Начало >> Статьи >> Архивы >> Ревматические болезни

Костная ткань - Ревматические болезни

Оглавление
Ревматические болезни
Анатомия и функции суставов
Соединительная ткань
Хрящевая ткань
Костная ткань
Роль нарушений иммунитета и воспаления при ревматических заболеваниях
Иммуногенетическая предрасположенность к развитию аутоиммунных ревматических заболеваний
Регуляция цитокиновой сети
Металлопротеиназы
Аутоиммунитет
Генетика ревматических заболеваний
Клинические и инструментальные методы оценки состояния опорно-двигательного аппарата
Артроскопия
Общий анализ крови
Показатели острофазового ответа
Общий анализ мочи
Исследование ферментов
Исследование белков крови
Исследование синовиальной жидкости
Морфологические методы исследования и диагностики в ревматологии
Морфологическая диагностика ревматических заболеваний
Фармакотерапия
Глюкокортикостероиды
Другие противовоспалительные средства
Иммунотропные средства
Иммуноглобулин (внутривенное применение)
Медленно действующие средства лечения при ревматоидном артрите
Противоподагрические средства
Средства для профилактики и лечения при остеопорозе
Средства, усиливающие синтез костной ткани
Локальная лекарственная терапия
Общие принципы и техника внутрисуставного введения лекарственных средств
Техника внутрисуставных пункций
Экстракорпоральные методы лечения
Лучевая терапия
Реабилитация
Номенклатура и классификация ревматических болезней
Эпидемиология ревматических заболеваний
Ревматизм
Системная красная волчанка
Диффузный эозинофильный фасциит
Идиопатические воспалительные миопатии
Болезнь Шегрена
Смешанное заболевание соединительной ткани
Ревматическая полимиалгия
Рецидивирующий полихондрит
Системные васкулиты
Узелковый полиартериит
Гранулематоз Вегенера
Геморрагический васкулит
Болезнь Такаясу
Болезнь Кавасаки
Гигантоклеточный артериит
Облитерирующий тромбангиит
Болезнь Бехчета
Ревматоидный артрит
Классификация ревматоидного артрита
Фармакотерапия ревматоидного артрита
Реабилитация ревматоидного артрита
Лечение ревматоидного артрита
Ювенильный ревматоидный артрит
Серонегативные спондилоартриты
Идиопатический анкилозирующий спондилоартрит
Псориатический артрит
Реактивные артриты и синдром Рейтера
Серонегативные спондилоартриты при неспецифическом язвенном колите и болезни Крона
Бактериальные артриты
Гонорея
Бруцеллез
Туберкулез
Лаймская болезнь
Сифилис
Вирусные инфекции
Болезнь Уиппла
Подагра
Пирофосфатная артропатия
Болезни отложения кристаллов основных фосфатов кальция
Остеоартроз
Ортопедическое лечение остеоартроза
Палиндромный ревматизм
Интермиттирующий гидрартроз
Мультицентрический ретикулогистиоцитоз
Синовиальная саркома
Синовиальный хондроматоз
Пигментный виллезонодулярный синовит
Идиопатический диффузный гиперостоз скелета
Болезнь Шейермана—May
Болезни внесуставных мягких тканей
Заболевания скелетных мышц
Тендиниты и тендовагиниты
Ганглий
Энтезопатии
Бурситы
Капсулиты
Заболевания фасций и апоневрозов
Синдром фибромиалгии
Синдром хронической усталости
Остеопороз
Остеомаляция
Костная болезнь Педжета
Гипертрофическая остеоартропатия
Ишемические некрозы костей
Ревматические проявления наследственных заболеваний
Ревматические проявления метаболических заболеваний
Ревматические проявления эндокринных заболеваний
Ревматические проявления болезней системы крови
Ревматические проявления саркоидоза
Ревматические проявления злокачественных опухолей
Ревматические проявления инфекционного эндокардита
Ревматические проявления альгодистрофии
Ревматические проявления нейроартропатий

Благодаря исследованиям последних четырех десятилетий, представления о кости как о статическом опорном органе сменились динамической концепцией, согласно которой кость рассматривается как активно живущая ткань, постоянно перестраивающаяся в течение всей жизни индивида. Наряду с опорной и защитно-механической кость выполняет ряд других жизненно важных функций. К ним в первую очередь относится обменно-гомеостатическая функция, обусловленная участием костной ткани как депо минералов в регуляции водно-минерального обмена и постоянства концентрации Са2+ в крови. Сюда же следует отнести и функцию гемопоэза, а также тесно связанную с ней роль источника постоянного самообновления клеток во всей системе тканей внутренней среды организма [Фриденштейн А. Я., Лалыкина К. С., 1973].
Костная ткань как один из типов соединительной ткани состоит из клеточных элементов и межклеточного вещества, образованного из основного вещества, и ориентированных определенным образом пучков коллагена. Специфическую особенность костной ткани придают встроенные в органическое вещество (матрикс костной ткани) кристаллы минерала, главным образом гидроксиапатита, из-за чего костную ткань относят к классу биокомпозитных материалов.
Анатомия и макроструктура кости. В совокупности элементов конструкции скелета различают длинные трубчатые кости (плечевая, бедренная и др.), плоские, или широкие (грудина, лопатка, кости свода черепа и др.) и короткие, или объемные (позвонки, кости лодыжки и запястья). Позвоночный столб, кости таза и нижних конечностей относятся к аксиальному скелету, остальные элементы —к периферическому. Кости различаются не только по форме, но и по разному соотношению в их структуре компактной и трабекулярной ткани.
В длинных трубчатых костях, которые представляют собой более или менее правильной формы цилиндры, различают среднюю часть — диафиз, периферию — эпифизы (проксимальный и дистальный) и переходные от диафиза к эпифизам зоны, или метафизы. В растущих костях здесь располагается слой хрящевой ткани, называемый ростовой пластинкой.
Диафизы сформированы тонкой и плотной костной тканью (компактная кость), тогда как эпифизы состоят в основном из губчатой пористой ткани (трабекулярная кость). Пространства, заключенные между трабекулами, заполнены костным мозгом. Костная ткань контактирует с мягкими тканями двумя поверхностями: внешней, или периостальной, и внутренней, или эндостальной. Эти поверхности выстланы остеогенными клетками, которые формируют важные анатомические структуры кости — соответственно периост и эндост.
Между компактной и трабекулярной костью существуют качественные структурные различия: компактная кость минерализована на 80—90%, тогда как трабекулярная — лишь на 15—20% [Baron R., 1990]. Функциональные же их различия состоят в том, что первая выполняете основном опорную функцию, а вторая — метаболическую. Содержание губчатого вещества в различных костях приведено в табл. 1.3.
Микроструктура кости. Оба типа костной ткани (компактная и трабекулярная) состоят из одинаковых клеточных элементов и межклеточного вещества, составляющего органическую основу ткани, а также минеральных веществ.
А.  Органический матрикс и основные гистологические типы костной ткани. От 85 до 90% костных белков составляют фибриллы коллагена I типа. Это наиболее часто встречающаяся форма коллагена во всех типах соединительной ткани. Кроме того, костная ткань содержит в небольшом количестве другие изоформы коллагена, различающиеся аминокислотным составом первичных (тропоколлагеновых) молекул и способностью связывать минералы, а также белки неколлагеновой природы [Baron R. 1990].
Различают несколько уровней микроструктурной организации органического матрикса [Кнетс И. В. и др., 1980]:

Таблица 1.3. Масса губчатого вещества и скорость перестройки костной ткани различных звеньев скелета [Ступаков Г. П., Воложин А. И., 19891


Кость скелета

Масса губчатого вещества, г

Скорость физиологической перестройки, % в год

Позвонки

330

8,3

Тазовая

40

6,5

Бедренная:

130

5,7

проксимальный отдел

 

 

дистальный отдел

130

2,5

Крестец

25

6,5

Большая берцовая

160

4,1

Малая берцовая

5

4,1

Кости стопы

15

4,1

  1. макромолекулы тропоколлагена (биополимеры), с которыми соединены кристаллы минерала (в основном гидроксиапатита); молекула тропоколлагена имеет трехмерную организацию (точное строение молекулы неизвестно), а наличие в структуре ее боковых цепей аминокислот глицина и пролина придает ей биологическую уникальность [Baron R., 1990];
  2. микрофибриллы коллагена, представляющие собой 5 (по мнению других авторов — 3) спирально перевитых между собой молекул тропоколлагена;
  3. более крупные фибриллы коллагена (диаметром до 100—200 нм), состоящие из микрофибрилл и также окруженные кристаллами гидроксиапатита, которые ориентированы вдоль продольной оси фибрилл;
  4. костные пластины, или ламеллы, состоящие из фибрилл, скрепленных межклеточным веществом кости (гликозаминогликаны, гликопротеиды);
  5. костные пластины, которые, накладываясь слоями, образуют гладкие поверхности (в трабекулярной кости) либо, накапливаясь концентрически вокруг микрокапилляра, формируют остеонные структуры, или гаверсовы системы (в компактной кости).

Пластинчатая кость, представляет собой основной гистологический тип костной ткани, хорошо различимый в поляризационном микроскопе. Второй тип — ретикулофиброзная, или грубоволокнистая, кость — формируется при быстром развитии ткани (в эмбриогенезе, при репаративной регенерации, в опухолевых образованиях и при некоторых болезнях кости метаболической природы) [Ревеля П. А., 1993].
Если первые 3—4 структурных уровня организации костной ткани характеризуют ее как материал, то последний уровень — остеонной организации компактной кости и решетчатой структуры в спонгиозе — определяет конструкционные свойства кости.
Существенную часть органического матрикса кости составляют неколлагеновые белки (НКБ), на долю которых приходится 10—15% общих белков кости. Примерно четвертая часть этих белков происходит из белков плазмы, абсорбированных костным матриксом. Остальные синтезируются костными клетками.
По функциональным признакам различают четыре основные группы НКБ: 1) ПГ;

  1. белки, обеспечивающие клеточные контакты;
  2. белки, содержащие остатки гамма-карбоксиглутаминовой аминокислоты (gla-белки) и 4) белки, стимулирующие рост кости. Эти общие признаки далеко не полностью охватывают индивидуальную роль каждого из НКБ, которая для многих из них остается неизвестной [Termine J. D, 1990].

Протеогликаны — макромолекулярные белково- углеводородные комплексы (см. разделы 1.2 и 1.3). В органическом матриксе костной ткани их роль очень важна: они обеспечивают консолидацию коллагеновых фибриллярных комплексов и связь коллагенов с кристаллическими структурами минералов. Детальное изучение физико-химической основы связи коллаген — протеогликаны — кристалл позволяет описывать ее как трехмерную структуру с позиции физики жидких кристаллов [Голубев С. Н., 1987]. Этой структуре придается решающая роль в формировании механических свойств костной ткани.
Ко второй группе НКБ относят белки, обеспечивающие клеточные контакты: тромбоспондин (ТС), фибронектин (ФН), костный сиалопротеин (КСП) и остеопонтин (ОП) (перечисляются в порядке уменьшения молекулярной массы). Они имеют различную пространственную структуру (от трехмерной до мономеров), разные молекулярные массы (от 50 000 до 450 000 Da), но их объединяет функция обеспечения межклеточного взаимодействия. Индивидуальная их роль до конца неизвестна, но поскольку их всегда выделяют из минерализованного клеточного матрикса, полагают, что ТС, КСП и ОП обладают способностью связывать ионизированный кальций.
В третью группу НКБ объединены гамма-карбоксилированные белки на основе наличия в их структуре остатков гамма-карбоксиглутаминовой аминокислоты (glu). Это низкомолекулярные мономеры: матриксный glu-протеин (МГП), который содержится в костной и хрящевой тканях и функция которого неизвестна, и костный gla-протеин, или остеокальцин (ОК). Синтез ОК в остеобластах стимулируется активным метаболитом витамина D— l,25-(OH)2-D3. ОК в свою очередь является стимулятором ремоделирования костной ткани. До конца неясно, действует ли ОК совместно с МГП или самостоятельно, но так или иначе его активность служит маркером скорости костеобразования при метаболических заболеваниях костной ткани.
Наконец, четвертая группа НКБ представлена минорными белками, объединенными в группу ростовых факторов. Полагают, что такие белки, как трансформирующий ростовой фактор β (ΤΡΦ-β) или инсулиноподобный ростовой фактор-1 (ИРФ-1) синтезируются остеобластами и стимулируют их рост по принципу аутокринного и/или паракринного эффекта [Termine J. D., 1990].
Б. Клеточные элементы и транспортная система. Костная ткань вместе с соединительной и хрящевой входит в систему тканей внутренней среды организма. Несмотря на различие функций, их объединяет наличие в их структуре фибробластоподобных клеток, которые при всем их разнообразии имеют одно общее свойство — способность к синтезу коллагена [Фриденштейн А. Я., Лалыкина К. С., 1973]. По этому признаку все разновидности коллагенсинтезирующих клеток (включая фибробласты, хондробласты, ретикулярные клетки) объединяют в одну категорию — механоцитов.
Остеогенные клетки входят в состав образований, выстилающих кости снаружи (периост), а также внутренние поверхности костей: стенки каналов трубчатых костей, каналов остеонов (гаверсовы каналы) и полостей губчатых костей (эндост). Благодаря кооперативной деятельности клеточных элементов различных типов, находящихся в эндосте и периосте, осуществляются рост, физиологическая перестройка, питание и репаративная регенерация костной ткани.
Остеобласты (ОБ) — мононуклеарные клетки округлой формы (диаметр 20—40 мкм), выстилающие костные поверхности, в основном со стороны эндоста, и располагающиеся преимущественно в виде блоков из 100—400 клеток на формирующейся поверхности кости [Baron R., 1990].
Остеогенные клетки, в частности остеобласты, большинством исследователей рассматриваются как производные от стволовых клеток стромы костного мозга (в свою очередь мезенхимального происхождения), хотя вопрос о природе клеток-предшественников остеобластов еще дискутируется [Фриденштейн А. Я., Лалыкина К. С., 1973].
Главная функция ОБ — синтез коллагена (тропоколлагена), образующего основу органического матрикса кости. Наряду с этим ОБ синтезируют ряд НКБ (гликопротеины, остеокальцин, остеонектин, остеопонтин и костный сиалопротеин) и ферментов (щелочная фосфатаза, коллагеназа, активатор плазминогена). Остеобласты также участвуют в транспорте кальция и фосфатов в костный матрикс.
Располагаясь слоями на поверхности кости, активированные ОБ формируют остеоид, который содержит очаги кальцификации, распространяющиеся постепенно на всю молодую кость. Период созревания остеоида около 10 дней [Baron R., 1990]. Границу между остеоидом и костью называют фронтом минерализации. Синтез и секреция коллагена осуществляются по всей поверхности синцития ОБ и поэтому матрикс, минерализуясь в процессе созревания кости, замуровывает всю клетку, которая преобразуется в остеоцит.
Остеокласты (ОК) — многоядерные гигантские клетки (диаметр до 50 мкм), расположенные на внутренних поверхностях трабекулярных и компактных образований костей. Они происходят из циркулирующих мононуклеарных клеток, в свою очередь развивающихся из кроветворных стволовых клеток (ангиогенного ростка) костного мозга [Eriksen Т. Е., Kassem М., 1992]. На одной из своих поверхностей, примыкающей к костному матриксу, они имеют так называемую зубчатую (или оборчатую) кайму, представляющую собой периодические инвагинации цитоплазмы с многочисленными микроворсинками. Именно в этой зоне ОК осуществляют свою основную функцию — резорбцию костного матрикса. Эта функция реализуется благодаря наличию в этих участках цитоплазмы так называемого протонного насоса, который формирует в зоне «каймы» кислую среду. Растворению кости способствует секреция остеокластами протеаз, кислой фосфатазы и других лизосомальных ферментов. Содержание кислой фосфатазы в крови (а также определение содержания тартратрезистентной кислой фосфатазы) служит маркером уровня резорбции кости.
Активность зрелых ОК стимулируется различными гормонами и медиаторами: паратгормон (ПТГ)и связанный с ним низкомолекулярный белок, трансформирующий фактор роста β (ΤΦΡ-β), лимфотоксин, ИЛ-1, возможно ФНО. Ингибиторами ОК также являются некоторые гормоны: кальцитонин (КТ), эстрогены, а также локальные ростовые факторы (ΤΦΡ-β) и другие посредники межклеточного взаимодействия—цитокины (гамма-интерферон, простагландин). Вопрос о характере действия эстрогенов на ОК, как и на ОБ, дискутируется.
Остеоциты (ОЦ) — наиболее многочисленная клеточная популяция костной ткани, представлены мелкими округлыми одноядерными клетками, которые являются финальной стадией жизни остеобластов. Они располагаются в специфических остеоцитарных лакунах, число которых достигает 25 000 на 1 мм3. ОЦ имеют высокий уровень метаболической активности и способны к синтезу коллагена, ГАГ, лизосомальных ферментов [Baron R., 1990].
Основной их функцией является, по-видимому, обеспечение обмена веществ (белков, воды, ионов) внутри костной ткани. Обмен веществ осуществляется через цитоплазматические отростки ОЦ, которые контактируют с аналогичными отростками других ОЦ или с остеобластами в эндосте и периосте. Контакты образуются в процессе формирования матрикса на стадии остеоида. Впоследствии, минерализуясь, они формируют сеть каналикулов, сплошь пронизывающую костный матрикс. Микро пространств а, находящиеся между плазматической мембраной ОЦ и собственно матриксом (остеоцитарные лакуны и каналикулы), заполнены внеклеточной жидкостью и называются периостеоцитарными. Общая площадь периостеоцитарного пространства (ПОП) составляет у взрослого человека, по разным данным, от 1000 до 5000 м2 (для сравнения: площадь легочных капилляров 140— 150 м2) [Ревелл П. А., 1993]. Общий объем ПОП 1,0—1,5 л. Концентрация Са2+ в ПОП (0,5 ммоль/л) ниже таковой в плазме крови (1,5 ммоль/л), что подтверждает возможность постоянного тока Са2+ извне в кость.
К дополнительным функциям ОЦ относят возможное их участие в формировании новой кости, а также в резорбции кости (так называемый остеоцитарный остеолизис), однако последнее дискутируется [Eriksen Т. F., Kassem М., 1992].
Хондроциты — основные клеточные элементы хрящевой ткани, имеющие общее мезенхимальное происхождение с остеогенными клетками и замещающиеся костью при энхондральном костеобразовании. Они имеют многочисленные разветвленные, сообщающиеся между собой цитоплазматические отростки и в наибольшем количестве представлены в поверхностных зонах хряща. Хрящевая ткань, состоящая из хондроцитов и хрящевого внеклеточного матрикса, благодаря данным, полученным при исследованиях последних лет, рассматривается как активный участник остеогенеза, в частности при энхондральном костеобразовании [Baron R., 1990].

В.   Минеральная фаза и биоминерализация.

В свежей костной ткани человека содержится 60% Са(РО)4, около 6% СаСО, и около 1,5% Mg(PO)4. В целом кости скелета содержат примерно 95% всех неорганических веществ организма, в том числе 99% всего кальция, 87% — фосфора и 58% — магния [Ревеля П. А., 1993]. Полагают также, что в составе костной ткани может присутствовать не менее 10 минералов класса апатитов, но у человека и высших позвоночных это в основном гидроксилированный фосфат кальция, или гидроксиапатит. Полагают также, что кристаллы гидроксиапатита могут абсорбировать аморфный карбонат кальция либо, что СаС03 может гомогенно включаться и в решетку кристалла [Голубев С. Н., 1987], однако эти положения остаются предметом дискуссии. Важно отметить изменчивость состава минеральной фазы, в частности костей человека, что может проявляться в изменении отношения Са/Р (теоретически равное 1,67 для гидроксиапатита).
Описаны два разных механизма биоминерализации, один из которых наблюдается в хрящевой ткани и примитивной грубоволокнистой кости, другой — в пластинчатой (ламеллярной) костной ткани [Ревелл П. А., 1993; Termine J. D., 1990]. Механизм первого типа известен с середины 70-х годов как концепция матриксных пузырьков. Последние представляют собой мельчайшие (> 100 нм в диаметре) мембраносвязанные тельца, которые путем экзоцитоза отделяются от клеточной мембраны, мигрируют в свободные пространства внеклеточного матрикса и служат ядром формирования кристаллов гидроксиапатита 50 х 200 х 400 нм [Termine J. D., 1990].

В пластинчатой кости матриксные пузырьки встречаются реже ввиду более плотной упаковки в ней фибрилл коллагена. В процессе резорбции главную роль играют остеокласты и другие одноядерные клетки макрофагального типа. Структурные проявления резорбции в компактном веществе кости описывают как «конусовидные выемки», а в губчатом (трабекулярном) — как резорбтивные выемки, или лакуны Хаушипа. Глубина их составляет 40—60 мкм.
Продолжительность резорбции у нормальных субъектов среднего возраста составляет 40—50 дней в губчатой кости и около 30 дней в кортикальной. В этом возрасте скорость обновления скелета составляет в среднем 8% массы костной ткани в год, однако она различна в компактном веществе кости (около 4%) и в губчатом (около 20%).
Совокупность клеток в зоне резорбции — новообразования, их функциональное взаимодействие и результат этого взаимодействия объединяют условным понятием «блок ремоделирования» (bone remodeling unit — BRU) [Eriksen T., Kassen M., 1992]. Насчитывают около 2 млн таких единиц, активных в скелете человека в любой момент времени. Их значительно больше в трабекулярной кости, где отношение площади поверхности к объему ткани значительно выше, чем в компактной кости. Поэтому нарушения процессов ремоделирования, которые имеют место, например при почечной остеодистрофии или остеопорозе, более выражены в губчатой кости, чем в кортикальной. В среднем возрасте практически вся масса костной ткани (97%), подвергшейся рассасыванию, замещается при «новообразовании». По мере старения нарастает дефицит восполнения деградированной ткани одновременно в тысячах BRU, что суммируется в виде потери костной массы с возрастом, и обозначается как инволютивный остеопороз. Существенную роль в этом процессе играет сложная иерархия регуляций метаболизма костной ткани и кальция в организме.

Д. Физиологическая регуляция метаболизма костной ткани и кальциевого гомеостаза организма.

Метаболизм кальция в костной ткани (в процессе роста, развития, ремоделирования) и поддержание кальциевого гомеостаза в организме (постоянства концентрации кальция в крови в пределах 2,1—2,6 ммоль/л) — сопряженные процессы. Их согласованность регулируется и контролируется на системном уровне (так называемые дистантные регуляторы), а также локальными, или местными, факторами. Большое количество литературных источников по этому вопросу содержит во многом противоречивые данные. Здесь рассмотрены лишь общепринятые положения.
Системная регуляция. Паратгормон (ПТГ)—пептидный гормон околощитовцдных желез, является одним из главных факторов поддержания на постоянном уровне концентрации Са2+ в крови и во внеклеточной жидкости, реагируя в первую очередь на гипокальциемию. Его клетки-мишени находятся в костной ткани, кишечнике, почках. Главный эффект ПТГ — мобилизация Са2+ из костного депо и уменьшение его экскреции с мочой с одновременным увеличением выведения фосфатных ионов. Увеличенный выход Са2+ из кости реализуется повышением уровня резорбции за счет увеличения количества и активности остеокластов.
Получены данные о дозозависимых различиях эффектов ПТГ на остеобласты: стимулирующее действие низких концентраций на синтетическую и пролиферативную активность ОБ [Schaffner W. et al., 1987; Canalis E., 1990] и угнетение продукции костного материала высокими дозами ПТГ.
Кольцитонин (КТ) — пептидный гормон щитовидной железы, синтезирующийся в ее С-клетках (парафолликулярных). КТ оказывает тормозящее влияние на процесс резорбции костей вследствие снижения активности остеокластов и уменьшения их продукции из предшественников.
Существуют сложные взаимоотношения КТ и группы гастроинтестинальных гормонов, в частности гастрина. Смысл их состоит в том,что КТ препятствует избыточному увеличению содержания Са2+ в крови, наступающего после приема пищи и стимулируемого гастроинтестинальными гормонами.
Основная роль метаболитов витамина D—1,25- (OH)2D3 (кальцитриол) и 24,25-(OH)2D3 в кальциевом гомеостазе состоит в облегчении всасывания кальция в кишечнике, осуществляемого с помощью Са2+-связывающего белка в эпителиальных клетках кишечника.
Системные (гормональные) и локальные регуляторы ремоделирования костной ткани пo Canalis Е., 1990]

Действие метаболитов витамина D на костную ткань неоднозначно и, так же как их циркуляция в организме, зависит от уровня Са2+ и других кальций-тропных гормонов в крови. Это связано, по-видимому, с тем, что эффекты витамина D чаще всего реализуются с помощью посредников. Полагают, что специфической функцией кальцитриола является участие в процессе дифференциации клеток остеокластического ряда; изучаются механизмы его тормозящего эффекта на синтез коллагена в остеобластах [Canalis Е., 1990].
В системной регуляции кальциевого гомеостаза заметная роль принадлежит ряду других гормонов. К их числу относятся тиреотропные гормоны, глюкокортикоиды, гормоны роста, половые гормоны, а также гастроинтестинальные гормоны. Их изолированное действие и особенно кооперативные эффекты во многом неясны и активно изучаются. Известно, что благодаря наличию рецепторов к глюкокортикостероидам в цитоплазме остеобластов возможен прямой ингибирующий эффект, в частности кортизола, на синтетическую активность этих клеток, что приводит к замедлению костеобразования.
Локальные факторы регуляции. Тонкая регуляция описанной выше последовательности фаз, ремоделирования осуществляется при участии большого числа так называемых местных, или локальных, факторов, чаще всего пептидной природы, которые взаимодействуют с системными регуляторами и другими биологически активными веществами (простагландины, цитокины и др.).
В ряду местных регуляторов анаболической природы выделено несколько так называемых ростовых факторов — полипептидов, общим свойством которых является способность стимулировать митогенетическую активность клеток-мишеней. Полипептиды синтезируются различными клетками и тканями, включая костную. Свое влияние они реализуют преимущественно локально, действуя на мембранные рецепторы клеток или через межклеточные контакты, что и позволяет определять их эффекты как паракринные или аутокринные.
Большую роль в анаболической фазе ремоделирования играют упомянутые выше гликопротеиды и неколлагеновые белки: фибронектин, остеонектин, остеопонтин, остеокальцин и т. д. В тканевой регуляции катаболической фазы ремоделирования значительное место занимают такие простагландины и цитокины, как остеокластактивирующий фактор, ИЛ-1В и ФНО. Многие из них действуют как факторы межклеточного хемотаксиса. Их эффекты неоднозначны, и для многих цитокинов они зависят, в частности, от взаимодействия с другими локальными регуляторами.
В целом данные о механизмах системной и локальной регуляции ремоделирования остаются недостаточными и во многом противоречивыми. Можно, однако, полагать, что координация взаимодействия системных и местных факторов в регуляции метаболизма костной ткани и кальциевого гомеостаза осуществляется на принципах иерархической соподчиненности. С одной стороны, кооперативная деятельность локальных регуляторов способна относительно автономно на своем (горизонтальном) уровне обеспечить баланс процессов резорбции и новообразования адекватно внешнему «механическому полю» (в известных пределах и в определенных зонах скелета). Эти эффекты «локальных гормонов» могут подвергаться коррекции со стороны системных регуляторов соответственно изменениям внешних условий и внутренней среды организма.

Е. Биомеханика и функциональная адаптация костной ткани.

 Впервые А. Монро во второй половине XVIII века высказал предположение о том, что формообразование костей есть результат интеграции всей совокупности внешних механических воздействий («внешнего механического поля») с помощью ремоделирования костной ткани.
Благодаря этой постоянно текущей на протяжении всей жизни индивида физиологической перестройке костная ткань поддерживает свои качества (главным образом механические свойства) сообразно меняющимся требованиям внешнего механического поля. Этот процесс называется функциональной адаптацией. В настоящее время еще нет полной ясности относительно того, какие факторы внешнего механического поля оказывают решающее влияние на процессы ремоделирования: прямые ли это эффекты, и, если нет, то чем они опосредованы, и, главное, как механические воздействия трансформируются в сигналы межклеточного взаимодействия. В настоящее время в этой области ведутся интенсивные исследования.
Механические свойства костей in vitro изучают на основании анализа кривой зависимости напряжение — деформация [Кнетс И. В. и др., 1980] (рис. 1.5). Здесь различают линейный участок (зона Гука, или зона пропорциональности), в пределах которого деформация испытуемого образца под воздействием прикладываемой нагрузки (напряжение Р,) полностью обратима. Вторая часть кривой (зона пластичности, или текучести) отражает начало необратимых изменений материала до полного его разрушения. Эта «предельная разрушающая нагрузка» (Р2) определяет величину «несущей способности» кости как конструкционного элемента или величину предела прочности костного материала.


Рис. 1.5. Изменение соотношения напряжения и деформации при испытании материала на сжатие (схема). Объяснение в тексте.

По соответствующим точкам кривой напряжение — деформация определяют (или рассчитывают) другие специфические биомеханические параметры костной ткани; так, для кости как конструкции: несущая способность (нагрузка в точке Р2); предел упругой деформации (dL), предел пропорциональности (σ — величина нагрузки в точке Р), жесткость (P/dL) и энергию упругой деформации (P,dL); для кости как материала: предел прочности (σ2=Ρ JS, где S — площадь поперечного сечения образца), относительную упругую деформацию (E=dl/L), жесткость материала, или модуль упругости (Ε=σ/Ε), и др.
В проблеме функциональной адаптации костной ткани кардинальным является вопрос о том, изменения каких ее биомеханических свойств или какие параметры механического воздействия на нее существенны для индукции адаптивной реакции (процесса ремоделирования). На этот счет существуют обширные и во многом противоречивые данные, на основе которых можно тем не менее сделать определенные заключения.
Так, установлено, что решающим для инициации адаптивных процессов в кости являются не столько напряжения, сколько деформации костного материала. Не исключено, однако, что эффект вызывается не прямым действием напряжения или деформации, а опосредуется другими факторами, например так называемым потенциалом потока, сопровождающим деформационные процессы в костной ткани [Burr D. В., Marlin R. В., 1992].
Для характеристики величины деформации и изучения ее роли в инициации адаптивных процессов в костной ткани вводится единица относительной деформации «микрострейн» (mЕ), которая равна 10-* мм/мм. Чтобы представить себе реально этот показатель, уточним, что 1000 mЕ составляет относительную деформацию 0,001 мм/мм или 0,1% изменения длины изучаемого образца. Показано, что решающим для инициации адаптивного ремоделирования кости является не пиковое значение относительной деформации, а некая нижняя граница физиологической деформации, при превышении которой процессы новообразования ткани превалируют над резорбцией [Burr D. В., Martin R. В.,]. Установлено также, что определенное значение имеют и другие характеристики деформирующего воздействия: распределение в том или ином объеме (поверхности), направление деформации, соотношение распределения и направленности деформирующего воздействия, длительность и частота деформаций. Так, установлено, что динамические (повторные) нагрузки более эффективны для стимуляции адаптивного ремоделирования, чем статические.

Помимо чисто биомеханических факторов, учитываются некоторые биологические особенности костной ткани, что позволяет обозначить некоторые «правила» ее функциональной адаптации. Так постулируется концепция биологического порога [Burr D. В., Martin R. В., 1992]. Его еще обозначают как «минимум эффективной деформации», деформационный потенциал ремоделирования». Смысл этих определений состоит в том, что, по всей вероятности, костная ткань не реагирует на изменения внешнего механического поля до тех пор, пока разница между привычной механической средой и новой механической нагрузкой не достигнет величины, воспринимаемой тканью. Концепция предполагает в качестве порога некий коридор значений относительной деформации (0,02—0,3%), выше (или ниже) которых запускается адаптационный процесс, ведущий соответственно к накоплению или потере костной массы.
Понятно, что и сама концепция и попытки ее количественной интерпретации остаются в значительной степени теоретической конструкцией и требуют дальнейших исследований для экспериментальной верификации. Тем не менее установлены некоторые другие биологические особенности костной ткани, от которых так или иначе зависят адаптационные реакции костной ткани на изменение механической среды. Показано, что такие реакции имеют свою специфику в различных костных поверхностях (периосте, эндосте, интракортикально, в трабекулярной ткани), в разных сегментах скелета и даже одной и той же кости. Существенное значение имеют предыстория механических воздействий (ассоциируется с теорией «усталости» кости), соотношение поверхностей, подвергающихся в данный момент резорбции и новообразованию, фенотипически заданная скорость новообразования (при прочих равных условиях) и др.
Таким образом, можно считать установленным, что функциональная адаптация костной ткани к изменениям внешнего механического поля — это процесс сложной интеграции механических воздействий (стимулов) на тканевом и клеточном уровне. Причем в известном смысле можно полагать, что механический стимул лишь модулирует диапазон биологического порога (деформационного потенциала ремоделирования) и соответственно адаптивные реакции костной ткани, контролируемые генетически и метаболически.
Именно с этих позиций рассматривается механизм остеопении и остеопороза при дефиците механической нагрузки (микрогравитация, гипокинезия), возрастном (инволютивном) остеопорозе и, отчасти, постменопаузном остеопорозе. В его основе — недостаток механической стимуляции, который ведет к торможению активации, дифференциации и/или пролиферации остеобластов и соответственно к потере костной массы в эндосте и трабекулярной кости и увеличению интракортикальной порозности. При этом остеопороз может быть локальным (ревматоидное поражение суставов), региональным (постменопаузный), генерализованным (системный остеопороз).
В заключение следует сказать, что костные ткани при обычных физических воздействиях имеют достаточно высокий запас прочности по отношению к разрушающим нагрузкам. Последние превышают примерно в 10 раз соответствующие физиологические нагрузки, например в трабекулярной кости позвонков и компактной ткани большеберцовой кости. Однако необходимо учитывать, что потеря костной массы важная, но далеко не единственная причина потери прочности костей. Показано, что уменьшение несущей способности костей с возрастом в позвонках и шейке бедренной кости лишь на 3/4 обусловлено потерей костной массы и в 2—3 раза превышает снижение минеральной плотности, отражающее возрастную потерю костной массы [Einhom Т. А., 1988]. Для механического состояния костей значимы такие показатели, как архитектоника и структура, состав органического матрикса, порозность, ориентация коллагеновых волокон в остеонах, характер связи коллаген — кристалл и, возможно, какие-то еще неизвестные компоненты композиции и микроструктуры.



 
« Ревматизм у детей   Ревматические болезни у детей »