בהליכה, ריצה, וריצה מהירה (ספרינט), כל תנועה של כף הרגל מותחת את גיד אכילס. העומסים הנוצרים בקפיצה יכולים להתקרב עד לפי עשרה ממשקל הגוף. למרבה הפלא, החיבור בין עצם העקב וגיד אכילס מסוגל לעמוד בפני העומסים האדירים הללו. כעת, צוות של רופאים, פיזיקאים, כימאים ומהנדסים מהאוניברסיטה הטכנית של מינכן (TUM), במימון קרן המחקר הגרמנית, גילה מדוע.
האתר שבו גיד, רצועה או קופסית מפרק (רקמת חיבור רכה) מתחברים לעצם (רקמת חיבור קשה) ידוע בשם אנתסיס enthesis. אזור זה מהווה בדרך כלל חלק מאוסף של רקמות אשר ביחד יוצרות את 'איבר האנתסיס'. תפקידו המרכזי: להפחית את ריכוזי העומסים בממשק הרקמה הקשה-רכה. 'איבר האנתסיס' הארכיטיפי באדם הוא זה של גיד אכילס.
כ-8000 גידי אכילס קרועים מטופלים בגרמניה מדי שנה, על אף שזה הגיד החזק ביותר בגוף האדם. הוא מחבר בין עצם העקב לשרירי השוק. הגיד קבל את שמו מגדול המצביאים והלוחמים במיתולוגיה היוונית, אכילס, שהוכרע על ידי חץ מורעל שפגע בעקבו.
"למרות שרופאים אורתופדים מטפלים מדי יום באנשים עם פציעות בגיד, אנחנו עדיין יודעים מעט מאוד על המבנה ההיסטולוגי המדויק בממשק הישיר בין עצם לגיד: התהליכים הביוכימיים, המיקרו-מכניקה והמיקרו-מבנה של הרקמה בקושי נחקרו," מדווח ד"ר ריינר בורגקארט, רופא בכיר, מנהל המחקר ויו"ר הקליניקה לאורתופדיה ואורתופדיה של הספורט ב TUM.
סיבים דקים, אחיזה מושלמת
הצוות הבינתחומי של ביוכימאים, ביופיזיקאים ורופאים הצליח לפענח את סודו של עקב אכילס. המומחים גילו שכבה של רקמה בין הגיד והעצם שכוללת סיבי חלבון דקים מאוד שמבטיחים את החוזק יוצא הדופן.
לפיכך, ספורטאים יכולים לדלג מעל משוכות בריצת ספרינט, לקפוץ מעל מוטות גבוהים ולשרוד נחיתות קשות מבלי לפגוע בחיבור בין הגיד לעצם העקב. למעשה, הסבירות לקריעה בגיד גבוהה יותר מאשר תלישה מרקמת עצם (הערה: בגיל המבוגר גדל הסיכוי לתלישת הגיד מהעצם בשל הזדקנות סיבי הקולגן).
"עד כה נהוג היה לחשוב שהגידים מתחברים ישירות לעצם, אך למעשה, יש אזור מעבר. רקמת הגיד מתפצלת לעשרות סיבים דקים בעלי הרכב ביוכימי מאפיין", מסביר פרופ' אנדריאס באוש, מנהל קבוצת המחקר הבינתחומי. "הסיבים הדקים מעוגנים היטב אל פני השטח המשוננים של העצם ועמידים ביותר מבחינה מכאנית."
תמונת מיקרוסקופ פלואורסצנטי של המעבר מגיד (בתמונה למעלה) לעצם (בתמונה למטה). ניתן לראות בתווך את הסיבים הדקים של קולגן סוג 2 (Image: Rossetti/Kuntz/TUM).
צוות בינתחומי: רפואה, פיזיקה, כימיה והנדסה
הסיבים הדקים התגלו באמצעות גישה חדשה למחקר בינתחומי: "החידוש בפועל בעבודה המחקרית נעוץ בעובדה שהפגשנו בין תהליכים רפואיים, פיזיקליים והנדסיים שונים," אומר באוש.
פיסת עצם עם גיד של חזיר, שהוכנה בקפידה על ידי הרופאים, הוצמדה וקובעה אל מנגנון. בשלב הבא, החוקרים כיוונו מיקרוסקופ אל שכבת הגבול שלאורכו הגיד והעצם גדלים יחד. באמצעות טכנולוגית צילומי מיקרוסקופ בקני מידה שונים, צולמו עשרות תמונות ושולבו לכדי תמונה אחת גדולה. "בדרך זו יכולנו לחשוף את מבנה הסיבים הדקים המפוצלים," ציין באוש.
הצוות השתמש בנוגדנים זוהרים כדי לגרום לחלבונים מסוימים להאיר. זוהי הנקודה בה התברר שההרכב הביוכימי של הסיבים הדקים שונה מזה של הגיד עצמו. בחלק השלישי של הניסוי, החוקרים הניעו את הגיד הלוך ושוב תחת עומס וצילמו את הסיבים. התוצאה: סיבים שונים פועלים בהתאם לכיוון העומס ומייצבים את אזור החיבור.
הבדיקות שהתבצעו במיקרוסקופ האור תוגברו באמצעות תמונות ברזולוציה גבוהה של מיקרוסקופ אלקטרונים. המדענים השתמשו גם במיקרו סי.טי כדי לייצג את אזור הממשק בשלושה ממדים. במקביל, החוקרים במחלקה לכימיה אורגנית זיהו את החלבונים השונים בגיד ובסיבי הממשק.
יישומים לרפואה בעתיד
"תוצאות אלו מאפשרות לנו להבין, בפעם הראשונה, את התהליכים הביוכימיים באזור המפגש בין עצמות וגידים אשר נותנים למערכת התנועה שלנו את החוזק הרב שלה," מסכם באוש.
קיים סיכוי טוב שבעתיד יפותחו יישומים אפשריים במחקר חומרים, כמו גם ברפואה: מהנדסים יוכלו לייצר קשרים חדשניים בין חומרים קשים ורכים, וכירורגים אורתופדיים יוכלו לחבר בין גידים לשתלים.
מקורות:
The microstructure and micromechanics of the tendon–bone insertion, Rossetti et al., Nature Materials, online, 2017
Development of the human Achilles tendon enthesis organ, Shaw et al., 2008
תמונות: dreamstime
Rossetti/Kuntz/TUM
