تؤثر اضطرابات الجهازالعضلي الهيكلي على الجهاز العضلي الهيكلي. وتشتمل هذه الإضطرابات على مجموعة من الأمراض التي تتنوع فيما بينها من حيث الفيزيولوجيا المرضية، إلا أنها تشترك فيما بينها في الآلام المصاحبة لها، والخلل الوظيفي الذي يترافق معها، إلى جانب الجوانب التشريحية المتعلقة بها. وعلى الصعيد العالمي، تشير الإحصاءات إلى أن هناك أكثر من مليار شخص يعانون من الاعاقة بسبب هذه الامراض، و 35٪ لديهم صعوبات في الحركة، إلى جانب 55٪ ممن يعانون من الآلام كنتيجة لوجود إضطرابات في جهازهم العضلي الهيكلي. وتؤثر هذه الإضطرابات بشكل كبير على الحالة النفسية والوضع الاجتماعي للأشخاص المصابين، وعلى أسرهم، إلى جانب قدراتهم على آدائهم لمهامهم الوظيفية.
ومع التقدم في العمر، يزداد انتشار العديد من هذه الحالات بشكل ملحوظ كنتيجة للعديد من العوامل المرتبطة بنمط الحياة مثل السمنة ونقص النشاط البدني وطبيعة العمل الذي يمارسه الشخص. وقد أظهرت إحدى الدراسات الصادرة عن منظمة الصحة العالمية في عام 2010 أن الآلام في منطقة أسفل الظهر كانت السبب الرئيس لسنوات من الإعاقة التي عاشها الكثيرون حول العالم.
لقد كان الجراحون العرب روادًا في إجراء عمليات البتر والكي وفي استخدام مادة الكحول كمطهر. ومن بين الشخصيات الشهيرة في هذا المجال ابن سينا (980- 1037م) الذي كرس عدة فصول من كتابه "القانون" لتشريح الإنسان، بما فيها تشريح الجهازالعضلي الهيكلي. فإلى جانب وصفه لكل جزء من أجزاء الجهاز العضلي الهيكلي، قارن ابن سينا في كتابه ما بين العظام الاسفنجية والقشرية، كما وصف الغضاريف وعضلات الأطراف، وقام بتقسيم الفقرات إلى عنقية وصدرية وقطنية وعجزية. وللمرة الأولى في القرن الحادي عشر، قدم ابن سينا وصفًا تشريحيًا لكل جزء ذي صلة بالإضطرابات العضلية الهيكلية، مع وصف طبي حيوي ووظيفي وتطبيقي لكل منها. لقد استطاع ابن سينا التفريق بين الأعصاب والأوتار، وكان رائدًا في معالجتهما.
وحاليًا، تستخدم الخلايا الجذعية البشرية المستمدة من نخاع العظام في الممارسات الطبية السريرية بهدف إصلاح العظام والغضاريف المصابة مثل التمزقات الهلالوية. وتهتم الدراسات الحديثة بالإستخدامات السريرية للخلايا الجذعية في علاج النخاع الشوكي. كما إن التقدم السريع في مجال علوم الخلايا الجذعية يفتح آفاقًا جديدة لاكتشاف العقاقير، ويقود إلى استخدامات جديدة لهذه الخلايا في علاج الاضطرابات العضلية الهيكلية الأخرى. وفي المستقبل، قد تكون الخلايا الجذعية قادرة على إعادة البناء البيولوجي للخلايا البشرية.
لقد كانت الثورة التي شهدها علم اضطرابات الجهازالعضلي الهيكلي نتيجةً للتقدم في مجال البيولوجيا الجزيئية والخلوية إلى جانب التطور في التصميمات الحديثة للزرع، حيث يعتبر مرض رأب المفاصل مثالا جيدًا على ذلك. فمنذ ستينات القرن، تم البدء في إنتاج بدائل للوركين والركبتين والكتفين والمفاصل الأخرى والتي يتم إستبدالها كنتيجة للإصابة بالإنتانات، أو الكسور أو الخلخلة أو التآكل أو ارتشاف العظم الناجم عن مخلفات التآكل (انحلال العظم). وعلى الرغم من أن هذه الإصابات تمثل مشكلة خطيرة، فإن التقنيات الجراحية الحديثة وأساليب التعقيم المتطورة، والمضادات الحيوية الوقائية ساهمت إلى حد كبير في الحد من الإصابة بها. فتصاميم الزرع الجديدة ساهمت في تقليص أخطار الكسور إلى حد كبير، كما انعكس التطور في التقنيات الجراحية على خفض التخلخل. وعلى الرغم من أن تلف العظام وتآكلها لايزالان يمثلان مشكلة، إلا أن استخدام المواد المحسنة مثل التيتانيوم وسبائك التيتانيوم قد تقلل من المشاكل التي قد تنجم عن استخدام المواد الأخرى المستخدمة في التصوير بالرنين المغناطيسي. كما أسهم التقدم في السبل العلاجية والمستخدمة حاليًا في التقليل من ارتشاف العظام والحد من إحتمال فشل الزرعات.
لقد استطاع الباحثون إنتاج نماذج فئران لاستخدامها في تحديد الجينات التي تسبب التشوهات العضلية الهيكلية، إلى جانب تقييم العلاجات والقرائن الجديدة المرتبطة بتشوهات النمو. ففي السنوات القليلة الماضية، شهد مجال جراحة تقويم العظام ثورة كبيرة نتيجة للتقدم في العلم الوارثي الجزيئي، بتحديد الجينات المسؤولة عن تطور العظام والغضاريف، إلى جانب التقدم في الاكتشافات الدوائية الحديثة. ومن المتوقع أن يشهد المستقبل تقدمًا كبيرًا في علم الجينوم الوظيفي.
تشتمل الأمراض الروماتيزمية على طيف من الاضطرابات العضلية الهيكلية والتهابات المفاصل واضطرابات الأنسجة الضامة التي غالبًا ما تصيب الأشخاص في مقتبل العمر. وتأتي الآلام الشديدة المصاحبة لها كنتيجة لصلابة وتورم موضع واحد أو أكثر في الجهاز العضلي الهيكلي. كما أن الخلل الوظيفي في هذه المنطقة قد يؤدي إلى صعوبة حركة المريض ومن ثم معاناته من العديد من المشاكل غير المتوقعة التي تؤثر على مساره التعليمي والمهني أو حتى على ممارسته للأنشطة العادية في حياته اليومية. وتشتمل الأمراض الروماتيزمية على أكثر من 100 مرض تؤثر على المفاصل والعظام والعضلات والأنسجة الرخوة والأعضاء الداخلية الأخرى في جسم الإنسان، وتتضمن التهابات المفاصل التنكسية، والتهابات المناعة الذاتية مثل هشاشة العظام، التهاب المفاصل الروماتويدي، اعتلال الفقار، التهاب المفاصل اليفعي مجهول السبب، والنقرس، إلى جانب أمراض النسيج الضام مثل الذئبة الحمامية الجهازية، تصلب الجلد (التصلب الجهازي). وقد تؤدي الإصابة بهذه الأمراض إلى حدوث مشاكل أخرى مثل التهاب القولون، ألم العضلات الروماتيزمية، متلازمة سوغرن والتهاب الأوعية الدموية (بما في ذلك التهاب الشرايين العملاقة).
وبالنسبة لمعدلات الإصابة بهشاشة العظام بين النساء، فإنها قد وصلت إلى 18% في الكويت، و13% بين الإناث فوق سن الأربعين في الأردن، وفي السعودية تتراوح النسبة ما بين 0٪ و 7٪ بين الإناث فوق 31 عاما وحوالي 28٪ بين النساء فوق سن الخمسين.
ويعاني أكثر من 7 ملايين شخص في أمريكا من الأمراض الروماتيزمية الالتهابية، وهناك 1.3 مليون إنسان بالغ مصاب بالتهاب المفاصل الروماتويدي، إلى جانب 161.000 – 322.000 إنسان بالغ مصاب بمرض الذئبة، وحوالي 300.000 طفل مصاب بأحد الأمراض الروماتيزمية. ومن بين أكثر الأمراض الروماتيزمية شيوعًا مرض التهاب المفاصل اليفعي مجهول السبب. وفي الولايات المتحدة الأمريكية، تصل معدلات الإصابة بمرض الروماتيزم إلى 8.4 % بين النساء و5% بين الرجال . كما يعتبر مرض هشاشة العظام هو السبب الرئيس للإصابة بالكسور، وخاصة في منطقة الورك والعمود الفقري والمعصم. وفي عام 1990، تم رصد 1.7 مليون بكسور في منطقة الورك العالم، ومن المتوقع لهذا الرقم أن يرتفع إلى 6 ملايين بحلول عام 2050, و هو ما يزيد من الاعباء المادية للقطاع الصحي حيث إنها تؤدي إلى الوفاة لدى 20٪ من الحالات المصابة، والإعاقة الدائمة لحوالي 50٪ من المصابين.
لقد توصل العلماء خلال العقود الماضية إلى العديد من الإكتشافات العلمية التي ساعدتهم على فهم المكونات الخلوية المتعددة التي تساعد على الاستجابة المناعية السريعة. فعلى سبيل المثال إستطاع العالم هنري كلامان عزل سلالات منفصلة من نخاع العظم وخلايا مناعية مستمدة من الغدة الصعترية. أما العالمان كانتور وبويس، فهما أول من استخدما واسمات سطحية لتحديد مجموعات فرعية من الخلايا التائية الوظيفية، مما مهد الطريق لإجراء المزيد من الدراسات على الجهاز المناعي. لقد توصل العلماء إلى حقيقة وجود سلالات متعددة من الخلايا المستمدة من نخاع العظام وأخرى مستمدة من مجموعات فرعية فريدة من نوعها من تلك السلالات والتي تلعب دورًا رئيسًا في المناعة البشرية للإنسان، إما كخلايا ذات تأثير مباشر أو كخلايا مناعية. وتشير الدراسات التي أجريت على التوائم أو على أمراض المناعة الذاتية لأفراد ينتمون إلى العائلة ذاتها إلى أن التأثيرات الجينية والبيئية قد تؤدي إلى الإصابة بالأمراض الروماتيزمية. فعلى سبيل المثال، يرتبط مرض التهاب الفقار اللاصق بالجين HLA-B27.
وفي بعض الأمراض الأخرى مثل مرض التهاب المفاصل الروماتويدي، والتهاب المفاصل اليفعي، والذئبة، قد يكون هناك تباين في الجين الذي يشفر الانزيم الذي يسمى البروتين غير التيروزين الفوسفاتيز غير المستقبل 22 (PTPN22). لقد اكتشف العلماء أن هناك أكثر من جين مسؤول عن الإصابة بمرض التهاب المفاصل الروماتويدي والتحكم في شدة الإصابة به.
وهناك بعض الأمراض التي تحفز العوامل البيئية الإصابة بها لدى من لديهم الإستعداد الجيني للإصابة بالمرض. وهناك أيضًا علاقة تربط ما بين فيروس إبشتاين- بار ومرض الذئبة. كما أن الإجهاد المفرط للمفصل نتيجة لإصاباته المتكررة قد يؤدي إلى الإصابة بالتهابات المفاصل. أما عن الإختلافات الهرمونية ما بين الذكور والإناث قد تلعب دورًا في الإصابة بالمرض، لذا نجد أن مرض الذئبة والتهاب المفاصل الروماتويدي وتصلب الجلد والألم العضلي الليفي من الأمراض الأكثر شيوعًا لدى النساء.
لقد مهد الباحثون في مجال علم أمراض الروماتيزم الطريق لاكتشاف علاقة الالتهاب المزمن المصاحب للعديد من الأمراض الروماتيزمية بزيادة معدلات خطر التعرض للاضطرابات التي تصيب مختلف أجهزة الجسم. كما تتضاعف إحتمالات تعرض الأشخاص المصابين بمرض التهاب المفاصل الروماتويدي مرتين للإصابة بأمراض القلب. ويعاني حوالي 40 % من المصابين بمرض الذئبة بتصلب الشرايين المبكر، مقارنة بنسبة 15 % لدى أقرانهم الأصحاء. أما التهاب الشرايين العملاقة فإنه يزيد من خطر تمدد الأوعية الدموية، كما يتسبب تصلب الجلد والذئبة في الإصابة بمتلازمة رينود.
وخلال السنوات الأخيرة، أحرز الباحثون تقدمًا كبيرًا في فهم العلاقة ما بين علم وظائف الأعضاء المتعلق بالعظام وبين العمليات الحيوية التي تحدث في جسم الإنسان بمختلف أعضائه وأنسجته، كما أنهم يعكفون حاليًا على التعرف على العلاقة ما بين الهيكل العظمي والجهاز العصبي والأنسجة الأخرى مثل الدهون والعضلات والغضاريف والجهاز المناعي؛ والهضم والتغذية (بما في ذلك دور الميكروبيوم) وعملية التمثيل الغذائي.
وفي ظل العديد من الاكتشافات الحديثة حول تأثير العوامل الوراثية على قابلية الإصابة بالمرض وشدته، يتسارع الإهتمام بالتطبيقات السريرية للبحوث العلمية. وتهدف الدراسات العلمية إلى اكتشاف الجينات المتسببة في الأمراض الروماتيزمية وتفاعلاتها، وربما استهدافها، لأغراض علاجية وتشخيصية. كما أن البحوث البشرية ذات التطبيقات السريرية تهتم بدراسة المؤشرات الحيوية المبكرة للمرض.
لقد ساهمت التطورات في البحوث البيولوجية لعلاج التهاب المفاصل الروماتويدي في تطوير الأدوية البيولوجية التي تمنع مسارات خلوية محددة. ويجرى العمل حاليًا على تصميم علاجات أخرى إستنادًا إلى معرفة آليات المرض، والتوصيف الجزيئي للأنواع الفرعية للمرض، والاستجابة الشخصية للمرض، والآثار الجانبية للأدوية المستخدمة. ويلائم هذا النهج الأمراض الأقل شيوعًا، مثل تصلب الجلد الذي يتم علاجه حالياً بعوامل تعمل على الأجهزة العامة المصابة بالالتهاب أو المناعة الذاتية، وليس على مسارات محددة للمرض.
وقد أحرز العلماء تقدمًا سريعًا في فهم الاضطرابات الشائعة مثل التهاب المفاصل الروماتويدي. كما تم البدء في تطبيق تقنيات مبتكرة مثل زرع الخلايا الجذعية والتصوير والتي من المتوقع أن تسهم بنتائجها في تحسين نوعية الحياة للأشخاص الذين يعانون من التهاب المفاصل الروماتويدي، حتى يستطيعون ممارسة حياتهم العائلية والعملية بفاعلية لفترة أطول بكثير مما كانوا يستطيعون بلوغه قبل عشرين عامًا.
على الرغم من أن جراحة العظام هو تخصص حديث نسبيًا، فإن له جذور عميقة تعود بتاريخها إلى الممارسات القديمة للإنسان البدائي في الحضارات القديمة، كما لا يزال العديد منها موجودًا حتى عصرنا الحالي. وبمرور الوقت، حدث تطور كبير في علاج العظام سواءًا من خلال التدخل الجراحي أو بدون جراحة.
وتشير الأدلة الأحفورية إلى أن الحالات المرضية الشائعة في وقتنا الراهن، مثل الكسور والبتر الرضحي، كانت موجودة في العصور البدائية. كما عثر في مصر القديمة على عكاكيز وجبائر في المومياوات مصنوعة من الخيزران والقصب والخشب أو لحاء الشجر، ومبطنة بالكتان. وقد وصفت إحدى البرديات، التي يرجح أنها لإمحوتب، حالات إرجاع الفك السفلي المخلوع، وعلامات إصابة العمود الفقري وفقراته، ووصف داء الصَعَر، وعلاج الكسور مثل كسور الترقوة، إلى جانب التصريف القيحي الناتج عن التهاب العظام.
وفي اليونان القديمة، قام أبقراط بتفصيل علاج خلع الكتفين والركبتين والوركين، وكذلك علاج الالتهابات الناجمة عن الكسور المركبة. وفي وقت لاحق وخلال أكثر عصور الإمبراطورية الرومانية إزدهارًا، إستطاع "جالينوس"، الذي اشتهر بلقب جَرّاح المصارعين، توفير أفضل رعاية ممكنة للجيش الروماني، كما قدم العديد من التقنيات والتعليمات التي كانت بمثابة ممارسات قياسية في العصور الوسطى. لقد درس جالينوس الهيكل العظمي والعضلات وعلاقة استجابة الدماغ للإشارات العصبية بما فيها الأعصاب والعضلات.
وفي عصور الإمبراطورية الإسلامية، استطاع ابن سينا وصف التهاب العظم والتهاب العظام المزمن وتشوهات العمود الفقري. اعتقد ابن سينا أن الحداب والجنف يصيبان أكثر من فقرة وأنهما قد ينتجان عن عوامل داخلية (يعتبر السل الشوكي هو السبب الرئيسي) أو عوامل خارجية بسبب كسور الصدمات والانخلاعات. قدّم العديد من التقنيات لعلاج الكتف المنخلع، وكانت التقنية المفضلة لديه هي تقنية أبقراط. ناقش ابن سينا المبادئ العامة لعلاج الكسور مثل استخدام الجبائر لعلاج كسور الفخذ، مع الأخذ في الإعتبار سوء تشخيص الكسور داخل المفصل والتي تؤدي إلى فقدان حركة المفاصل. وقد كانت لملاحظاته الدقيقة دور هام في إلقاء الضوء على العديد من المشاكل الخطيرة مثل متلازمة المقصورة والكسور المفتوحة وسوء الالتحام والالتهابات.
في العصر الحديث، صاغ نيكولاس أندري مصطلح "جراحة العظام"، وهي عبارة عن شقين أولاهما مأخوذ من كلمة (أورثوس) اليونانية بمعنى "المستقيم"، وثانيهما (بيديون) بمعنى "الطفل". نشر أندري كتاب عن جراحة العظام: فن تصحيح ومنع التشوهات في الأطفال. يتميز كتابه بنقش مميز عبارة عن شجيرة مثبتة على ركيزة. ويعرف هذا النقش حاليًا باسم "شجرة أندري"، والذي تم اعتماده من قبل العديد من جمعيات العظام على الصعيد الدولي.
وإذا كانت طموحات المرضى لا تقتصر على رغبتهم في العيش لفترة أطول بل تمتد للاستمتاع بحياة أكثر نشاطًا وإنتاجية، فقد يكون هذا هو ما دفع المتخصصون إلى تجاوز العديد من التحديات في هذا المجال من خلال تحسين الأجهزة المستخدمة وتحسين مواد الزرع. فعلى سبيل المثال، يهدف المتخصصون إلى تطوير عمليات زرع ركبة يحصلون من خلالها على حركة تحاكي الحركة الحقيقية للجسم وباستخدام تدخل جراحي بأقل درجة ممكنة.
لقد أحرزت جراحة العظام على مدار العقود الماضية تقدمًا سريعًا ترافق مع تطور العديد من التخصصات الفرعية المتعلقة بالعظام والعلوم الأساسية والبحوث السريرية. فمنذ الحرب العالمية الثانية، شهد هذا التخصص تطور في التقنيات العلاجية الجديدة المستخدمة بما فيها تغيير المفاصل وتنظيرها.
أما عن الأبحاث الحديثة فإنها تهتم بدراسة العوامل الوراثية والبيولوجية والميكانيكية المتسببة في ظهور العديد من الأمراض مثل التهاب المفاصل، من خلال البحث في أساسها الجزيئي وعمليات الإصلاح البيولوجي وأساليب الهندسة الحيوية لتجديد الأنسجة مع التركيز بشكل خاص على إصلاح الغضاريف، مع الأخذ بعين الاعتبار تقييم التقنيات الحديثة بما في ذلك استخدام المواد النشطة بيولوجيًا.
يستخدم الجراحون تقنية تطعيم العظام من أجل تحفيز تجديد العظام من خلال القيام بمجموعة متنوعة من الإجراءات يستخدمون خلالها إما العظام الذاتية أو بدائل طعوم العظام. ويهدف الباحثون إلى إنتاج بدائل طعوم عظمية مع خصائص بيولوجية ميكانيكية تتطابق مع العظام العادية وتسرع من عملية التجديد .
وسعيًا للتغلب على الأعراض الجانبية للطرق المستخدمة حاليًا، فقد اكتشف الباحثون استراتيجيات محلية مثل هندسة الأنسجة والعلاج الجيني، والتعزيز الجهازي لإصلاح العظام لمعالجة الحالات الجهازية مثل الاضطرابات الهيكلية وهشاشة العظام.
وتضيف الإستراتيجيات الواعدة المستخدمة في هندسة الأنسجة الكثير إلى رصيد الطب التجديدي للعظام، بهدف توليد أنسجة وظيفية جديدة تنشأ من الخلية بدلا من مجرد زرع السقالات غير الحية. ومن خلال الجمع ما بين مبادئ جراحة العظام وبين علم الأحياء والفيزياء وعلوم المواد والهندسة، ينجح تطبيق هذا الأسلوب في علاج الحالات التي تحتاج إلى تجديد لعظامها وللتغلب على محدودية الأساليب المستخدمة حاليًا في العلاج. وعلاوة على ذلك، فإن التطبيق السريري لهذا العلاج يسهم في توفير العديد من الخيارات لعلاج الغضاريف غير القابلة للإصلاح أو المفاصل التالفة. فعلى سبيل المثال، يختبر الباحثون حاليًا استبدال الغضروف التالف بالخلايا الجذعية المأخوذة من غضروف الركبة السليمة لدى الشخص، أو من نخاع العظام لديه، أو حتى من الدهون التي يتم الحصول عليها من خلال شفطها.
يتيح التطور في مجال البيولوجيا الخلوية والجزيئية إجراء تحليلات نسيجية مفصلة وتوصيف الأوساط داخل الخلايا وخارجها للخلايا التي تقوم بتكوين العظام والتعرف على التعبير الجيني للجينات والبروتينات المسؤولة عن عملية تجديد العظام وإصلاح الكسور. ويقوم الباحثون باختبار نوع من العلاج الجيني من خلال حقن الخلايا المعدلة وراثيًا في المفصل لمنع تلف الغضاريف.
وقد يكون استخدام "جراحات العظام البيولوجية" وتحفيز "البيولوجيا" المحلية من خلال تطبيق عوامل النمو مفيدًا لتجديد العظام أو حتى لتسريع شفاء العظام العادي بما يسهم في الحد من طول مدة علاج الكسور. ويتزايد الاستخدام السريري لهذه التقنية إما بمفردهما أو جنبًا إلى جنب مع طعوم العظام باستمرار. وعلى الرغم من ذلك، فهناك العديد من التحفظات بشأن استخدام هذه التقنية، بما في ذلك عناصر السلامة بسبب ارتفاع تركيز عوامل النمو اللازمة للحصول على الآثار المطلوبة من الطعوم المحرضة على تشكيل العظم، وارتفاع تكلفة العلاج، والأهم من ذلك، إمكانية تكوين العظام النقائلي. لقد ساهم العلاج البيولوجي في تغيير النهج المتبع في حالات التهاب المفاصل الروماتويدي، لقدرته على تحسين النتائج عند فشل سبل العلاج غير البيولوجية لتحقيق السيطرة الكافية على الأمراض.
وفي الآونة الأخيرة، تخضع عوامل "ترميم الغضاريف" للفحص المكثف فهي تحمي الغضروف من إصابته بالمزيد من التلف ويمكنها أن تلعب دورًا هامًا في الوقاية من الأمراض أو المساعدة في إبطاء تلف المفاصل أو حتى مقاومة المرض عن طريق تحفيز نمو الغضروف.
"أتصور الميكانيكا الحيوية كحليف قوي لا غنى عنه لطبيب العظام"
آرثر ستيندلر – 1933
يهتم تخصص ميكانيكا تقويم العظام بإيجاد حلول لمشاكل العظام من خلال الجمع ما بين مبادئ الهندسة وبين علوم المواد ذات الصلة المباشرة بالتطبيقات السريرية.
وتتطلب ميكانيكا تقويم العظام دراسة التشريح الأساسي والأنسجة العضلية الهيكلية، مع التركيز على التحليل الساكن للأجهزة الهيكلية، ميكانيكا العضلات، التحليل الهيكلي للعظام، آليات الشيخوخة، العلاج الدوائي، والقوى المؤثرة على المفاصل البشرية، ودراسة التكوين والسلوك الميكانيكي للمواد الحيوية المستخدمة في تقويم العظام، وعلم تصميم وتحليل الأجهزة التعويضية والزرع.
ومن خلال التعاون ما بين أساتذة الهندسة وعلماء الأحياء، تدرس المستويات الخلوية والجينية لآليات الجسم لحل مشاكل هندسة الأنسجة المتعلقة بالمفاصل في مرحلة الشيخوخة لدى السكان ممن يعانون من السمنة المفرطة، فضلا عن تناول آثار الإصابات الصادمة والأنشطة الرياضية لتحديد مدى جودة استبدال المفاصل وتقنيات إعادة التركيب. كما تدرس سبل استخدام الأطراف الصناعية التجريبية في استعادة ميكانيكا المفاصل الطبيعية والمدى الحركي الوظيفي لها.
وتسهم البحوث الأساسية والتطبيقية في تطوير أجهزة لتقويم العظام من أجل تحسين رعاية المرضى. كما تمثل البحوث المتعلقة بالمفاصل محورًا رئيسًا لجهود المختبرات في تعزيز تطوير النتائج الميكانيكية، بالتركيز على إعادة بناء المفاصل وإصلاحها وميكانيكيتها وميكانيكا البيولوجيا الخاصة بتكيف العظام وأداء أجهزة زرع العظام. ويتم ذلك من خلال دراسة إصابات المفاصل، والتهاب المفاصل اللاحق للصدمات، والفصال العظمي، وصدمات الأطراف، والإجهاد المفصلي المتعلق بالتخر المفصلي، ورأب المفاصل، وميكانيكا العظام المهددة أثناء علاج السرطان، والتدريب على المهارات الجراحية والمحاكاة.
وتقوم بعض المختبرات بدراسة كل من الاختبارات الميكانيكية والمحاكاة الحاسوبية التي تسمح للباحثين بإجراء اختبارات الإجهاد على العظام والزرعات، ومحاكاة الواقع. وتسهم أيضًا تقنية المحاكاة في مساعدة الجراح على اختبار أداء زرعة محددة حال الإجهاد من خلال محاكاة وزن المريض ومستوى النشاط، بما ينعكس على تحقيق نتائج أفضل للمرضى وعودته بشكل أسرع إلى ممارسة نشاطاته العادية. كما تسمح أجهزة الاستشعار المنغمسة داخل زرعة الركبة بقياس الأحمال مع المريض خلال الأنشطة العادية، وتقوم زرعات الركبة الإلكترونية أو الذكية (الركبة الإلكترونية) بقياس القوى في الركبة لدى المرضى أثناء إعادة التأهيل البدني. كما يستخدم الباحثون بيانات الركبة الإلكترونية لاستكشاف طرق تصميم جديدة للمساعدة في عمل زرعات في الركبة أقوى وأكثر مقاومة للتآكل، ولتطوير نظم إعادة التأهيل بهدف تحقيق نتائج أفضل للمرضى الذين هم بحاجة إلى تغيير المفصل.
ولا تقتصر ميكانيكا تقويم العظام على استخدام تقنية الجراحة الافتراضية لمساعدة الأطباء على إيجاد حول علاجية أفضل وتضييق الخيارات فحسب، بل إنها تحاكي إستجابة إصلاح العظام أو المفاصل للإجهاد مع مرور الوقت مع وضع حالة المريض الشخصية في الاعتبار. وتعتبر تقنية المحاكاة مناسبة تمامًا للعديد من حالات تقويم العظام، بما في ذلك: تغيير المفاصل، وإصابات العظام نتيجة الصدمات، وسرطان العظام، وآلام الظهر،ٍ والمفاصل المزمنة ومشاكل العظام لدى الأطفال.
كما تركز البحوث على التكيف الميكانيكي للعظم بهدف توفير السبل العلاجية للمحافظة عليه لدى المرضى المصابين بهشاشة العظام وعند التئام الكسور.
وعلاوة على ذلك، يمكن للبحوث أن تُحدث ثورة في علاج بعض الأمراض العضلية الهيكلية والاضطرابات، بما في ذلك التهاب المفاصل والفصال العظمي، من خلال تجربة إستخدام الطابعات الثلاثية الأبعاد التي قد توفر بديلا عن تغيير المفاصل وتحسن حياة المرضى من خلال زيادة الحركة وتقليل الألم في حالات المفاصل.
وقام باحثون آخرون بزراعة الغضروف الاصطناعي بالطعوم الخيفية من الغضروف البشري. وتهدف البحوث المتعلقة بالغضاريف إلى العلاج باستخدام زرعات بمواد حيوية جديدة، واختبار تصاميم زراعة المفاصل التي تحسن من التقنيات الجراحية والأدوات؛ وحتى برامج إعادة التأهيل. وعلى الرغم من أن هندسة أنسجة الغضروف تحمل وعودًا مستقبلية، إلا أنه ينبغي تكريس الجهود الحالية لتحسين الأداء المتعلق بعلم احتكاك المفاصل والحد من تآكل المفاصل الاصطناعية.
ويعتبر علم احتكاك المفاصل فرعًا من فروع الهندسة الميكانيكية وعلوم المواد التي تدرس الأسطح المتفاعلة أثناء الحركة النسبية، وهو يشمل دراسة وتطبيق مبادئ الاحتكاك والتزييت والتآكل. لقد تم إحراز تقدم كبير في فهم آليات علم احتكاك المفاصل للمفاصل الزليلية الطبيعية وتطبيق هذه المبادئ الهندسية لتحسين وظيفة المفاصل الاصطناعية.
ويدرس العلماء أيضا إمكانية استخدام الخلايا الجذعية كخيارعلاجي لهشاشة العظام، التي يمكن أن توفر الشفاء لآلاف من مرضى جراحات العظام الأصغر سنًا ممن لا يحتاجون إلى تغيير المفاصل أو الذين خضعوا لإجراء عملية جراحية غير مُرضِية لاستبدال المفاصل. وفي مجال علم الجينوم، تم البدء في تحديد الجينات المرتبطة بالتهاب المفاصل العظمي الذي قد يسهم في التشخيص المبكر للحالات المرضية ومن ثم إجراء تداخلات جراحية أقل.
ويعّد هذا المجال واحدًا من العديد من المجالات الطبية التي عزز التطور التكنولوجي تقدمها في علاج المرضى.
في العصر الحديث، صاغ نيكولاس أندري مصطلح "جراحة العظام"، وهي عبارة عن شقين أولاهما مأخوذ من كلمة (أورثوس) اليونانية بمعنى "المستقيم"، وثانيهما (بيديون) بمعنى "الطفل". نشر أندري كتاب عن جراحة العظام: فن تصحيح ومنع التشوهات في الأطفال. يتميز كتابه بنقش مميز عبارة عن شجيرة مثبتة على ركيزة. ويعرف هذا النقش حاليًا باسم "شجرة أندري"، والذي تم اعتماده من قبل العديد من جمعيات العظام على الصعيد الدولي.
وإذا كانت طموحات المرضى لا تقتصر على رغبتهم في العيش لفترة أطول بل تمتد للاستمتاع بحياة أكثر نشاطًا وإنتاجية، فقد يكون هذا هو ما دفع المتخصصون إلى تجاوز العديد من التحديات في هذا المجال من خلال تحسين الأجهزة المستخدمة وتحسين مواد الزرع. فعلى سبيل المثال، يهدف المتخصصون إلى تطوير عمليات زرع ركبة يحصلون من خلالها على حركة تحاكي الحركة الحقيقية للجسم وباستخدام تدخل جراحي بأقل درجة ممكنة.
لقد أحرزت جراحة العظام على مدار العقود الماضية تقدمًا سريعًا ترافق مع تطور العديد من التخصصات الفرعية المتعلقة بالعظام والعلوم الأساسية والبحوث السريرية. فمنذ الحرب العالمية الثانية، شهد هذا التخصص تطور في التقنيات العلاجية الجديدة المستخدمة بما فيها تغيير المفاصل وتنظيرها.
أما عن الأبحاث الحديثة فإنها تهتم بدراسة العوامل الوراثية والبيولوجية والميكانيكية المتسببة في ظهور العديد من الأمراض مثل التهاب المفاصل، من خلال البحث في أساسها الجزيئي وعمليات الإصلاح البيولوجي وأساليب الهندسة الحيوية لتجديد الأنسجة مع التركيز بشكل خاص على إصلاح الغضاريف، مع الأخذ بعين الاعتبار تقييم التقنيات الحديثة بما في ذلك استخدام المواد النشطة بيولوجيًا.
يستخدم الجراحون تقنية تطعيم العظام من أجل تحفيز تجديد العظام من خلال القيام بمجموعة متنوعة من الإجراءات يستخدمون خلالها إما العظام الذاتية أو بدائل طعوم العظام. ويهدف الباحثون إلى إنتاج بدائل طعوم عظمية مع خصائص بيولوجية ميكانيكية تتطابق مع العظام العادية وتسرع من عملية التجديد .
وسعيًا للتغلب على الأعراض الجانبية للطرق المستخدمة حاليًا، فقد اكتشف الباحثون استراتيجيات محلية مثل هندسة الأنسجة والعلاج الجيني، والتعزيز الجهازي لإصلاح العظام لمعالجة الحالات الجهازية مثل الاضطرابات الهيكلية وهشاشة العظام.
وتضيف الإستراتيجيات الواعدة المستخدمة في هندسة الأنسجة الكثير إلى رصيد الطب التجديدي للعظام، بهدف توليد أنسجة وظيفية جديدة تنشأ من الخلية بدلا من مجرد زرع السقالات غير الحية. ومن خلال الجمع ما بين مبادئ جراحة العظام وبين علم الأحياء والفيزياء وعلوم المواد والهندسة، ينجح تطبيق هذا الأسلوب في علاج الحالات التي تحتاج إلى تجديد لعظامها وللتغلب على محدودية الأساليب المستخدمة حاليًا في العلاج. وعلاوة على ذلك، فإن التطبيق السريري لهذا العلاج يسهم في توفير العديد من الخيارات لعلاج الغضاريف غير القابلة للإصلاح أو المفاصل التالفة. فعلى سبيل المثال، يختبر الباحثون حاليًا استبدال الغضروف التالف بالخلايا الجذعية المأخوذة من غضروف الركبة السليمة لدى الشخص، أو من نخاع العظام لديه، أو حتى من الدهون التي يتم الحصول عليها من خلال شفطها.
يتيح التطور في مجال البيولوجيا الخلوية والجزيئية إجراء تحليلات نسيجية مفصلة وتوصيف الأوساط داخل الخلايا وخارجها للخلايا التي تقوم بتكوين العظام والتعرف على التعبير الجيني للجينات والبروتينات المسؤولة عن عملية تجديد العظام وإصلاح الكسور. ويقوم الباحثون باختبار نوع من العلاج الجيني من خلال حقن الخلايا المعدلة وراثيًا في المفصل لمنع تلف الغضاريف.
وقد يكون استخدام "جراحات العظام البيولوجية" وتحفيز "البيولوجيا" المحلية من خلال تطبيق عوامل النمو مفيدًا لتجديد العظام أو حتى لتسريع شفاء العظام العادي بما يسهم في الحد من طول مدة علاج الكسور. ويتزايد الاستخدام السريري لهذه التقنية إما بمفردهما أو جنبًا إلى جنب مع طعوم العظام باستمرار. وعلى الرغم من ذلك، فهناك العديد من التحفظات بشأن استخدام هذه التقنية، بما في ذلك عناصر السلامة بسبب ارتفاع تركيز عوامل النمو اللازمة للحصول على الآثار المطلوبة من الطعوم المحرضة على تشكيل العظم، وارتفاع تكلفة العلاج، والأهم من ذلك، إمكانية تكوين العظام النقائلي. لقد ساهم العلاج البيولوجي في تغيير النهج المتبع في حالات التهاب المفاصل الروماتويدي، لقدرته على تحسين النتائج عند فشل سبل العلاج غير البيولوجية لتحقيق السيطرة الكافية على الأمراض.
وفي الآونة الأخيرة، تخضع عوامل "ترميم الغضاريف" للفحص المكثف فهي تحمي الغضروف من إصابته بالمزيد من التلف ويمكنها أن تلعب دورًا هامًا في الوقاية من الأمراض أو المساعدة في إبطاء تلف المفاصل أو حتى مقاومة المرض عن طريق تحفيز نمو الغضروف.
