Xương là gì? Các công bố nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về xương

Xương là một loại mô liên kết đặc biệt trong cơ thể người và động vật có xương sống. Không giống như các mô mềm khác, xương có tính cứng và bền vững nhờ chứa hàm lượng khoáng chất cao, đặc biệt là canxi và photphat. Chức năng cơ bản của hệ xương là tạo khung nâng đỡ cho toàn bộ cơ thể, đồng thời cho phép chuyển động thông qua sự kết nối với hệ cơ và các khớp.

Bên cạnh chức năng cơ học, xương còn có vai trò quan trọng trong quá trình sinh lý: bảo vệ các cơ quan quan trọng như não (bởi hộp sọ), tim và phổi (bởi lồng ngực), và tủy sống (bởi cột sống). Xương còn là nơi dự trữ khoáng chất và sản xuất tế bào máu qua tủy xương.

Tổng khối lượng xương ở người trưởng thành chiếm khoảng 15% trọng lượng cơ thể. Ở người trưởng thành có khoảng 206 chiếc xương riêng biệt, được tổ chức thành các phần chính: xương sọ, xương thân (cột sống, xương sườn), và xương chi.

Cấu trúc mô học của xương

Xương bao gồm hai loại mô chính: xương đặc (compact bone) và xương xốp (spongy bone). Xương đặc có mật độ cao, nằm ở lớp vỏ ngoài của các xương dài và giúp chịu lực. Đơn vị cấu trúc cơ bản của xương đặc là osteon, còn gọi là hệ Havers, bao gồm các vòng đồng tâm lamellae bao quanh một ống dẫn máu trung tâm.

Ngược lại, xương xốp có cấu trúc nhẹ hơn, gồm các thanh xương nhỏ gọi là trabeculae, được sắp xếp dạng lưới ba chiều để tăng khả năng phân tán lực và tối ưu khối lượng. Khoang giữa các trabeculae chứa tủy xương đỏ (nơi sinh máu) hoặc tủy vàng (chứa chất béo).

Dưới kính hiển vi, mô xương còn được chia thành ba loại tế bào chính:

• Osteoblast: tạo xương mới
• Osteocyte: tế bào xương trưởng thành, duy trì mô xương
• Osteoclast: phá vỡ mô xương để tái tạo hoặc điều chỉnh cấu trúc

Nguồn: NCBI - Bone Histology

Thành phần hóa học của xương

Xét về mặt hóa học, mô xương bao gồm thành phần hữu cơ và vô cơ. Khoảng 30% là chất hữu cơ, chủ yếu là collagen loại I – một loại protein dạng sợi tạo độ mềm dẻo và đàn hồi cho xương. Khoảng 70% còn lại là chất khoáng, với thành phần chính là tinh thể hydroxyapatite:

$\text{Ca}_{10}(\text{PO}_4)_6(\text{OH})_2$

Cấu trúc tổ hợp giữa sợi collagen và tinh thể khoáng tạo nên tính chất cơ học lý tưởng: cứng nhưng không giòn. Sự cân bằng giữa các yếu tố này giúp xương có khả năng chống chịu lực ép, lực kéo và lực uốn cong.

Thành phần	Tỷ lệ	Vai trò
Collagen loại I	~30%	Tạo độ dẻo và đàn hồi
Hydroxyapatite	~65%	Cung cấp độ cứng
Nước và yếu tố khác	~5%	Hỗ trợ trao đổi chất

Sự mất cân bằng giữa các thành phần này có thể dẫn đến rối loạn: thiếu collagen gây giòn xương, thiếu khoáng gây mềm xương. Đây là cơ sở quan trọng trong chẩn đoán và điều trị các bệnh lý như loãng xương hoặc còi xương. Nguồn: ScienceDirect - Bone Mineral

Phân loại xương

Dựa theo hình dạng và chức năng, xương được phân chia thành năm loại chính:

• Xương dài: có trục dài, thường thấy ở chi (vd: xương đùi, xương cánh tay)
• Xương ngắn: có hình dạng gần vuông, nằm ở cổ tay và cổ chân
• Xương dẹt: mỏng, rộng, bảo vệ nội tạng (vd: xương sọ, xương ức)
• Xương không đều: có hình dạng phức tạp (vd: xương sống)
• Xương vừng: nằm trong gân, như xương bánh chè

Việc phân loại này không chỉ mang ý nghĩa giải phẫu mà còn có giá trị lâm sàng: mỗi loại xương chịu lực khác nhau và có nguy cơ tổn thương đặc thù. Ví dụ, xương dài dễ gãy do chấn thương lực mạnh, trong khi xương xốp ở xương dẹt dễ bị tiêu trong bệnh loãng xương.

Nguồn: Kenhub - Types of Bones

Chức năng sinh lý của xương

Ngoài chức năng cơ học, xương còn thực hiện nhiều vai trò sinh lý thiết yếu trong cơ thể người. Một trong những vai trò quan trọng nhất là sinh huyết, tức quá trình tạo tế bào máu trong tủy xương đỏ. Tủy xương đỏ, nằm trong các xương xốp như xương ức, xương chậu và đầu xương dài, là nơi sản xuất hồng cầu, bạch cầu và tiểu cầu thông qua quá trình tạo máu (hematopoiesis).

Xương còn là nơi dự trữ và điều hòa lượng khoáng chất, đặc biệt là canxi (Ca²⁺) và phosphate (PO₄³⁻), trong máu. Khi nồng độ canxi trong huyết tương giảm, cơ thể sẽ kích thích tế bào hủy xương (osteoclast) phá vỡ mô xương để giải phóng canxi vào máu, và ngược lại.

Ngoài ra, xương còn tiết ra các yếu tố điều hòa nội tiết như osteocalcin – một hormone ảnh hưởng đến chuyển hóa đường và mỡ, đồng thời có vai trò trong khả năng sinh sản ở nam giới. Các chức năng sinh lý chính của xương có thể tóm tắt như sau:

• Sản xuất tế bào máu
• Dự trữ khoáng chất
• Điều hòa nội môi canxi và phosphate
• Tham gia nội tiết (qua osteocalcin)

Quá trình tạo và tái tạo xương

Xương không phải là mô tĩnh, mà là mô sống trải qua quá trình đổi mới liên tục gọi là chu trình tái tạo xương (bone remodeling). Chu trình này bao gồm hai giai đoạn chính: tiêu xương và tạo xương. Trong quá trình tiêu xương, các tế bào osteoclast phá vỡ mô xương cũ và giải phóng khoáng chất vào máu. Sau đó, tế bào osteoblast lấp đầy vùng này bằng mô xương mới.

Quá trình tái tạo được điều hòa bởi các hormone, cytokine và yếu tố cơ học. Ở người trưởng thành, khoảng 5–10% khối lượng xương được tái tạo mỗi năm. Các giai đoạn tái tạo diễn ra theo trình tự:

1. Kích hoạt (activation)
2. Tiêu xương (resorption)
3. Nghỉ (reversal)
4. Tạo xương (formation)
5. Khoáng hóa (mineralization)

Tốc độ và chất lượng của tái tạo xương bị ảnh hưởng bởi tuổi tác, dinh dưỡng, vận động thể chất, cũng như các yếu tố bệnh lý như loãng xương hoặc ung thư di căn xương. Nguồn: NCBI - Bone Remodeling

Ảnh hưởng của hormone và vitamin đến xương

Hệ xương chịu ảnh hưởng sâu sắc từ hệ nội tiết. Các hormone chính điều hòa chuyển hóa xương bao gồm:

• Parathyroid hormone (PTH): tăng tiêu xương để giải phóng canxi
• Calcitonin: ức chế osteoclast, làm giảm tiêu xương
• Estrogen & Testosterone: bảo vệ mô xương, ức chế mất xương
• Growth hormone & IGF-1: kích thích tăng trưởng xương

Bên cạnh hormone, vitamin D là yếu tố then chốt cho hấp thu canxi tại ruột và khoáng hóa xương. Thiếu vitamin D gây ra còi xương ở trẻ em và nhuyễn xương ở người lớn. Vitamin K cũng có vai trò trong hoạt hóa osteocalcin – một protein gắn canxi vào xương.

Yếu tố	Tác động chính
Vitamin D	Tăng hấp thu canxi, khoáng hóa xương
Estrogen	Giảm hoạt động osteoclast, bảo tồn xương
PTH	Kích thích tiêu xương khi canxi máu giảm
Calcitonin	Ức chế tiêu xương, giảm canxi huyết

Nguồn: NIH - Vitamin D

Bệnh lý liên quan đến xương

Hệ xương có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều loại bệnh lý khác nhau, từ tổn thương cấp tính đến rối loạn mạn tính. Một số bệnh phổ biến bao gồm:

• Loãng xương (osteoporosis): giảm mật độ khoáng, dễ gãy
• Còi xương (rickets): thiếu vitamin D ở trẻ em
• Bệnh Paget: tái tạo xương bất thường, xương biến dạng
• Osteomyelitis: viêm nhiễm mô xương do vi khuẩn
• Ung thư xương: như osteosarcoma hoặc di căn xương

Chẩn đoán sớm và điều trị phù hợp là yếu tố then chốt trong quản lý bệnh lý xương. Các công cụ hỗ trợ bao gồm đo mật độ xương (DEXA), X-quang, xét nghiệm máu và sinh thiết mô xương. Nguồn: NCI - Bone Cancer

Kỹ thuật chẩn đoán và điều trị xương

Nhiều kỹ thuật hình ảnh học và sinh học phân tử được sử dụng để đánh giá sức khỏe xương. Phổ biến nhất là:

• X-quang: phát hiện gãy, biến dạng, tổn thương
• CT scan và MRI: cung cấp hình ảnh 3D chi tiết
• DEXA: đo mật độ khoáng xương, chuẩn đoán loãng xương

Về điều trị, tùy theo tình trạng, bệnh nhân có thể được chỉ định:

• Thuốc chống hủy xương (bisphosphonates)
• Liệu pháp hormone thay thế
• Phẫu thuật chỉnh hình hoặc ghép xương
• Vật lý trị liệu phục hồi chức năng

Nguồn: RadiologyInfo - Bone Imaging

Tầm quan trọng trong nghiên cứu và y học tái tạo

Xương là đối tượng nghiên cứu chính trong các lĩnh vực y học tái tạo và kỹ thuật sinh học. Khả năng tái tạo tự nhiên và phản ứng sinh học mạnh mẽ của mô xương mở ra cơ hội phát triển các công nghệ mới như:

• Cấy ghép xương nhân tạo (allograft, xenograft)
• In 3D sinh học mô xương từ collagen và hydroxyapatite
• Sử dụng tế bào gốc (mesenchymal stem cells) để tái tạo xương

Các thử nghiệm lâm sàng hiện nay đang đánh giá hiệu quả của vật liệu sinh học như polylactic acid (PLA), beta-TCP, và nano-hydroxyapatite trong kích thích tái tạo xương tổn thương. Đây là hướng đi tiềm năng để điều trị gãy xương phức tạp, loãng xương nặng hoặc mất xương do ung thư. Nguồn: Nature - Bone Regeneration