktan sonra kemik eski halini alamaz, elastik özelliğini kaybetmiştir. Elul 1966' da embriyonun nöral elementlerindeki osteosit lerin in- vitro olarak yüzeylerini, negatif yük ile yüklü olduklarını ve po zitif yüzey tarafından çekildiklerini göstermiştir. Lakün duvarın da deformasyon-relaksasyon çemberi kırılarak te yönlü bir pole- rizasyon oluşur. Bu da osteosit membranının lakün duvarından ay rılmasına neden olur. Böylece osteosit beslenmesi azalır. İkinci mekanizma ise; osteositin massif stresle oluşan dinamik elektrik sinyallerini görebileceği varsayımına dayanır (9)« Burada osteosit ölümü, haversiyen remodelasyonu için bir sinyal gibi düşünülmüştür. Ayrıca bu görüş ile, masif paraosteol yeni kemik oluşumunu açıkla mak da kolaylaşmaktadır. Aynı zamanda osteoblast lan bu kadar uzakda görebilmemiz, kemiğin elektriksel aktivit esinin arttığını gösterir. Kompresyon plağı ile rijit tesbitli kırıklardaki sınırlı kallus (primer kallus) oluşumu elektriksel karakterlidir. Lavine (1969)' da çeşitli deney modellerini incelemiş, yabancı -37-cisim yanıtının ve ısının etkisinin ihmal edildiğini saptayarak yeni bir elektrod çeşidi geliştirmiştir. Bu elektrod ile 2-3 mikro A.lik akımlarda osteogenezis hızlanmaktadır. Isının yük değişimlerine neden olması ve osteogenezisi hızlandırıcı etki si ile elektriksel ostogenezise, sinerjitik etki yapmasından dolayı, net etkiler kesin olarak saptanamamaktadır (9). Ayrıca yabancı cisim reaksiyonlarının minimale indirilmesi savunulmuş platin-iridyuuı bileşimi ve epoxy plastiğinin bu reaksiyonları enaza indirdiği saptanmış tır, (59)» Becker 1961' de elektrik stimülasyonu ile amphibiadaki ekfetre- mite re jenerasyonunun gidişini değiştirmiştir (26) Daha sonra 1967' de rana pipenslerin, ön kol amputasyonlarına elektrodlar yar dımı ile akım verilerek re jenerasyonda artımı sağlıyabi İmiş tir. Buradaki etkinin hücrenin direkt stimülasyonu veya elektrof oretik temele dayanan moleküller ile bilginin taşınması yada sinir stimülasyonu yolu ile oldttğunu düşünmüştür. 1970 de Wilson' un yap tığı çalışmada intramedüller kanalın metafizer bölgeye yakın kıs mına elektrodlann yerleştirilmesi ile longitudinal büyümede artım gözlenmiştir. Böylece yalnızca yaralanmalarda osteojenik yanıtın artmadığı, aynı zamanda direkt olarak morfogenezisi, büyümeyi ve diferansasyonu da stimule ettiği, saptanmıştır (Cohen-Merilll969), (Becker -Murray 1970) (27) Becker ve Murray 1967' de kurbağalarda kırıklar sırasında peri- ostal ve kortikal elektrik potansiyellerinin değiştiğini saptadılar (Resim 10) (28). Kırığın ardı sıra oluşan hematomdaki çekirdekli kır mızı kan hücreleri, bir seri dedif erasyona uğrar ve tamir olayına katılır. İlkönce hücrenin hemoglobini kaybolur ve hücre sferik bir görünüm alır, nukleusu daha belirgin hale gelir, stoplazmada gran- üller gözlenir ve pseudopotları belirir. Aynı değişiklikler normal periferik kandaki kırmızı hücrelerin, bir tübe konulup akım -uygu lanmasından sonra da gözlenir (28) ve en fazla dif eransasyon 2 Mikro A lik akım şiddetinde oluşur. Son zamanlarda, kallusu oluşturan onarım hücrelerinin, periostaki sellüler prolif erasyon ve vasküler invaz- yondan kaynaklanmadığı, daha çok dedif eransiye, nukleuslu kırmızı kan hücrelerinden kaynaklandığına inanılmaktadır. Ayrıca bu hücre lerin 2-2.000 nA.lik akımlar ile stimülasyonunda, RNA larda artım olduğu gözlenmiştir. Bu yazarlar, intrasellüler olayların doğru akım veya nonuniform alanlar ile stümüle edildiği görüşündedirler, RNA ların inaktif veya hidrojene bağlı durumda olduğunu nonuniform alan- -38-lar uygulandığında elektronlar ile sulanarak aktive olduklarına inanılmaktadır. Doğru akımlar ile yapılan osteogenezis çalışmalarında, doku kültürlerinde, pH değişiklikleri açık ve kesin sonuçlar alınmama sına neden olur. Bunun için pH değişikliklerinin teorik olarak minimal olduğu, nonuniform elektrostatik alanlar kullanılmaya baş landı, fibroblast kültürlerine 7 gün uygulan ve 1 Cm. mesafede oluşturulan elektrostatik alan, H - 3 prolinle işaretlenen kollo- genin sentezinde % 20 lik bir artım, daha sonra hidroxiprolinle işaretlenen DNA ların sentezinde de aynı şekilde % 20 lik bir ar tım, 1000 V/Cm. lik gerilimler altında elde edildi (15). Darbeli alan uygulamalarında^ (lHertz) DNA sentezinde % 20, kollogen sen tezinde % 150-300 lük artımlar izlendi (Bassett ve Hermann 1968). Bozoky 1964' de tavuk embriyosu kalp fibroglastlannda, elektrosta tik alan uygulaması ile artan bir hücre mitozisi gözledi. Heriki araştırma grubuda yarı iletken olan DNA daki mobil n -elektronla rın, alan tarafından mobilize edildiğini düşündüler (9)» Bu bio- kimyasal değişiklikler, hücre ultrastrüktüründeki değişimlerle aynı doğrultuda gitti. Böylece nukleusl ardaki kromatin belirgin- leşti. Mitakondria, serbest ribozom RNA ve vakoollerde artma gözlendi. RNA değişiklikleri Becker ve Murray' m bulgularına uy maktaydı, fakat sonuçların bir kısmı, kısmende olsa polariteye bağlanmıştır. Bundan başka 100 V/Cm. nin üstündeki sinyallerde de yanıt alınabildi, yanıtlar kesikli sinyallerde devamlı olanlara göre, belirgin bir farklılık oluşturdu. Böylece kollogenin kuvvetli bir dipol olduğu ve negatif yük taşıdığı sonucuna varıldı (9)« Bu yüzden Ghuapil ve Hurychi (1969), kollogen sentez hızının intra- sellüler feedback mekanizması ile idare edildiğini düşündüler. Eğer bu görüş doğru ise kollogen sentezinin, extrasellulerfeedback kon trol sistemide mevcut olabilir. -Bu kontrol mekanizması ile, koHo- genin elektrik yükü kontrol edilebilir. Ayrıca hücre içinde, tro- pokollogenin solübl veya agregasyon durumu belirlenerek, üretiminde artma veya azalma oluşturulabilir. Mc. Blhâney 1968'de, elektrik alanının dissöz osteoparoziste kemik kaybını önleyeceğini buldu (9). Bundan, daha önemlisi, histolojik ve radyolojik olarak karakterize edilemeyen geniş kemik tümörleri elektrostatik alan uygulanan hay vanların % 45 inde saptandı. Bu çalışmalarda araştırıcı 100 7 luk doğru akım ve 200 V luk alternatif akım (frekans sınırları 3-30) kullandı, (9). 1967' de Cieszynski, elektrik akımının kırık İyileşme ce TÜRKİYE -??- BtLtMSEL ve TEKNÎS AİRAŞTIP. M A F. 'J kUMU KÜTÜPHANESİsindeki etkisinin açık olmadığını, hangi metodun kullanılmasının bilinmediğini yazdı (48). Fakat bütün bunlara rağmen, elektrik a- kımı ve elektrostatik alanın kırık iyileşmesinde etkili olduğu bü tün laboratuar İare a kanıtlanmıştır (13-24-25-30-31-33-38-39-56-60-70 82-86-90-95-97-99-104-119-120-128-136) özet olarak; mezenşimal hücrenin, elektriksel çevresi değiş tiğinde, davranış degişİKİiği göstermektedir. Sonradan diferans- asyon oluşmaktadır. Bu davranışlar iki hücre tipindeki enzim ka rakterlerine bağlıdır. Osteoblastlar stoplazmalarında ço miktarda alkalen fosfataz bulundururlar. Bu enzim kemik formasyonunda kesin bir rol oynar. Katot çevresinde alkalen bir ortamın oluşması, bu enzimin aktivasyonu için iyi bir olanak sağlar. Diğer taraftan os- teoklast, asit fosfataz ve diğer lizozzomal enzimler taşır, asit pH da aktive olur. Anot çevresindede aynı şekilde asit bir ortam vardır. Aynı zamanda kollogen ve kalsiyum tuzları, alkalen ortamda daha az solübl'dir. Anotta kemik rezorpsiyonu, asidik şartların kollogen ve hidroksiapatiti eritmesiyle oluşabilir (69). Bu korel asyonlar uygun yöndedir, fakat elektriksel etki, primer ve tek bir sorumlu faktör olarak ele alınmamalıdır. Bu aysberg tipi bir olay olarak düşünülmelidir (9,) Sinyalin amplitütü, belkide hücre kontrolü için majör Önemde dir. Birbirine eklenen ve çeşitli kaynaklardan gelen sinyaller, yönetici sinyali oluştururlar, böylece remodelasyon tetiklenmiş olur. Burada şu sorular akla gelmektedir. Güçlü sinyalle zayıf sin yalin etkileri farklımıdır? Acaba meyilli bir sinyal ile (vurucu fonksiyon), hızla yükselen bir sinyal (basamak fonksiyonu) aynı etkiyi mi gösterir? Acaba hücreyi devamlı stimüle etmeli, yoksa artan bir şiddetle, veya aralıkla mı uyarmalıyız? Ayrıca, hücre ler kemiği yapmak veya yıkmak için programlanıyor mu? Bu ve buna benzer sorular cevaplandırılmalıdır. G.III./b) uXlRAS-BLLULtiR MATRIX : Kemiğin extraselluler matrixinin iki önemli organik kompanenti olan kollogen ve protein poli sakkarit, belirli bir elektrik yükü taşır ve bu yüzden çevrelerindeki elektriksel olaylardan ve kendi kendilerinden etkilenirler. Bu makromoleküllerin ikiside elektro- foretik olarak hareket ederler ve elektrik alanda bir oryantasyon gösterirler. Geçmişteki bilgilerin ışığında, Bassett ve Becker 1962' de -40-oluşturdukları hipoteze göre; stres potansiyellerinin matrix makromoleküllerini idare ettiğini düşündüler. b-1. KOLLOGjiİM : Bu makromoleküler biopolimerin, geniş bir dipol momendi vardır. pH 4 de bütün katyonik grupları pozitif, yüklü, yalnızca karboksil grubu negatif yüklüdür. Bu yüzden net yükü pozitiftir. Ayrıca tropokollogen ünitesinin başı, kuyruğuna göre pozitiftir. Bir tropokollogen ünitesi fibril, lif ve demetlerden olur. Bu yüz den dipol momenti eklentilidir. Osteogenezis veya osteoklasis'de olsun, kollogenin temel yükü hipotetik olarak kendine özgüdür. Örneğin; kemiğin osteoklastik rezorpsiyonu normal oryantasyondan çok longitudinal bir yol izler. Bu bakıiŞ açısı ile kollogenin son kısımlarından' parçalanmaya başlandığı, yanlardan olayın baş lamadığı düşünülmektedir. Yani kollogenin elektriksel yüküne ve dağılımına bağlı bir rezorpsiyon oluşmakta, bu sırada negatif yüklü osteoklast membranı, kollogenin pozitif yüklü kısmı tarafında çeki lerek, yani, fibrilin anminer alize kısmından, nötral veya negatif yüklü ve apatiti taşıyan kısmına doğru rezorpsiyon olmaktadır. Eğer ortamda yüksek konstrasyonda negatif yüklü asit mukopolisakkaritler var ise ortamın yükü negatife doğrudur, böylece osteoklastlarm yet mezliği oluşur (9^. Kollogen, kemiğin esas organik elementidir, mineralizasyon baş lamadan evvel de vardır. Kalsifikasyon oluşurken kalsiyum hidroksi- apatiti'nin uzun ekseni, fibrilin uzun eksenine paraleldir. Bu şunu hatırlatmaktadır; ossöz yapının olası oryantasyonu, kollogen fibri lin sonuçtaki oryantasyonuna bağlıdır (Resim $). Bu yüzden, Wolff kanununun elektriksel açıklamasının yapıldığı ilk dönemlerde, kollo genin zayıf elektrik alanlarındaki davranışı üzerinde yoğun çalışma lar yapıldı. Asid ortamda eritilmiş kollogen' e 10`` -10` A.lik akımların, platin üzerinden uygulandığında, pozitif bantların katot çevresine-yakm ve elektrik alanına dik oluştuğu bulundu (28). Bant ların formasyonu voltaj veya akımın direkt bir fonksiyonu idi. -6 1 V ve 10 A*lik akımda ve pH 4-, 5 da, bantlar 5 dakika içinde OİUŞ- tu. Akım 10 A olduğunda birkaç saat gerekliydi. Ortama ilave edilen tuz ile iyonik güç tuza aktarıldığından kollogen lifler bant lar halinde birleşip alan dik açıda yerleşti. Katota bakan yüzde ise ince ve strüptürsüz fibriller vardı. pH 5» 5-6 arasında basamaklı bir dizilim göstermekteydiler. Çomağa benzeyen bu gibi moleküllerin -41-dipol momentleri ve elektrik akım durumları bilinmesinden sonra moleküllerin oryantasyonunun elektriksel alanına dik değil para lel, olacakları düşünüldü Yoshidka ve Okinsik 1966). Marina ve Becker 197° ' de değişik bir teknik ile uniform ve nonuniform alan larda nokta ve alan elektrotları kullanarak; elektrolize bağlı pH değişimlerinin, band formasyonunun oluşmasına etkili olduğunu, küçük bir alan dışında bantdaki fibrillerin ve damarlanmanm be lirli bir oryantasyon göstermediğini saptadılar. Bu deney sonu cunda yazarlar, stresle oluşan potansiyellerin etkilerini, kollo- gerir irvivo sıralanmasında yetersiz kaldığını saptadılar. Marina ve Becker (1970), Becker (1964) ile Bassett (1970)' in yaptıkları deneylerin arasında farklı sonuçların elde edilmesi, deneysel metodun farklı olmasındandır. Böylece stresle oluşan bioelektrik potansiyellerin, kollogenin migrasyon ve sıralanmasında etkili olduğu düşünülebilir. Bu oryantasyon, pH değişikliği ve iyonik kensfi&asyona duyarlı olduğu açıktır. Kemikten elde edilen 2X10 7 A/Om. lik bir akım yaş kemikte kollogen dizilim ve agre- gasyonunu invivo olarak etkiler. Bu yüzdendir ki piezoelektrik fenomen, kollogen fibril konstrasyonunun değişimine neden olur. Ayrıca kollogen ve selüloz gibi uzun zincirli piezoelektrik biopolimerlerin oto kontrol mekanizmaları vardır ve hücreden bağımsız görev görürler. Stres ve zorlanma ile potansiyel oluşunca, yüklü makromoleküller ve iyonlar, spesifik Cibril veya liglerin yüzeylerine doğru çekilir veya itilirler. Böyle -bir durumda; extra- sellüler yapılaç şekil, boyut ve oryantasy onlarını değiştirir, ya kınındaki hücreye stimulus göndererek, hücrede yanıtın değişmesini sağlarlara Bü? başka görüşe göre elektromekanik olaylar, kollogenin azalmasını veya çoğalmasını etkilerler, örneğin; fibrile benzer bir polimerde hidrostatik reaksiyonun etkisi ile polimerizasyon ve dipo- limerizasyon oluşabilmektedir.(Collen 1970) Dipoler biopalimerlerin oryantasyonu, elektriksel olarak elde edilmiştir. Ayrıca, Corathers ki polimer kimyasının babalarından- dır, yüksek polimerlerin mekanik stres hareketlerine karşı belirli bir oryantasyon gösterdiğini söylemiştir, örneğin; tensiyon, tendon fasia, ligament ve arterlerdeki kollogen demetlerin diziliminde majör etkiye sahiptir (Basset 1971) (18). Bu etki primitif fibro- blasttan çeşitli dokular elde edilme çalışmalarında belirli bir şekilde gözlenmiştir. Eğer büyüme zonuna kompakt kuvvetler uygula nırsa tendona benzer fibröz dokular oluşur. Ayrıca, mekanik kuvvetler -4-2-kollogenin yalnız histolojik yapısını değil, aynı zamanda, ultra strüktürer yapısında belirliyebilirler. Ağır exersiz yapmış ten- donlarda, normalden bulunan 640 - 700 angustrom' luk kollogen ara lığı, bazı fibrillerde uzar bazılarında ise kısalır. Kollogenin oryantasyonunun yalnızca tensiyonun direkt etkisi ile olduğunu söylemeden evel, stresle oluşan elektriksel olayların indirekt etki olasılıklarının bertaraf edilmesi gerekir. özellikle kemiklerde haversiyen formasyonu öyle bir yerleşim gösterirki, hiçbir zaman buradaki yapı nonmineralize bağ dokusu olan tendon, fasia, ligament ve arterdeki kadar gerilme kuvvetleri ile karşı karşıya değildir. Ayrıca osteonlar, t. yüksek derecede oryan- te olmuş kollogen liflerinin eğrilme ve gerilmelerini takip eden, lameller sistemi oluşturmuştur. Kemikteki bu oryantasyonun arka sındaki mekanizma elektrikten çok, mekaniktir. Buna rağmen, bize göre, iki mekanizmada ayrı ayrı etkide bulunur. Organa metalik kris taller fizyolojik ısıda süper iletken gibi davranabilirler, benzer davranışlar biopolimerlerde de gözlenmiştir. Eğer kollogenin böyle bir özelliği var ise uygulanan alan ve yükler, zincirde elektron akışı na ve bu elektronların kemiğe geçmesine neden olur. Bu mekanizmada kollogen fibril oryantasyonunu etkiliyebilir. b-2. MUKQPOLİSAKKARİa?J^H (MPS) : Bu makromolekül kuvvetli polianyonik karakterde olup, net nega tif yük taşır. Deformasyon ve stres potansiyelleri gösterir. Oris- tiansen (1961), potasyum hiyolüranat ile yaptığı çalışmalarda, poli- elektrolitin kıvrılması esnasında elektrik potansiyelleri elde etti* Başlangıçta protein polisakkaritlerin kemikte stres potansiyelleri oluşturduğu yolunda yeterli kanıtlar yoktu. Fakat şimdi yük karak terlerinden dolayı kemikteki elektriksel olaylarda etkilidir, örne ğin; elektrik potansiyeli, küçük iyonların konsantrasyon değişimle rinin oluşturduğu akımlar, polielektrolite olan uzaklığına bağlı olarak yükselebilir. Bundan başka yan zincirlerinde bulunan poli sakkaritlerin anyonik kısımları, elektrostatik olarak, kollogenin katyonik kısmına bağlıdır (Matheus 1965)- ffakat solübl kollogene kondroidin sülfat eklenip zayıf bir akım geçirildiğinde hiçbir bir leşme olmadı. Aslında yukarıdaki bilgilere göre birleşme beklenirdi. E>er böyle bir birleşme olsaydı, bu birleşme, deformasyona aşırı du- -45-yarlı olup, elektrik potansiyeli üreterek yanıt verirdi. Hipotetik olarak dokuda bulunan geniş negatif yüklü endotel tarafından itil meleri beklenebilir. Bu yüzden bu dokuların vasküler invazyon ile rezorpsiyonu için enzimetik aktivasyon veya negatif yaklerin mas kelenmesine gerek vardır (Resim 17) b-3. MİNERALİ ZAS YON l Kemiğin negatif feedback kontrol sisteminin elektromekanik temeldeki tartışmasını yaparken, katottaki osteogenezis artımının kalsiyum ve foâfor iyonlarının elektroforetik etkisine bağlamıştık^ Jahn (1968)' in teorisine göre kalsiyum iyonu, sodyumdan daha hızlı yer değiştirerek katota gider. Sodyum ise, pozitif iyon fazlalığın dan dolayı diffüzyon yoluyla anot a gider. Aynı şekilde klorit iyon ları fosfattan daha hızlıdır ve klorit anota giderken, fosfat fazla lığı oluşur, aynı zamanda fosfat katota gider. Kalsiyum ve fosfat' m katottaki bu birimi amorf trikalsiyumfosf at oluşumuna neden olur (87). I?akat böyle bir etki varsa bile şimdiye kadar gözlenmemiştir. Kemik formasyonunun başlangıç basamağı depozisyonu ve oryantasyonu ile başlaması gerekir (9). Çeşitli biyolojik sistemlerde elektriksel olay ların direkt olarak mineraliz asy onda etkili olduğu Digby tarafından bildirilmiştir (59). Wainwright (1968) ise yarı iletken ve piezoelek- trik özelliklerin kabuklu deniz hayvanlarında kalsifikasyonda en büyük rolü oynadığını bildirmiştir. Elektrik potansiyelleri, yalnızca iyonik konsantrasyonu etki leyerek, amorfkalsiyum tuzlarının çökmesini değil aynı zamanda kristal yapışmada etki eder. Ayrıca, hidrojen iyonlarının pH de ğişimi veya protein tutulması yoluyla, ortamda yer değiştirmesinin kalsifikasyonda temel görev yaptığı Samachson (196^) tarafından söylenmiştir. Bu noktada, stres ve akan potansiyellerin hipotetik olarak kalsiyum mekanizmasını etkileyici rolleri, ayrıca kristal büyüme hızına ve belirli kristallerin oryantasyonuna etki ettiği bilinmektedir. Sonuç olarak; ister extrenset, ister intrensek, isterse her ikisi olsun, oluşan elektriksel potansiyeller kollogenin minerali ze olma kabiliyetini etkiler. Ne yazık ki bu konuda yeterli bilgi alınabilecek deneyler yapılmamıştır. Kollogenin süper iletken özel liği yan zincir reaktivasyonundaki değişiklikler, kemiğe elektron akışının sağlanması, nükleasyon ve mineralizasyon için iyi ber düze nek oluşturur. -44-G.IV.) HÜCRüi DAVRANIRLARINI KONTROL jia)JSK BIOjS.üİ'KTRİK YANITLARIN OLASI İMKANI AMALARI öııceleleri ve halen, hücreyi kontrol eden sinyallerin mekaniz ması tam olarak bilinmiyor. Bu bölümün amacı; hücrelerin karşılıklı etkileşimlerini gözlemek ve elektriksel çevrelerindeki genel pren sipleri ortaya çıkarmaktır. C.IV./a). İYONİK Son yıllarda Ling (1965) ve Ling ve Cope (1969) tarafından ortaya atılan fikirler hücre ve onun iyon dağılımında biyoloji ile uğraşanların görüşünü değiştirdi (9)« Kİasik olarak hücre bir su torbası ve iyonlar bunun içinde, Donnan ilkesine bağlı olarak ser bestçe dolaşan yapılar olarak düşünülürdü ve hücrenin içinde iyon dengesini ayarlayan bir aktif iyon pompası mekanizması vardı. Şimdi çok iyi biliniyorki-, birçok iyon özellikle sodyum ve potasyum hüc re içinde veya plazma membranmdaki makromoleküllere bağlıdır. Bu iyonlar buza benzer matrixte yan yana durumda hareket halindedirler, veya yer değiştirirler. Gerek elektron iletim:* özellikleri, gerekse yarı iletken katılardaki elektriksel nokta defektlerine benzer dav ranışları yukarıdaki görüşe uyar. Ayrıca bu modelde hücre membranı, klasikte olduğu gibi değildir. Burada iki benzemeyen materyalin birleşimi veya karşı karşıya gelme si olayı sözkonusudur. Böylece membran, yarı iletken bileşim gibi görev yapar. Bundan başka protein molekülünün elektriksel dizilimi, yalnız onun aminoasitlerine değil, fakat iyonik absorbsiyonlarına da bağlı olduğu düşünüldü. Protozoa hücresinde protoplazmanm kont- raksiyonları göz önüne alınarak, anodal ve katodal stimülasyonun, kalsiyum, potasyum ve sodyumun hücre içinde ve dışında bağlandığı yerlerden çözülmesine de etkisi olduğu gösterildi (36). Jahn'a göre kalsiyum iyonunun, hücrenin her iki bölgesindeki farklılığı, anodal taraftan kontraksiyonlarm tetiklenmesine neden olduğu be lirtildi. Burada serbest kalsiyum iyonları, kontraktil proteinler ile etkileşime girmeye hazırdır. Jahn; elektromotiv herhangi bir kuvvet uygulandığında, iyon migrasyonu, iyonların bağlı oldukları kısımdan ayrılması ve bu karşı iyonların protein zincirleri boyunca hareketinin oluşabileceğini bildirdi. -4-5-