Какие вещества придают прочность зубам костной ткани. О костях вообще (общая остеология) Химический состав кости и ее физические свойства
Вестн. Ом. ун-та. 2015. № 4. С. 39-44.
УДК 54.062, 543.544.5.068.7
С.А. Герк, О.А. Голованова
Проведено сравнительное исследование микро- и макроэлементного состава костных тканей человека в «норме» с содержанием элементов в костных образцах, поврежденных вследствие коксартроза, а также в физиогенных (дентин и эмаль зуба) и в патогенных (слюнные, зубные и почечные камни) биоминералах. Показано, что в «норме» костная ткань по минеральному составу наиболее близка к дентину и к зубным камням. Установлено, что в костных тканях человека при коксартрозе изменяется величина атомного соотношения Са/Р и содержание элементов: меди, олова, железа, марганца, стронция и хрома (в ряде случаев). Выявлена взаимосвязь концентрационных рядов микроэлементов Zn > Sr > Fe пораженной костной ткани с рядами для зубных и почечных камней.
Ключевые слова: элементный состав, физиогенная и патогенная минерализация, кости, коксартроз, спектроскопия. * 2
Введение
Костная ткань относится к высокоспециализированным физиогенным биоминералам и представляет собой биохимическую систему с многокомпонентным составом и сложным строением. Благодаря такой структурной организации данный органо-минеральный агрегат (далее - ОМА) обеспечивает нормальное течение обмена веществ (метаболизма) в организме человека в целом. При этом, находясь в постоянном контакте с биологическими жидкостями, костная ткань является местом депонирования макро- и микроэлементов . Известно, что элементы не синтезируются в организме, а поступают с пищевыми продуктами, водой, воздухом и выполняют важную роль при костном ремоделировании . Так, обобщая литературные данные о роли и степени участия микроэлементов в костеобразовании, их можно разделить на пять групп : 1) активаторы костной минерализации - Cu, Mn, F, Si, V;
2) ингибиторы костной минерализации - Sr, Cd, Be, Fe; 3) активаторы костной резорбции - Mg, Zn, Ba; 4) элементы, принимающие участие в синтезе органических веществ - Zn, Be, Cu, Mn, Si; 5) активаторы костных клеток и ферментов - Mg, Zn, Be и их ингибиторы - Mo. Изменение содержания элементов в костной ткани (избыток или недостаток), прежде всего кальция и фосфора, приводит к нарушению метаболических процессов и является причиной различных костно-суставных заболеваний, патологий зубов и патогенного минералообразования - формирования слюнных, зубных, почечных и других камней . Однако, несмотря на значительное количество работ, в которых описана роль макро- и микроэлементов в физиологических процессах, до сих пор остаются дискуссионными данные по элементному составу костных тканей, в том числе в условиях развития патологии.
Актуальность данной проблемы возрастает и в связи с сохраняющейся сложной экологической обстановкой природных объектов (источников поступления элементов в организм человека) промышленных городов-мегаполисов, а именно: чрезмерным выбросом в атмосферу промышленных отходов, усиленной эксплуатацией почв, нерациональным использованием природных ресурсов и загрязнением водных источников. Так, на сегодняшний день вода многих рек России стала практически не пригодной для питья из-за превышающего ПДК содержания органических веществ синтетического происхождения (СПАВ, ПАУ, диоксины), нефти, нефтепродуктов и солей тяжелых металлов .
Цель работы: изучить особенности элементного состава костной ткани человека в «норме» по сравнению с патогенными ОМА и при костных заболеваниях (на примере коксартроза).
* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке совета по грантам Президента Российской Федерации, проект № СП-933.2015.4, Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 15-29-04839 офи_м).
© С.А. Герк, О.А. Голованова, 2015
С.А. Герк, О.А. Голованова
Объекты и методы исследования
Работа является продолжением исследования коллекции головок бедренных костей мужчин и женщин Омского региона в возрасте от 30 до 79 лет, удаленных вследствие коксартроза. В качестве контрольных проб костной ткани использованы непораженные образцы, которые извлекались в соответствии с Приказом Министерства здравоохранения СССР от 21 июля 1978 г. № 694 «Об утверждении инструкции о производстве судебно-медицинской экспертизы, положения о бюро судебно-медицинской экспертизы и других нормативных актов по судебно-медицинской экспертизе» (п. 2.24), федеральными законами от 12 января 1996 г. № 8-ФЗ «О погребении и похоронном деле» (п. 3) и от 31 мая 2001 г. № 73-ФЗ «О государственной судебно-экспертной деятельности в Российской Федерации» (п. 14, 16). Для изучения динамики заболевания из бедренных головок получали по три горизонтальных среза: верхний, средний и нижний (порядок чередования приведен в направлении гиалиновый хрящ - бедренная кость), которые в дальнейшем анализировали в виде сухих порошкообразных проб. Усредненный состав разных пораженных пластинок сравнивали между собой и с контрольными образцами.
мощью следующих спектральных методов анализа: ионов кальция - метод атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС) на спектрометре AAS 1N по ГОСТ 26570-95 ; общий фосфор - спектрофотометрический метод на автоматизированной линии «Contiflo» (ГОСТ 26657-97) ; остальные элементы -метод масс-спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) на спектрофотометре ELAN 9000. Концентрации ионов элементов рассчитывали по градуировочным кривым с использованием стандартных растворов. Пределы обнаружения элементов методами спектрофотомерии и ААС составляли 10-6 масс. %, для ИСП-МС - 10-9 -10--13 масс. %.
Статистическую обработку полученных данных проводили методом Стьюдента для доверительной вероятности Р = 0,95, исходя из предположения об их распределении по нормальному закону (программный пакет Statistic Soft 2006).
Результаты и их обсуждение
Анализ литературных источников показал, что данные по количественному содержанию элементов в костной ткани достаточно противоречивы , что обусловлено спецификой состава разных костей, их типом (табл. 1), возрастными особенностями человека (табл. 2), условиями среды проживания (климат, техногенное воздействие), характером питания и т. д.
Таблица 1
Исследуемая кость Mn Al Си Ti V
Малоберцовая 0,173 ± 0,030 0,113 ± 0,017 0,086 ± 0,030 0,062 ± 0,006 0,006 ± 0,004
Большеберцовая 0,184 ± 0,024 0,106 ± 0,024 0,084 ± 0,022 0,063 ± 0,006 0,006 ± 0,0007
Бедренная 0,220 ± 0,048 0,117 ± 0,034 0,040 ± 0,012 0,078 ± 0,010 0,006 ± 0,001
В среднем 0,192 ± 0,031 0,112 ± 0,016 0,070 ± 0,020 0,068 ± 0,008 0,006 ± 0,001
Таблица 2
Микроэлементы Возраст костной ткани
эмбрионы от 16-17 до 21 недели от одного дня до 19 лет от 20 до 40 лет от 50 до 83 лет
Fe 215,8 146,2 132,8 119,3
Si 23,8 25,3 22,4 16,4
Al 5,96 6,45 7,42 8,09
Pb 4,48 3,03 7,09 1,04
Cu 2,86 1,64 1,42 1,24
Sr 1,27 2,73 1,48 6,78
Ti 1,01 1,13 1,02 1,25
Mn 0,99 1,08 1,17 1,24
Сравнительное исследование литературных и экспериментальных данных позволило установить, что основными макроэлементами кости, содержание которых составляет больше 10-3 % от массы тела, выступают кальций, фосфор, натрий, калий, магний; к элементам с массовым составом от 10-3 до 10-6 % относятся цинк, марганец, медь, никель и другие (табл. 3 и 4). Видно, что физиогенные ОМА (кости, зубы) по макроэлементному составу значительно отличаются от патогенных конкрементов фосфатного типа, встречающихся наиболее часто в
организме человека (зубные, слюнные и почечные камни). Интервал варьирования элементов в костной и зубной ткани более узкий, очевидно, вследствие закономерного характера формирования физиогенных биоминералов и меньшего влияния эндогенных факторов на данный процесс. Условно можно отметить, что костная ткань по минеральному составу (Са, Р, Na, К, Mg) наиболее близка к физиогенному ОМА - дентину и к патогенным биоминералам -зубным камням, что может указывать на сходство составов минералообразующих сред и/или механизмов их образования .
Элементный состав костной ткани человека в норме и при патологии
Таблица 3
Макроэлементный состав физиогенных (костной ткани, эмали и дентина зуба) и патогенных (зубных, слюнных, почечных камней) ОМА фосфатного типа, масс. %
Компонент Костная ткань Эмаль Дентин Зубные камни 9; 25] Слюнные камни Почечные камни г
«норма» при коксартрозе
Ca/P 1,37 1,77 - 0,89 ± 0,04 1,81 ± 0,01 1,63 1,6-1,69 1,61 1,64-1,65 1,49-2,04 1,49-1,79 - 1,67
Na 0,70 0,90 0,50 0,44 ± 0,02 0,46 ± 0,14 0,50-0,90 0,25-0,90 0,60 0,7 0,37-0,88 0,28-0,95 0,1-2,43 -
Mg 0,55 0,72 0,30 0,19 ± 0,007 0,22 ± 0,01 0,07-0,44 0,25-0,56 1,23 0,8-1,0 0,32-0,50 0,20-0,24 1,5-84,58 -
K 0,03 0,03 0,20 0,058 ± 0,013 0,028 ± 0,013 0,001-0,008 0,05-0,30 0,05 0,02-0,04 0,11-0,13 0,03-0,12 0,07-4,05 -
Примечание: «-» - данные отсутствуют.
Таблица 4
Элементный состав физиогенных (костной ткани, эмали, дентина зуба) и патогенных (зубных, слюнных, почечных камней) ОМА фосфатного типа, -10-4 масс. %
Элемент Костная ткань Эмаль Дентин Зубные камни Слюнные камни Почечные камни
1; . Возможно, доминирующей заменой ионов в структуре костного апатита в данном случае является анионное замещение фосфатных тетраэдров, что является одной из причин снижения окристалли-зованности гидроксилапатита костных тканей .
Как и в случае макроэлементного состава, содержание микроэлементов в костной ткани значительно отличается от патогенных ОМА (табл. 4). В состав патогенных биоминералов входит наибольшее число микроэлементов, что в очередной раз подтвер-
ждает спонтанный и физиологически неконтролируемый механизм их образования. Все элементы в патогенных конкрементах содержатся в меньшем количестве, чем в костях. В отличие от других физиогенных минералов, костная ткань по содержанию Pb, Si, Zn, Sr, Ag уступает только эмали. При этом в ней содержится больше меди (в 13 раз) и бария (в 5 раз). По сравнению с дентином данный биоминерал наиболее богат практически всеми микроэлементами, за исключением цинка и серебра.
Ряды ранжирования микроэлементов, содержание которых составляет 0,0050,2 масс. %, по увеличению их концентраций выглядят следующим образом (табл. 4) : для костной ткани - Fe > > Cu > Ba > Pb > Si > Zn > Sr > Ni > Al > Mn; зубных камней - Zn > Sr > Fe > Ti > Cr; для слюнных камней - Ti > V > Cr > Fe > I; для почечных камней - Sr > Zn > Fe. Видно, что по сравнению с костной тканью в патогенных биоминералах число элементов в ряду, содержание которых в ОМА не менее 0,005 масс. %, уменьшается в 2 раза (для слюнных и зубных камней) и в 3 раза (для почечных камней). Остальные элементы в патогенных агрегатах представлены в меньшем количестве, чем в кости. Во всех рядах присутствует железо, в почечных и зубных образованиях в больших количествах содержится также Sr и Zn, а в слюнных и почечных появляются новые элементы Cr и Ti. Приведенные данные указывают на разную степень участия элементов в патогенной и физиогенной минерализации. Первостепенная роль в минерализации разного характера принадлежит железу, стронцию и цинку. В патогенных ОМА принимают участие микроэлементы, такие как Cr и Ti.
Головки бедренных костей исследуемой нами коллекции, в отличие от литературных данных, содержат микроэлементы в малых количествах (табл. 4). Так, концентрационные ряды элементов, содержание которых превышает 0,005 масс. %, состоят из двух и трех элементов: в «норме» - Zn > Sr и при коксартрозе - Zn > Sr > Fe. Такая последовательность элементов при повреждении костной ткани коррелирует с рядами для зубных и почечных камней, что может указывать на патологическое течение процесса минерализации костной ткани при коксартрозе.
Выявлено, что в пораженных верхних срезах костных тканей лиц первой и второй возрастных групп (30-49 и 50-59 лет) по сравнению с контрольными пробами повышено содержание ионов меди в 3 раза, олова в 4 раза, железа в 11 раз, марганца в 17 раз и хрома (в ряде образцов) в 18 раз (рис. 2). Также в отличие от «нормы» в поврежденных пробах можно отметить незначительное уменьшение количества ионов стронция.
Элементный состав костной ткани человека в норме и при патологии
Следовательно, полученные результаты свидетельствуют о нарушении процессов костного ремоделирования при коксартрозе. С одной стороны, возрастает содержание элементов, оказывающих активирующее действие на костную минерализацию (Cu и Mn), с другой, изменяется количество микроэлементов, ускоряющих скорость костной резорбции (Fe и Sn). Завышенные концентрации токсичного элемента хрома в ряде образцов также указывают на разрушающий (дегенеративный) характер метаболизма при данном заболевании. Роль олова в костном обмене в настоящее время не изучена.
В образцах костных тканей лиц третьей и четвертой категорий (60-69 и 70-79 лет) определенных закономерностей по изменению содержания микроэлементов при патологии установить не удалось, что может быть связано с процессами старения костной ткани и наличием сопутствующих заболеваний в данном возрастном интервале.
Таким образом, в работе установлено, что при заболеваниях, обусловленных нарушением Са/Р обмена веществ, таких как коксартроз, в костных тканях человека изменяется содержание следующих элементов: меди, олова, железа, марганца, стронция и хрома (в ряде случаев). При данном повреждении выявлено увеличение значения Са/Р-коэффициента, в основном за счет уменьшения содержания общего фосфора.
В состав костной ткани, в отличие от патогенных ОМА, входит меньшее количество микроэлементов, содержание которых зависит от степени минерализации костного об-
разца. Выявлена взаимосвязь концентрационных рядов микроэлементов Zn > Sr > Fe пораженной костной ткани с рядами для зубных и почечных камней, что может указывать на патологическое течение костной минерализации.
Показано, что в условиях физиологической «нормы» костная ткань по минеральному составу наиболее близка к физиогенному ОМА - дентину и к патогенным биоминералам - зубным камням.
Полученные данные могут быть использованы при изучении процессов костной минерализации в модельных условиях с целью разработки эффективных лечебных и профилактических методов восстановления костных тканей при костно-суставных заболеваниях.
ЛИТЕРАТУРА
Авицын А. П., Жаворонков А. А., Риш М. А., Строчкова Л. С. Микроэлементы человека. М., 1991. 496 с.
Зацепин С.Т. Костная патология взрослых. М., 2001. 640 с.
Лунева С. Н. Биохимические изменения в тканях суставов при дегенеративно-дистрофических заболеваниях и способы биологической коррекции: дис. ... д-ра биол. наук. Тюмень, 2003. 297 с.
Ерохин А. Н., Исаков Б. Д., Накоскин А. Н. Особенности микроэлементного состава костной ткани при чрескостном дистракционном остеосинтезе методом Илизарова в условиях высокогорья (экспериментальное исследование) // Саратовский научно-медицинский журнал.
2014. № 10 (1). С. 119-123.
Новиков М. И. Динамика накопления биогенных макро- и микроэлементов в костной ткани собак в постнатальном онтогенезе и в условиях чрескостного дистракционного остеосинтеза: дис. ... канд. биол. наук. Н. Новгород, 2008. 137 с.
Лемешева С. А. Химический состав, свойства костного апатита и его аналогов: дис. ... канд. хим. наук. М., 2010. 177 с.
Прохончуков А. А., Жижина Н. А., Тигранян Р. А. Гомеостаз костной ткани в норме и при экстремальных условиях. М., 1984. 200 с.
Голованова О. А., Борбат В. Ф. Почечные камни. М., 2005. 171 с.
Голованова О. А. Биоминералогия мочевых, желчных, зубных и слюнных камней из организма человека: дис. ... д-ра геол.-минерал. наук. Томск, 2009. 240 с.
Александрова Т. В., Нахаева В. И. Генотоксический анализ водных проб естественного источника питьевой воды из реки Омь на генные и хромосомные мутации // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. URL: http://www.science-education.ru/120-15369.
ГОСТ 26570-95. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения кальция. М., 2000.
ГОСТ 26657-97. Корма, комбикорма, комбикормовое сырьё. Метод определения содержания фосфора. М., 2000.
С.А. Герк, О.А. Голованова
Накоскин А. Н. Возрастные изменения и половые различия биохимического состава костной ткани человека: дис. ... канд. биол. наук. Курган, 2004. 111 с.
Lundager Madsen H. E., Abbona F., Barrese E. Effects of cadmium on crystallization of calcium phosphates // Crystal Research and Crystal Technology. 2004. Vol. 39. № 3. P. 235-239.
Войнар А. О. Значение микроэлементов в организме человека и животных. М., 1955. 24 с.
Энока P. M. Основы кинезиологии: пер. с англ. Киев: Олимпийская литература, 1998. 399 с.
Гилинская Л. Г., Занин Ю. Н., Назьмов В. П. Типоморфизм парамагнитных радикалов CO2-, CO3- и CO33- в природных карбонатапатитах // Геология и геофизика. 2002. T. 43. № 3. С. 297303.
Матвеева Е. Л. Биохимические изменения в синовиальной жидкости при развитии дегенеративно-дистрофических процессов в коленном суставе: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. Тюмень, 2007. 24 с.
Вербова А. Ф. Состояние костной ткани и кальций-фосфорного обмена у рабочих фосфорного производства // Казанский медицинский журнал. 2002. Т. 83. № 2. С. 148-150.
Ньюман У, Ньюман М. Минеральный обмен кости / пер. с англ. О. Я. Терещенко, Л. Т. Туточ-киной; под ред. Н. Н. Демина. М., 1961.270 с.
Legeros R. Z. Calcium phosphates in oral biology and medicine. Karger, 1991. 221 p.
Корж А. А, Белоус А. М., Панов Е. Я. Репаративная регенерация кости. М., 1972. 215 с.
Пилат Т. Л. Зубной камень и его влияние на ткани пародонта // Стоматология. 1984. № 3. С. 88-90.
Ткаленко А. Ф. Влияние физико-химических характеристик слюны, слюнных и зубных отложений на исход лечения больных слюннокаменной болезнью: автореф. дис. . канд. мед. наук. М., 2004. 26 с.
Киселева Д. В. Особенности состава, структуры и свойств ряда фосфатных и карбонатных биоминералообразований: дис. ... геол.-минерал. наук. Екатеринбург, 2007. 197 с.
LeGeros R. Z. Formation and transformation of calcium phosphates: relevance to vascular calcification // Zeitschrift fur Kardiologie. 2001. Supplement Band 90. Р. 116-124.
Смолеговский А. М. История кристаллохимии фосфатов. М., 1986. 263 с.
Баринов С. М., Комлев В. С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М., 2005. 204 с.
Christoffersen M. R., Seierby N., Zunic T. B., Chris-toffersen J. Kinetics of dissolution of triclinic calcium pyrophosphate dehydrate crystals // Journal of Crystal Growth. 1999. Vol. 203. Р. 234-243.
Кости занимают строго определенное место в организме человека. Как и любой орган, кость представлена разными видами тканей, основное место среди которых занимает костная ткань, являющаяся разновидностью соединительной ткани.
Кость (os) имеет сложное строение и химический состав. В живом организме в составе кости взрослого человека присутствует до 50 % воды, 28,15 % органических и 21,85 % неорганических веществ. Неорганические вещества представлены соединениями кальция, фосфора, магния и других элементов. Мацерированная кость на 1/3 состоит из органических веществ, получивших название «оссеин», на 2/3 - из неорганических веществ.
Прочность кости обеспечивается физико-химическим единством неорганических и органических веществ и особенностями ее конструкции. Преобладание органических веществ обеспечивает значительную упругость, эластичность кости. При увеличении доли неорганических соединений (в старческом возрасте, при некоторых заболеваниях) кость становится ломкой, хрупкой. Соотношение неорганических веществ в составе кости у разных людей неодинаково. Даже у одного и того же человека оно изменяется на протяжении жизни, зависит от особенностей питания, профессиональной деятельности, наследственности, экологических условий и др.
Большинство костей взрослого человека состоит из пластинчатой костной ткани. Из нее образовано компактное и губчатое вещество, распределение которых зависит от функциональных нагрузок на кость.
Компактное вещество (substantia compacta) кости образует диафизы трубчатых костей, в виде тонкой пластины покрывает снаружи их эпифизы, а также губчатые и плоские кости, построенные из губчатого вещества. Компактное вещество кости пронизано тонкими каналами, в которых проходят кровеносные сосуды, нервные волокна. Одни каналы располагаются преимущественно параллельно поверхности кости (центральные, или гаверсовы, каналы), другие открываются на поверхности кости питательными отверстиями (foramina nutricia), через которые в толщу кости проникают артерии и нервы, а выходят вены.
Стенки центральных (гаверсовых) каналов (canales centrales) образованы концентрическими пластинками толщиной 4-15 мкм, как бы вставленными друг в друга. Вокруг одного канала от 4 до 20 таких костных пластинок. Центральный канал вместе с окружающими его пластинками называют остеоном (гаверсова система) . Остеон является структурно-функциональной единицей компактного вещества кости. Пространства между остеонами заполнены вставочными пластинками. Наружный слой компактного вещества сформирован наружными окружающими пластинками, являющимися продуктом костеобразующей функции надкостницы. Внутренний слой, ограничивающий костно-мозговую полость, представлен внутренними окружающими пластинками, образующимися из остеогенных клеток эндоста.
Губчатое (трабекулярное) вещество кости (substantia spongiosa) напоминает губку, построенную из костных пластинок (балок) с ячейками между ними. Расположение и размеры костных балок определяются нагрузками, которые испытывает кость в виде растяжения и сжатия. Линии, соответствующие ориентации костных балок, называют кривыми сжатия и растяжения. Расположение костных балок под углом друг к другу способствует равномерной передаче на кость давления (мышечной тяги). Такая конструкция придает кости прочность при наименьшей затрате костного вещества.
Вся кость, кроме ее суставных поверхностей, покрыта соединительнотканной оболочкой - надкостницей. Надкостница (periosteum) прочно срастается с костью за счет соединительнотканных прободающих (шарпеевых) волокон, проникающих в глубь кости. У надкостницы выделяют два слоя. Наружный фиброзный слой образован коллагеновыми волокнами, придающими особую прочность надкостнице. В нем проходят кровеносные сосуды и нервы. Внутренний слой - ростковый, камбиальный. Он прилежит непосредственно к наружной поверхности кости, содержит остеогенные клетки, за счет которых кость растет в толщину и регенерирует после повреждения. Таким образом, надкостница выполняет не только защитную и трофическую, но и костеобразующую функции.
Изнутри, со стороны костно-мозговых полостей, кость покрыта эндостом. Эндост (endost) в виде тонкой пластинки плотно прилежит к внутренней поверхности кости и также выполняет остеогенную функцию.
Кости отличаются значительной пластичностью. Они легко перестраиваются под действием тренировок, физических нагрузок, что проявляется в увеличении или уменьшении количества остеонов, изменении толщины костных пластинок компактного и губчатого веществ. Для оптимального развития кости предпочтительны умеренные регулярные физические нагрузки. Сидячий образ жизни, малые нагрузки способствуют ослаблению и истончению кости. Кость приобретает крупноячеистое строение и даже частично рассасывается (резорбция кости, остеопороз). Профессия также оказывает влияние на особенность строения кости. Существенную роль, помимо внешнесредовых, играют также наследственно-половые факторы.
Пластичность костной ткани, ее активная перестройка обусловлены образованием новых костных клеток, межклеточного вещества на фоне разрушения (резорбции) имеющейся костной ткани. Резорбция обеспечивается деятельностью остеокластов. На месте разрушающейся кости формируются новые костные балки, новые остеоны.
Зубы располагаются в костных лунках - отдельных ячейках альвеолярных отростков верхней и нижней челюстей. Костная ткань - разновидность соединительной ткани, развивающаяся из мезодермы и состоящая из клеток, межклеточного неминерализованного органического матрикса (остеоид) и основного минерализованного межклеточного вещества.
5.1. ОРГАНИЗАЦИЯ И СТРОЕНИЕ КОСТНОЙ ТКАНИ АЛЬВЕОЛЯРНЫХ ОТРОСТКОВ
Поверхность кости альвеолярного отростка покрыта надкостницей (периост ), образованной преимущественно плотной волокнистой соединительной тканью, в которой различают 2 слоя: наружный - волокнистый и внутренний - остеогенный, содержащий остеобласты. Из остеогенного слоя надкостницы в кость проходят сосуды и нервы. Толстые пучки прободающих коллагеновых волокон связывают кость с надкостницей. Надкостница осуществляет не только трофическую функцию, но и участвует в росте и регенерации кости. Вследствие этого костная ткань альвеолярных отростков обладает высокой регенеративной способностью не только в физиологических условиях, при ортодонтических воздействиях, но и после повреждения (переломы).
Минерализованный матрикс организован в трабекулы - структурно-функциональные единицы губчатой костной ткани. В лакунах минерализованного матрикса и по поверхности трабекул располагаются клетки костной ткани - остеоциты, остеобласты, остеокласты.
В организме постоянно происходят процессы обновления костной ткани путём сопряженного по времени костеобразования и рассасы- вания (резорбция) кости. В этих процессах активно участвуют различные клетки костной ткани.
Клеточный состав костной ткани
Клетки занимают всего лишь 1-5% общего объёма костной ткани скелета взрослого человека. Различают 4 типа клеток костной ткани.
Мезенхимальные недифференцированные клетки кости находятся главным образом в составе внутреннего слоя надкостницы, покрывающей поверхность кости снаружи - периоста, а также в составе эндоста, выстилающего контуры всех внутренних полостей кости, внутренние поверхности кости. Их называют выстилающими , или контурными , клетками. Из этих клеток могут образовываться новые клетки кости - остеобласты и остеокласты. В соответствии с этой их функцией их также называют остеогенными клетками.
Остеобласты - клетки, находящиеся в зонах костеобразования на внешних и внутренних поверхностях кости. Остеобласты содержат достаточно большое количество гликогена и глюкозы. С возрастом это количество уменьшается в 2-3 раза. Синтез АТФ на 60% связан с реакциями гликолиза. По мере старения остеобластов реакции гликолиза активируются. В клетках протекают реакции цитратного цикла, и наибольшей активностью обладает цитратсинтаза. Синтезируемый цитрат используется в дальнейшем на связывание Ca 2+ , необходимого для процессов минерализации. Поскольку функцией остеобластов является создание органического межклеточного матрикса кости, эти клетки содержат большое количество РНК, необходимых для синтеза белков. Остеобласты активно синтезируют и выделяют во внеклеточное пространство значительное количество глицерофосфолипидов, которые способны связывать Ca 2+ и участвовать в процессах минерализации. Клетки сообщаются между собой через десмосомы, которые позволяют проходить Ca 2+ и цАМФ. Остеобласты синтезируют и выделяют в окружающую среду фибриллы коллагена, протеогликаны и гликозаминогликаны. Они также обеспечивают непрерывный рост кристаллов гидроксиапатитов и выступают в качестве посредников при связывании минеральных кристаллов с белковой матрицей. По мере старения остеобласты превращаются в остеоциты.
Остеоциты - древовидные клетки костной ткани, включенные в органический межклеточный матрикс, которые контактируют друг с другом через отростки. Остеоциты взаимодействуют и с другими клетками костной ткани: остеокластами и остеобластами, а также с мезенхимальными клетками кости.
Остеокласты - клетки, выполняющие функцию разрушения кости; образуются из макрофагов. Они осуществляют непрерывный управляемый процесс реконструкции и обновления костной ткани, обеспечивая необходимый рост и развитие скелета, структуру, прочность и упругость костей.
Межклеточное и основное вещество костной ткани
Межклеточное вещество представлено органическим межклеточным матриксом, построенным из коллагеновых волокон (90-95%) и основным минерализованным веществом (5-10%). Коллагеновые волокна в основном расположены параллельно направлению уровня наиболее вероятных механических нагрузок на кость и обеспечивают упругость и эластичность кости.
Основное вещество межклеточного матрикса состоит главным образом из внеклеточной жидкости, гликопротеинов и протеогликанов, участвующих в перемещении и распределении неорганических ионов. Минеральные вещества, размещённые в составе основного вещества в органическом матриксе кости представлены кристаллами, главным образом гидроксиапатитом Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2 . Соотношение кальций/фосфор в норме составляет 1,3-2,0. Кроме того, в кости обнаружены ионы Mg 2+ , Na + , K + , SO 4 2- , HCO 3- , гидроксильные и другие ионы, которые могут принимать участие в образовании кристаллов. Минерализация кости связана с особенностями гликопротеинов костной ткани и активностью остеобластов.
Основными белками внеклеточного матрикса костной ткани являются коллагеновые белки I типа, которые составляют около 90% органического матрикса кости. Наряду с коллагеном I типа присутствуют следы других типов коллагена, таких как V, XI, XII. Не исключено, что эти типы коллагена принадлежат другим тканям, которые и находятся в костной ткани, но не входят в состав костного матрикса. Например, коллаген V типа обычно обнаруживается в сосудах, которые пронизывают кость. Коллаген XI типа находится в хрящевой ткани и может соответствовать остаткам кальцифицированного хряща. Источником коллагена XII типа могут быть «заготовки» коллагеновых фибрилл. В костной ткани коллаген I типа содержит производные моносахаридов, имеет меньшее количество поперечных связей, чем в других видах соединительной ткани, и эти связи формируются посредством аллизина. Ещё одним возможным отличием является то, что N-концевой пропептид коллагена I типа фосфорилирован и этот пептид частично сохраняется в минерализованном матриксе.
В костной ткани содержится около 10% неколлагеновых белков. Они представлены гликопротеинами и протеогликанами (рис. 5.1).
Из общего количества неколлагеновых белков 10% приходится на долю протеогликанов. Вначале синтезируется большой хондроитин-
Рис. 5.1. Содержание неколлагеновых белков в межклеточном матриксе костной ткани [по Gehron R. P., 1992].
содержащий протеогликан, который по мере формирования костной ткани разрушается и замещается двумя малыми протеогликанами: декорином и бигликаном. Малые протеогликаны внедряются в мине- рализованный матрикс. Декорин и бигликан активируют процессы дифференцировки и пролиферации клеток, а также вовлечены в регуляцию отложения минералов, морфологию кристалла и объединение элементов органического матрикса. Первым синтезируется бигликан, содержащий дерматансульфат; он влияет на процессы клеточной пролиферации. В фазу минерализации появляется бигликан, связаный с хондроитинсульфатом. Декорин синтезируется позднее, чем бигликан, в стадию отложения белков для формирования межклеточного матрикса; он остаётся и в фазе минерализации. Предполагают, что декорин «отшлифовывает» молекулы коллагена и регулирует диаметр фибрилл. В ходе формирования кости оба белка продуцируются остеобластами, но когда эти клетки становятся остеоцитами, они синтезируют только бигликан.
Из костного матрикса в небольших количествах были выделены и другие типы малых протеогликанов, которые выступают в качестве
рецепторов и облегчают связывание факторов роста с клеткой. Эти типы молекул находятся в мембране или прикрепляются к клеточной мембране посредством фосфоинозитоловых связей.
В костной ткани также присутствует гиалуроновая кислота. Вероятно, она играет важную роль в морфогенезе этой ткани.
Помимо протеогликанов в кости определяется большое количество разнообразных белков, относящихся к гликопротеинам (табл. 5.1).
Как правило, эти белки синтезируются остеобластами и способны связывать фосфаты или кальций; таким образом они принимают участие в формировании минерализованного матрикса. Связываясь с клет- ками, коллагенами и протеогликанами, они обеспечивают образование надмолекулярных комплексов матрикса костной ткани (рис. 5.2).
В остеоиде присутствуют протеогликаны: фибромодулин, бигликан, декорин, коллагеновые белки и морфогенетический белок кости. В минерализованном матриксе замурованы остеоциты, которые связаны с коллагенами. На коллагенах фиксированы гидроксиапатиты, остеокальцин, остеоадерин. В минерализованном межклеточном
Рис. 5.2. Участие различных белков в образовании матрикса костной ткани.
Таблица 5.1
Неколлагеновые белки костной ткани
Белок | Свойства и функции |
Остеонектин | Гликофосфопротеин, способный связывать Са 2+ |
Щелочная фосфатаза | Отщепляет фосфат от органических соединений при щелочных значениях pH среды |
Тромбоспондин | Белок с мол. массой 145 кДа, состоящий из трех идентичных субъединиц, связанных друг с другом дисульфидными связями. Каждая субъединица имеет несколько различных доменов, которые придают белку способность связываться с другими белками костного матрикса - гепарансодержащими протеогликанами, фибронектином, ламинином, коллагеном I и V типов и остеонектином. В N-кон- цевой области тромбоспондина содержится последовательность аминокислот, обеспечивающая прикрепление клеток. На связывание тромбоспондина с рецепторами на поверхности клетки влияет кон- центрация Ca 2+ . В костной ткани тромбоспондин синтезируется остеобластами |
Фибронектин | Связывается с поверхностью клеток, фибрином, гепарином, бактериями, коллагеном. В костной ткани фибронектин синтезируется на ранних стадиях остеогенеза и сохраняется в минерализован- ном матриксе |
Остеопонтин | Гликофосфопротеин, содержащий N- и О-связанные олигосахариды; участвует в адгезии клеток |
Костный кислый гликопротеин-75 | Белок с мол. массой 75 кДа, содержит сиаловые кислоты и остатки фосфата. Способен связывать ионы Са 2+ , присущ кости, дентину и хрящевой ростковой пластинке. Ингибирует процессы резорбции костной ткани |
Костный сиалопротеин | Адгезивный гликопротеин, содержащий до 50% углеводов |
Матриксный Gla-белок | Белок, содержащий 5 остатков 7-карбоксиглутами- новой кислоты; способен связываться с гидроксиапатитом. Появляется на ранних стадиях развития костной ткани; белок обнаружен также в лёгких, сердце, почках, хряще |
матриксе остеоадерин связывается с остеонектином, а остеокальцин с коллагеном. Морфогенетический белок кости располагается в приграничной зоне между минерализованным и неминерализованным матриксом. Остеопонтин регулирует активность остеокластов.
Свойства и функции белков костной ткани представлены в табл. 5.1.
5.2. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕГЕНЕРАЦИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ
В процессе жизнедеятельности кость постоянно обновляется, то есть разрушается и восстанавливается. При этом в ней происходят два противоположно направленных процесса - резорбция и восстановление. Соотношение этих процессов называется ремоделированием костной ткани.
Известно, что каждые 30 лет костная ткань изменяется почти полностью. В норме кость «растет» до 20-летнего возраста, достигая пика костной массы. В этот период прирост костной массы составляет до 8% в год. Далее до 30-35-летнего возраста идет период более или менее устойчивого состояния. Затем начинается естественное постепенное снижение костной массы, составляющее обычно не более 0,3-0,5% в год. После наступления менопаузы у женщин отмечается максимальная скорость потери костной ткани, которая достигает 2-5% в год и продолжается в таком темпе до 60-70 лет. В итоге женщины теряют от 30 до 50% костной ткани. У мужчин эти потери обычно составляют 15-30%.
Процесс ремоделирования костной ткани происходит в несколько этапов (рис. 5.3). На первом этапе участок костной ткани, подле-
Рис. 5.3. Стадии ремоделирования костной ткани [по Martin R.B., 2000, с изменениями].
жащий резорбции запускают остеоциты. Для активации процесса необходимо участие паратиреоидного гормона, инсулиноподобного фактора роста, интерлейкинов-1 и -6, простагландинов, кальцитриола, фактора некроза опухоли. Тормозится этот этап ремоделирования эстрогенами. На данном этапе поверхностные контурные клетки изменяют свою форму, превращаясь при этом из плоских округлых клеток в кубические.
Остеобласты и Т-лимфоциты секретируют лиганды рецепторов активатора фактора нуклеации каппа В (RANKL) и до определённого момента молекулы RANKL могут оставаться связанными с поверхностью остеобластов или стромальных клеток.
Из стволовой клетки костного мозга образуются предшественники остеокластов. Они имеют мембранные рецепторы, называемые рецепторами активатора фактора нуклеации каппа В (RANK). На следующем этапе RANK-лиганды (RANKL) связываются с RANK- рецепторами, что сопровождается слиянием нескольких предшественников остеокластов в одну крупную структуру и формируются зрелые многоядерные остеокласты.
Образующийся активный остеокласт создаёт на своей поверхности гофрированный край и зрелые остеокласты начинают резорбировать
костную ткань (рис. 5.4). На стороне прилегания остеокласта к разрушаемой поверхности различают две зоны. Первая зона - наиболее обширная, называемая щеточной каемкой, или гофрированным краем. Гофрированный край - это скрученная спиралью мембрана с множественными цитоплазматическими складками, которые обращены в сторону резорбции на костной поверхности. Через мембрану остеокласта освобождаются лизосомы, содержащие большое количество гидролитических ферментов (катепсины К, D, B, кислая фосфатаза, эстераза, гликозидазы и др). В свою очередь, катепсин К активирует матриксную металлопротеиназу-9, которая участвует в деградации коллагена и протеогликанов межклеточного матрикса. В этот период в остеокластах растёт активность карбоангидразы. Ионы НСО 3 - обме- ниваются на Cl - , которые накапливаются в гофрированном крае; туда же переносятся ионы H + . Секреция H + осуществляется за счёт очень активной в остеокластах Н + /К + -АТФазы. Развивающийся ацидоз способствует активации лизосомных ферментов и способствует разруше- нию минерального компонента.
Вторая зона окружает первую и как бы герметизирует область действия гидролитических ферментов. Она свободна от органелл и назы-
Рис. 5.4. Активация преостеокласта RANKL и формирование активным остеобластом гофрированной каймы, приводящей к резорбции костной ткани [по Edwards P. A., 2005, с изменениями].
вается чистой зоной, поэтому костная резорбция происходит только под гофрированным краем в замкнутом пространстве.
На стадии образования остеокластов из предшественников процесс может блокироваться белком остеопротегерином, который, свободно перемещаясь, способен связывать RANKL и таким образом предотвращать взаимодействие RANKL с RANK-рецепторами (см. рис. 5.4). Остеопротегерин - гликопротеин с мол. массой 60-120 кДа, относящийся к семейству рецепторов ФНО. Ингибируя связывание RANK с RANK-лигандом, остеопротегерин тем самым подавляет мобилизацию, пролиферацию и активацию остеокластов, поэтому увеличение синтеза RANKL приводит к резорбции костной ткани и, следовательно, к потере костной массы.
Характер ремоделирования костной ткани во многом определяется балансом между продукцией RANKL и остеопротегерина. Недифференцированные стромальные клетки костного мозга в большей степени синтезируют RANKL и в меньшей степени остеопротегерин. Возникающий дисбаланс системы RANKL/остеопротегерин при увеличении RANKL приводит к резорбции кости. Данное явление наблюдается при постменопаузальном остеопорозе, болезни Педжета, костных потерях при метастазах рака и ревматоидном артрите.
Зрелые остеокласты начинают активно поглощать кость, а завершают разрушение органической матрицы межклеточного вещества кости макрофаги. Резорбция длится около двух недель. Затем остеокласты в соответствии с генетической программой умирают. Апоптоз остеокластов может задерживаться при недостатке эстрогенов. На последнем этапе в зону разрушения прибывают плюрипотентные стволовые клетки, которые дифференцируются в остеобласты. В дальнейшем остеобласты синтезируют и минерализуют матрикс в соответствии с новыми условиями статической и динамической нагрузки на кость.
Существует большое число факторов, стимулирующих развитие и функции остеобластов (рис. 5.5). Вовлечение в процесс перестройки кости остеобластов стимулируется различными факторами роста - ТФР-(3, морфогенетическим белком кости, инсулиноподобным фактором роста, фактором роста фибробластов, тромбоцитов, колониестимулирующим и гормонами - паратирином, кальцитриолом, а также связывающим фактором ядра α-1 и тормозится белком лептином. Лептин - белок с мол. массой 16 кДа образуется преимущественно в адипоцитах; своё действие реализует через повышение синтеза цитокинов, факторов роста эпителия и кератиноцитов.
Рис. 5.5. Ремоделирование костной ткани.
Активные секретирующие остеобласты создают слои остеоида - неминерализованного матрикса кости и медленно восполняют полость резорбции. При этом они секретируют не только различные факторы роста, а также белки межклеточного матрикса - остеопонтин, остеокальцин и другие. Когда образующийся остеоид достигает диаметра 6?10 -6 м, он начинает минерализоваться. Скорость процесса минерализации зависит от содержания кальция, фосфора и ряда микроэлементов. Процесс минерализации управляется остеобластами и тормозится пирофосфатом.
Образование кристаллов минерального остова кости индуцирует коллаген. Формирование минеральной кристаллической решётки начинается в зоне, находящейся между коллагеновыми фибриллами. Затем они, в свою очередь, становятся центрами для отложения в пространстве между коллагеновыми волокнами (рис. 5.6).
Формирование кости происходит только в непосредственной близости от остеобластов, причём минерализация начинается в хряще,
Рис. 5.6. Отложение кристаллов гидроксиапатита на коллагеновых волокнах.
который состоит из коллагена, находящегося в протеогликановом матриксе. Протеогликаны повышают растяжимость коллагеновой сети. В зоне кальцификации происходит разрушение комплексов белок-полисахарид в результате гидролиза белкового матрикса лизосомальными ферментами клеток кости. По мере роста кристаллы вытесняют не только протеогликаны, но и воду. Плотная, полностью минерализованная кость, практически обезвожена; коллаген составляет 20% массы и 40% объема такой ткани; остальное приходится на долю минеральной части.
Начало минерализации характеризуется усиленным поглощением остеобластами молекул O 2 , активацией окислительно-восстановительных процессов и окислительного фосфорилирования. В митохондриях накапливаются ионы Ca 2+ и PO 4 3- . Начинается синтез коллагеновых и неколлагеновых белков, которые затем после посттрансляционной модификации секретируются из клетки. Формируются различные везикулы, в составе которых переносится коллаген, протеогликаны и гликопротеины. От остеобластов отпочковываются особые образования, называемые матриксными пузырьками, или мембранными везикулами. Они содержат в большой концентрации ионы Ca 2+ , которая превышает в 25-50 раз содержание их в остеобластах, а также глицерофосфолипиды и ферменты - щелочную фосфатазу, пирофосфатазу,
аденозинтрифосфатазу и аденозинмонофосфатазу. Ионы Ca 2+ в мембранных везикулах связаны преимущественно с отрицательно заряженым фосфатидилсерином. В межклеточном матриксе мембранные везикулы разрушаются с освобождением ионов Ca 2+ , пирофосфатов, органических соединений, связанных с остатками фосфорной кислоты. Присутствующие в мембранных везикулах фосфогидролазы, и в первую очередь щелочная фосфатаза, отщепляют фосфат от органических соединений, а пирофосфат гидролизуется пирофосфатазой; ионы Ca 2+ соединяются с PO 4 3- , что приводит к появлению аморфного фосфата кальция.
Одновременно происходит частичное разрушение протеогликанов, связанных с коллагеном I типа. Освобождающиеся фрагменты протеогликанов, заряженные отрицательно, начинают связывать ионы Ca 2+ . Некоторое число ионов Ca 2+ и PO 4 3 образуют пары и триплеты, которые связываются с коллагеновыми и неколлагеновыми белками, формирующими матрицу, что сопровождается образованием кластеров, или ядер. Из белков костной ткани наиболее активно связывают ионы Ca 2+ и PO 4 3 остеонектин и матриксные Gla-белки. Коллаген костной ткани связывает ионы РО 4 3 через ε-аминогруппу лизина с образованием фосфоамидной связи.
На образовавшемся ядре возникают спиралевидые структуры, рост которых идет по обычному принципу добавления новых ионов. Шаг такой спирали равен высоте одной структурной единицы кристалла. Формирование одного кристалла приводит к появлению других кристаллов; этот процесс называется эпитаксисом, или эпитаксической нуклеацией.
Рост кристалла высоко чувствителен к присутствию других ионов и молекул, которые ингибируют кристаллизацию. Концентрация этих молекул может быть небольшой, и они оказывают влияние не только на скорость, но на форму и направление роста кристаллов. Предполагают, что такие соединения адсорбируются на поверхности кристалла и тормозят адсорбцию других ионов. Такими веществами являются, например, гексаметафосфат натрия, который тормозит преципитацию карбоната кальция. Пирофосфаты, полифосфаты и полифосфонаты также тормозят рост кристаллов гидроксиапатита.
Через несколько месяцев, после того как полость резорбции восполнится костной тканью, плотность новой кости увеличивается. Остеобласты начинают превращаться в контурные клетки, которые участвуют в непрерывном выведении кальция из кости. Некоторые
из остеобластов превращаются в остеоциты. Остеоциты остаются в кости; они связаны друг с другом длинными клеточными отростками и способны воспринимать механические воздействия на кость.
По мере дифференцировки и старения клеток меняется характер и интенсивность обменных процессов. С возрастом в 2-3 раза уменьшается количество гликогена; освобождающаяся глюкоза в молодых клетках на 60% используется в реакциях анаэробного гликолиза, а в старых на 85%. Синтезированные молекулы АТФ необходимы для жизнеобеспечения и минерализации костных клеток. В остеоцитах остаются лишь следы гликогена, и основным поставщиком молекул АТФ является только гликолиз, за счёт которого поддерживается постоянство органического и минерального состава в уже минерализованных отделах костной ткани.
5.3. РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА В КОСТНОЙ ТКАНИ
Ремоделирование костной ткани регулируется системными (гормоны) и местными факторами, которые обеспечивают взаимодейс- твие между остеобластами и остеокластами (табл. 5.2).
Системные факторы
Образование кости в известной степени зависит от числа и активности остеобластов. На процесс образования остеобластов влияют
Таблица 5.2
Факторы, регулирующие процессы ремоделирования кости
соматотропин (гормон роста), эстрогены, 24,25(ОН) 2 D 3 , которые стимулируют деление остеобластов и превращение преостеобластов в остеобласты. Глюкокортикоиды, напротив, подавляют деление остеобластов.
Паратирин (паратгормон) синтезируется в паращитовидных железах. Молекула паратирина состоит из одной полипептидной цепи, содержащей 84 аминокислотных остатков. Синтез паратирина стимулирует адреналин, поэтому в условиях острого и хронического стресса количество этого гормона увеличивается. Паратирины активирует пролиферацию клеток-предшественников остеобластов, продлевает время их полужизни и ингибирует апоптоз остеобластов. В костной ткани рецепторы для паратирина присутствуют в мембранах остеобластов и остеоцитов. Остеокласты лишены рецепторов для данного гормона. Гормон связывается с рецепторами остеобластов и активирует аденилатциклазу, что сопровождается увеличением количества 3" 5" цАМФ. Такое повышение содержания цАМФ способствует интенсивному поступлению ионов Ca 2+ из внеклеточной жидкости. Поступивший кальций образует комплекс с кальмодулином и далее происходит активация кальцийзависимой протеинкиназы с последующим фос- форилированием белков. Связываясь с остеобластами, паратирин вызывает синтез остеокласт-активирующего фактора - RANKL, способного связываться с преостеокластами.
Введение больших доз паратирина приводит к гибели остеобластов и остеоцитов, что сопровождается увеличением зоны резорбции, повышением уровня кальция и фосфатов в крови и моче с одновре- менным повышением экскреции гидроксипролина вследствие разрушения коллагеновых белков.
Рецепторы к паратирину располагаются и в почечных канальцах. В проксимальных отделах почечных канальцев гормон ингибирует реабсорбцию фосфата и стимулирует образование 1,25(ОН) 2 D 3 . В дистальных отделах почечных канальцев паратирин усиливает реабсорбцию Ca 2+ . Таким образом, паратирин обеспечивает повышение уровня кальция и снижение фосфатов в плазме крови.
Паротин - гликопротеин, выделяемый околоушными и поднижне- челюстными слюнными железами. Белок состоит из α-, β -, и γ-субъединиц. Активным началом паротина является γ-субъединица, которая оказывает влияние на мезенхимные ткани - хрящ, трубчатые кости, дентин зуба. Паротин усиливает пролиферацию хондрогенных клеток, стимулирует синтез нуклеиновых кислот и ДНК в одонтобластах, про-
цессы минерализации дентина и костей. Эти процессы сопровождаются понижением содержания кальция и глюкозы в плазме крови.
Кальцитонин - полипептид, состоящий из 32 аминокислотных остат- ков. Секретируется парафолликулярными К-клетками щитовидной железы или С-клетками паращитовидных желёз в виде высокомолекулярного белка-предшественника. Секреция кальцитонина возрастает при увеличении концентрации ионов Са 2+ и уменьшается при понижении концентрации ионов Са 2+ в крови. Она также зависит от уровня эстрогенов. При недостатке эстрогенов секреция кальцитонина снижается. Это вызывает усиление мобилизации кальция в костной ткани и способствует развитию остеопороза. Кальцитонин связывается с специфическими рецепторами остеокластов и клеток почечных канальцев, что сопровождается активацией аденилатциклазы и повышением образования цАМФ. Кальцитонин влияет на транспорт ионов Ca 2+ через клеточные мембраны. Он стимулирует поглощение ионов Ca 2+ митохондриями и тем самым задерживает отток ионов Ca 2+ из клетки. Этот зависит от количества АТФ и соотношения ионов Na + и K + в клетке. Кальцитонин угнетает распад коллагена, что проявляется уменьшением экскреции с мочой гидроксипролина. В клетках почечных канальцев кальцитонин ингибирует гидроксилирование 25(ОН)D 3 .
Таким образом, кальцитонин подавляет активность остеокластов и ингибирует освобождение ионов Ca 2+ из костной ткани, а также уменьшает реабсорбцию ионов Ca 2+ в почках. В результате тормозится резорбция костной ткани, стимулируются процессы минерализации, что проявляется понижением уровня кальция и фосфора в плазме крови.
Йодсодержащие гормоны щитовидной железы - тироксин (Т4) и трийодтиронин (Т3) обеспечивают оптимальный рост костной ткани. Тиреоидные гормоны способны стимулировать секрецию гормонов роста. Они повышают как синтез мРНК инсулиноподобного фактора роста 1 (ИФР-1), так и продукцию самого ИФР-1 в печени. При гипертиреозе подавляется дифференцировка остеогенных клеток и синтез белка в этих клетках, снижается активность щелочной фосфатазы. За счёт усиленной секреции остеокальцина активируется хемотаксис остеокластов, что ведёт к резорбции костной ткани.
Половые стероидные гормоны участвуют в процессах ремоделирования костной ткани. Воздействие эстрогенов на костную ткань проявляется в активации остеобластов (прямое и опосредованное действие), угнетении остеокластов. Они также способствуют всасыванию ионов Ca 2+ в желудочно-кишечном тракте и его отложению в костной ткани.
Женские половые гормоны стимулируют продукцию кальцитонина щитовидной железой и снижают чувствительность костной ткани к паратирину. Они также вытесняют на конкурентной основе кортикостероиды из их рецепторов в костной ткани. Андрогены, оказывая анаболическое действие на костную ткань, стимулируют биосинтез белка в остеобластах, а также ароматизируются в жировой ткани в эстрогены.
В условиях дефицита половых стероидов, который имеет место в менопаузе, процессы костной резорбции начинают преобладать над процессами ремоделирования костной ткани, что и приводит к раз- витию остеопении и остеопороза.
Глюкокортикоиды синтезируются в коре надпочечников. Основной глюкокортикоид человека - кортизол. Глюкокортикоиды скоординировано действуют на разные ткани и разные процессы - как анаболические, так и катаболические. В костной ткани кортизол тормозит синтез коллагена I типа, некоторых неколлагеновых белков, протеогликанов и остеопонтина. Глюкокортикоиды также уменьшают количество тучных клеток, являющихся местом образования гиа- луроновой кислоты. Под влиянием глюкокортикоидов ускоряется распад белков. Глюкокортикоиды подавляют всасывание ионов Ca 2+ в кишечнике, что сопровождается снижением его в сыворотке крови. Это понижение приводит к выбросу паратирина, который стимулирует образование остеокластов и резорбцию кости (рис. 5.7). Кроме того, кортизол в мышцах и костях стимулирует распад белков, что также нарушает формирование костной ткани. В конечном итоге действия глюкокортикоидов приводят к убыли костной ткани.
Витамин D 3 (холекальциферол) поступает с пищей, а также образуется из предшественника 7-дегидрохолестерола под влиянием ультрафиолетовых лучей. В печени холекальциферол превращается в 25(ОН)D 3 , а в почках происходит дальнейшее гидроксилирование 25(ОН)D 3 и образуются 2 гидроксилированных метаболита - 1,25(ОН) 2 D 3 и 24,25(ОН) 2 D 3 . Метаболиты витамина D 3 регулируют хондрогенез и остеогенез уже в процессе эмбрионального развития. В отсутствии витамина D 3 невозможна минерализация органического матрикса, при этом не образуется сосудистая сеть, а метафизарная кость не способна сформироваться должным образом. 1,25(ОН) 2 D 3 связывается с хондробластами, находящимся в активном состоянии, а 24,25(ОН) 2 D 3 - с клетками в состоянии покоя. 1,25(ОН) 2 D 3 регулирует зоны роста через образование комплекса с ядерным рецептором для этого витамина. Также показано, что 1,25(ОН) 2 D 3 способен связы-
Рис. 5.7. Схема влияния глюкокортикоидов на обменные процессы, приводящие к убыли костной ткани
ваться с мембранно-ядерным рецептором, что приводит к активации фосфолипазы С и образованию инозитол-3-фосфата. Кроме того, образующийся комплекс активируется фосфолипазой А 2 . Из осво- бождающейся арахидоновой кислоты синтезируется простагландин Е 2 , который также влияет на ответ хондробластов при их связывании с 1,25(ОН) 2 D 3 . Напротив, после связывания 24,25(ОН) 2 D 3 со своим мембранно-связывающимся рецептором, активируется фосфолипаза С, а затем протеинкиназа С.
В хрящевой зоне роста эпифизов костной ткани 24,25(ОН) 2 D 3 стимулирует дифференцировку и пролиферацию прехондробластов, которые содержат специфические рецепторы к данному метаболиту. Метаболиты витамина D 3 оказывают влияние на формирование и функциональное состояние височно-нижнечелюстного сустава.
Витамин А . При недостатке и избыточном поступлении витамина А в организм детей нарушается рост костей и происходит их деформация. Вероятно, эти явления обусловлены деполимеризацией и гидролизом хондроитинсульфата, входящего в состав хряща.
Витамин С . При недостатке аскорбиновой кислоты в мезенхемаль- ных клетках не происходит гидроксилирование остатков лизина и пролина, что приводит к нарушению образования зрелого коллагена. Образующийся незрелый коллаген не способен связывать ионы Ca 2+ и таким образом нарушаются процессы минерализации.
Витамин Е . При дефиците витамина Е в печени не образуется 25(ОН)D 3 - предшественник активных форм витамина D 3 . Дефицит витамина Е также может привести к снижению уровня магния в костной ткани.
Локальные факторы
Простагландины ускоряют выход ионов Ca 2+ из кости. Экзогенные простагландины увеличивают генерацию остеокластов, которые раз- рушают кость. Оказывают катаболическое воздействие на обмен белков в костной ткани и ингибирует их синтез.
Лактоферрин - железосодержащий гликопротеин, в физиологической концентрации стимулирует пролиферацию и дифференцировку остеобластов, а также ингибирует остеокластогенез. Митогенный эффект лактоферрина на остеобластоподобные клетки осуществляется через специфические рецепторы. Образовавшийся комплекс путём эндоцитоза поступает в клетку, и лактоферрин фосфорилирует митоген - активирующие протеинкиназы. Таким образом, лактоферрин выполняет роль фактора роста кости и её здоровья. Может применяться в качестве анаболического фактора при остеопорозе.
Цитокины - низкомолекулярные полипептиды, обусловливающие взаимодействие клеток иммунной системы. Они обеспечивают ответную реакцию на внедрение чужеродных тел, иммунное повреждение, а также воспаления, репарации и регенерации. Они представлены пятью большими группами белков, одной из которых являются интерлейкины.
Интерлейкины (ИЛ ) - белки (от ИЛ-1 до ИЛ-18), синтезируемые в основном Т-клетками лимфоцитов, а также мононуклеарными фагоцитами. Функции ИЛ связаны с активностью других физиологически активных пептидов и гормонов. В физиологической концентрации подавляют рост, дифференцировку и продолжительность жизни клеток. Cнижают продукцию коллагеназы, адгезию эндотелиальных клеток к нейтрофилам и эозинофилам, продукцию NO и, как следс- твие, наблюдается уменьшение деградации хрящевой ткани и резорбция кости.
Процесс резорбции костной ткани может активироваться при ацидозе и большими количествами интегринов, ИЛ и витамина A, но тормозится эстрогенами, кальцитонином, интерфероном и морфогенетическим белком кости.
Маркёры метаболизма костной ткани
Биохимические маркёры дают информацию о патогенезе заболеваний скелета и о фазах ремоделирования костной ткани. Различают биохимические маркёры формирования и резорбции кости, характе- ризующие функции остеобластов и остеокластов.
Прогностическая значимость определения маркёров метаболизма костной ткани:
Проведённый скрининг с использованием данных маркёров позволяет определить пациентов с высоким риском развития остеопороза; высокие уровни маркёров резорбции костей могут быть связаны с
увеличением риска переломов; повышение уровня маркёров метаболизма костной ткани у пациентов с остеопорозом более чем в 3 раза по сравнению с показателями нормы предполагает иную костную патологию, включая злокачественную; маркёры резорбции могут быть использованы в качестве дополнительных критериев при решении вопроса о назначении специальной терапии при лечении костной патологии. Маркёры резорбции кости . Во время обновления костной ткани коллаген I типа, который составляет более 90% органического матрикса кости и синтезируется непосредственно в костях, деградирует, а небольшие пептидные фрагменты попадают в кровь или выделяются почками. Продукции деградации коллагена можно определять как в моче, так и в сыворотке крови. Эти маркёры можно использовать при терапии препаратами, снижающими резорбцию костей, у пациентов с болезнями, связанными с нарушениями метаболизма костной ткани. В качестве критериев резорбции костной ткани выступают продукты деградации коллагена I типа: N- и С-телопептиды и тартрат-резистентная кислая фосфатаза. При первичном остеопорозе и болезни Педжета происходит отчетливое повышение С-концевого телопептида коллагена I типа и количество этого маркёра увеличивается в сыворотке крови в 2 раза.
Распад коллагена - единственный источник свободного гидроксипролина в организме. Преобладающая часть гидроксипролина
катаболизируется, а часть выделяется с мочой, главным образом, в составе небольших пептидов (ди- и трипептидов). Поэтому содержание гидроксипролина в крови и моче отражает баланс скорости катаболизма коллагена. У взрослого человека в сутки экскретируется 15-50 мг гидроксипролина, в молодом возрасте до 200 мг, а при некоторых болезнях, связанных с поражением коллагена, например: гиперпаратироидизме, болезни Педжета и наследственной гипергидроксипролинемии, причиной которой является дефект фермента гидроксипролиноксидазы, количество в крови и выделяемого с мочой гидроксипролина увеличивается.
Остекласты секретируют тартрат-резистентную кислую фосфатазу. При возрастании активности остеокластов происходит увеличение содержания тартрат-резистентной кислой фосфатазы и она попадает в повышенном количестве в кровоток. В плазме крови активность этого фермента возрастает при болезни Педжета, онкологических заболеваниях с метастазами в кость. Определение активности этого фермента особенно полезно при мониторинге лечения остеопороза и онкологических заболеваний, сопровождающихся поражением костной ткани.
Маркёры формирования кости . Формирование костной ткани оценивают по количеству остеокальцина, костного изофермента щелочной фосфатазы и остеопротегерина. Измерение количества сывороточного остеокальцина позволяет определять риск развития остеопороза у женщин, проводить мониторинг костного метаболизма во время менопаузы и гормональной заместительной терапии. Рахит у детей раннего возраста сопровождается снижением в крови содержания остеокальцина и степень снижения его концентрации зависит от выраженности рахитического процесса. У больных с гиперкортицизмом и пациентов, получающих преднизолон, значительно снижено содержание остеокальцина в крови, что отражает подавление процессов костеобразования.
Изофермент щелочной фосфатазы присутствует на клеточной поверхности остеобластов. При увеличенном синтезе фермента клетками костной ткани повышается его количество в плазме крови, поэтому определение активности щелочной фосфатазы, особенно костного изофермента, является информативным показателем костного ремоделирования.
Остеопротегерин выступает в качестве рецептора ФНО. Связываясь с преостеокластами, он ингибирует мобилизацию, пролиферацию и активацию остеокластов.
5.4. РЕАКЦИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ НА ДЕНТАЛЬНЫЕ
ИМПЛАНТАТЫ
При различных формах адентии альтернативой съёмному протезированию являются внутрикостные дентальные имплантаты. Реакцию костной ткани на имплантат можно рассматривать как частный случай репаративной регенерации.
Различают три вида соединения дентальных имплантатов с костной тканью:
Прямое приживление - остеоинтеграция;
Фиброзно-оссальная интеграция, когда вокруг дентального имплантата образуется слой фиброзной ткани толщиной около 100 мкм;
Периодонтальное соединение (самый редкий вид), образующееся в случае периодонтального связочно-подобного сращения с периимплантационными коллагеновыми волокнами или (в некоторых случаях) цементирование внутрикостного дентального имплантата.
Считают, что в процессе остеоинтеграции после постановки дентальных имплантатов образуется тонкая зона из протеогликанов, которая лишена коллагена. Зона склеивания дентального имплантата с костью обеспечивается двойным слоем протеогликанов, включающим молекулы декорина.
При фиброзно-оссальной интеграции в соединении имплантата с костной тканью также участвуют многочисленные компоненты внеклеточного матрикса. За устойчивость имплантата в его капсуле отвечают коллагены I и III типа, а фибронектин играет основную роль в связывании элементов соединительной ткани с имплантатами.
Однако через какой-то период времени под действием механической нагрузки растёт активность коллагеназы, катепсина К и кислой фосфатазы. Это приводит к убыли костной ткани в периимплантационной области и происходит дезинтеграция дентального имплантата. Ранняя дезинтеграция внутрикостных дентальных имплантатов происходит на фоне сниженного количества в кости фибронектина, Gla-белка, тканевого ингибитора матриксных металлопротеиназ (ТИМП-1).
Средний химический состав костной ткани включает 20-25 % воды, 75-80 % сухого остатка, в том числе 30 % белков и 45 % неорганических соединений. Однако состав ткани изменяется в зависимости от вида и возраста животных, а также от структуры кости. Химический состав различных видов костей крупного рогатого скота представлен в табл. 5.5.
Таблица 55. Химический состав костей крупного рогатого скота
|
Кости |
Содержание, % |
|||
|
влаги |
белка |
жира |
золы |
|
|
Позвоночник |
30-41 |
14-23 |
13-20 |
20-30 |
|
Грудная кость |
48-53 |
16-21 |
13-16 |
1Ф 17 |
|
Тазовая кость |
24-30 |
16-20 |
22-24 |
30-33 |
|
Ребра |
28 31 |
19-22 |
10-11 |
36-40 |
|
Трубчатая |
15-23 |
17-23 |
13-24 |
40-50 |
|
Кулак |
17 32 |
14-21 |
18 33 |
28-36 |
При обработке костной ткани кислотами (соляной, фосфорной и др.) минеральные вещества растворяются и остается мягкая органическая часть - оссеин. Размягчение кости в результате удаления минеральных веществ называют мацерацией. х
В структуру оссеина входят в основном белковые вещества -- коллаген (93 %), оссемукоид, альбумины, глобулины и др. Аминокислотный состав кости отличается низким содержанием глютаминовой кислоты, лизина, отсутствием цистина, триптофана; высоким содержанием глицина, пролнна, оксипролина, составляющих до 43 % обшей суммы аминокислот. Таким образом, белки кости не являются полноценными.
Из органических соединений в составе костной ткани присутствуют липиды, в частности лецитин, соли лимонной кислоты и пр.
Наиболее характерными компонентами костной ткани являются минеральные вещества, составляющие половину массы ткани. Они представлены главным образом фосфорно-кальциевыми солями, необходимыми для жизнедеятельности организма, а также микроэлементами - Al, Mn, Си, РЬ и др.
С возрастом животного наряду с общим увеличением содержания минеральных веществ в костной ткани нарастает содержание карбонатов и уменьшается количество фосфатов. В результате такого изменения кости утрачивают упругость и становятся хрупкими. Изменение свойств кости может быть связано и с недостатком определенных солей в питании, в частности при недостатке кальция при жомовом откорме. Электрооглушение такого скота приводит к раздроблению позвоночника и тазовых костей.
Костный мозг, заполняющий костномозговые полости, содержит в основном жиры (до 98 % в сухом остатке желтого мозга) и в меньшем количестве холинфосфатиды, холестерин, белки и минеральные вещества. В составе жиров преобладают пальмитиновая, олеиновая, стеариновая кислоты.
В соответствии с особенностями химического состава кость используют для производства полуфабрикатов, студней, зельцев, костного жира, желатина, клея, костной муки.
Хрящевая ткань. Хрящевая ткань выполняет опорную п механическую функции. Она состоит из плотного основного вещества, в котором располагаются клетки округлой формы, коллагеновые и эластиновые волокна (рис. 5.14). В зависимости от состава межклеточного вещества различают гиалиновые, волокнистые и эластичные хрящи. Гиалиновый хрящ покрывает суставные поверхности костей, из него построены реберные хрящи и трахея. В межклеточном веществе такого хряща с возрастом откладываются соли кальция. Гиалиновый хрящ полупрозрачен, имеет голубоватый оттенок.
Из волокнистого хряща состоят связки между позвонками, а также сухожилия и связки в месте их прикрепления к костям. Волокнистый хрящ содержит много коллагеновых волокон и незначительное количество аморфного вещества. Он имеет вид полупрозрачной массы.
Эластический хрящ кремового цвета, в межклеточном веществе которого преобладают эластиновые волокна. В эластическом хряще никогда не откладывается известь. Он входит в состав ушной раковины, гортани.
Средний химический состав хрящевой ткани включает: 40-70 % воды,
19-20 % белков, 3,5 % жиров, 2-10 % минеральных веществ, около 1 % гликогена.
Для хрящевой ткани характерно высокое содержание мукопротеида - хондромукоида и мукополисахарида - хондроитинсерной кислоты в основном межклеточном веществе. Важным свойством этой кислоты является её способность образовывать солеобразные соединения с различными белками: коллагеном, альбумином и др. Этим, видимо, объясняется «цементирующая» роль мукополисахаридов в хрящевой ткани.
Хрящевая ткань используется на пищевые цели, а также из нее вырабатываются желатин и клей. Однако качество желатина и клея часто бывает недостаточно высоким, так как мукополисахариды и глюкопротеиды переходят в раствор из ткани вместе с желатином, снижая вязкость и прочность студня.
Кристаллы гидроксилапатита Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 составляют часть минеральной фазы костной ткани, имеют форму пластин или палочек. Другая часть представлена аморфным фосфатом кальция Са 3 (РО 4) 2 . Аморфный фосфат кальция преобладает в раннем возрасте, в зрелой кости преобладающим становится кристаллический гидроксиапатит. Обычно аморфный фосфат кальция рассматривают как лабильный резерв ионов Са 2+ и фосфата.
В состав минеральной фазы кости входят ионы натрия, магния, калия, хлора и др. В кристаллической решетке гидроксиапатита ионы Са 2+ могут замещаться другими двухвалентными катионами, тогда как анионы, отличные от фосфата и гидроксила, либо адсорбируются на поверхности кристаллов, либо растворяются в гидратной оболочке кристаллической решетки.
Органический матрикс костной ткани. Приблизительно 95% органического матрикса приходится на коллаген. Коллаген является главным фактором, определяющим механические свойства кости. Коллагеновые фибриллы костного матрикса образованы коллагеном типа 1. Данный тип коллагена входит также в состав сухожилий и кожи, однако коллаген костной ткани обладает некоторыми особенностями. В коллагене костной ткани несколько больше оксипролина, чем в коллагене сухожилий и кожи. Для костного коллагена характерно большое содержание свободных аминогрупп лизиновых и оксилизиновых остатков. Еще одна особенность костного коллагена - повышенное по сравнению с коллагеном других тканей содержание фосфата. Большая часть этого фосфата связана с остатками серина.
В сухом деминерализованном костном матриксе содержится около 17% неколлагеновых белков, среди которых находятся и белковые компоненты протеогликанов. В целом количество протеогликанов в сформировавшейся плотной кости невелико.
В состав органического матрикса костной ткани входят гликозаминогликаны, основным представителем которых является хондроитин-4-сульфат. Хондроитин-6-сульфат, кератансульфат и гиалуроновая кислота содержатся в небольших количествах.
Окостенение сопровождается изменением гликозаминогликанов: сульфатированные соединения уступают место несульфатированным. Костный матрикс содержит липиды, которые представляют собой непосредственный компонент костной ткани, а не являются примесью в результате недостаточно полного удаления богатого липидами костного мозга. Липиды могут играть существенную роль в образовании ядер кристаллизации при минерализации кости.
Остеобласты богаты РНК. Высокое содержание РНК в костных клетках отражает их активность и постоянную биосинтетическую функцию. Особенностью костного матрикса является высокая концентрация цитрата: около 90% его общего количества в организме приходится на долю костной ткани. Цитрат необходим для минерализации костной ткани. Он образует комплексные соединения с солями кальция и фосфора, обеспечивая возможность повышения концентрации их в ткани до такого уровня, при котором могут начаться кристаллизация и минерализация. Кроме цитрата, в костной ткани обнаружены сукцинат, фумарат, малат, лактат и другие органические кислоты.
Формирование кости. Образование межклеточного вещества и минерализация костной ткани являются результатом деятельности остеобластов, которые по мере образования костной ткани замуровываются в межклеточном веществе и становятся остеоцитами. Костная ткань служит основным депо кальция в организме и активно участвует в кальциевом обмене. Высвобождение кальция достигается путем разрушения (резорбции) костной ткани, а его связывание - путем образования костной ткани. С этим связан процесс постоянной перестройки костной ткани, продолжающийся в течение всей жизни организма. При этом происходят изменения формы кости соответственно изменяющимся механическим нагрузкам. Костная ткань скелета человека практически полностью перестраивается каждые 10 лет.
Процесс оссификации возможен лишь при наличии строго ориентированных коллагеновых волокон. Структурная особенность коллагенового волокна состоит в том, что расположенные в ряду молекулы тропоколлагена не связаны по типу конец в конец. Между концом одной молекулы и началом следующей имеется промежуток. Вполне вероятно, что промежутки вдоль ряда молекул тропоколлагена являются первоначальными центрами отложения минеральных составных частей костной ткани. Образовавшиеся кристаллы в зоне коллагена затем в свою очередь становятся ядрами минерализации, где в пространстве между коллагеновыми волокнами откладывается гидроксиапатит.
При формировании кости в зоне кальцификации при участии лизосомных протеиназ происходит деградация протеогликанов. По мере минерализации костной ткани кристаллы гидроксиапатита как бы вытесняют не только протеогликаны, но и воду. Плотная, полностью минерализованная кость практически обезвожена. В этих условиях коллаген составляет примерно 20% от массы и 40% от объема костной ткани, остальное приходится на долю минеральных компонентов.
Не все коллагенсодержащие ткани в организме подвержены оссификации.
По-видимому, существуют специфические ингибиторы кальцификации. Ряд исследователей считают, что процессу минерализации коллагена в коже, сухожилиях, сосудистых стенках препятствует постоянное наличие в этих тканях протеогликанов. Существует также мнение, что ингибитором кальцификации может быть неорганический пирофосфат. При минерализации тканей ингибирующее действие пирофосфата снимается пирофосфатазой, которая, в частности, обнаружена в костной ткани. В целом биохимические механизмы минерализации костной ткани требуют дальнейшего исследования.
Сложной является и проблема катаболизма матрикса костной ткани. Как в физиологических, так и в патологических условиях происходит резорбция костной ткани, при которой практически одновременно имеет место «рассасывание» как минеральных, так и органических структур костной ткани. В удалении минеральных солей определенная роль принадлежит усиливающейся при остеолизе продукции органических кислот, в том числе лактата. Известно, что сдвиг рН ткани в кислую сторону способствует растворению минералов и тем самым их удалению.
Резорбция органического матрикса требует наличия и действия соответствующих ферментов. К ним относятся лизосомные кислые гидролазы, спектр которых в костной ткани довольно широк. Они участвуют во внутриклеточном переваривании фрагментов резорбируемых структур.
Следовательно, чтобы мог произойти внутриклеточный гидролиз, необходимо структуры органического матрикса предварительно подвергнуть воздействию, в результате которого образовались бы фрагменты полимеров. Так, резорбция коллагеновых волокон требует предварительного воздействия коллагенолитических ферментов.
К факторам, влияющим на метаболизм костной ткани, прежде всего следует отнести гормоны, ферменты и витамины.
Минеральные компоненты костной ткани находятся практически в состоянии химического равновесия с ионами кальция и фосфата сыворотки крови. Поступление, депонирование и выделение кальция и фосфата регулируются весьма сложной системой, в которой среди других факторов важная роль принадлежит паратгормону и кальцитонину. При уменьшении концентрации ионов Са 2 в сыворотке крови возрастает секреция паратгормона. Непосредственно под влиянием этого гормона в костной ткани активируются клеточные системы, участвующие в резорбции кости (увеличение числа остеокластов и их метаболической активности), т. е. остеокласты способствуют повышенному растворению содержащихся в костях минеральных соединений. Паратгормон увеличивает также реабсорбцию ионов Са 2+ в почечных канальцах. Суммарный эффект проявляется в повышении уровня кальция в сыворотке крови. При увеличении содержания ионов Са 2+ в сыворотке крови секретируется гормон кальцитонин, действие которого состоит в снижении концентрации ионов Са 2+ за счет отложения его в костной ткани. Он повышает минерализацию кости и уменьшает число остеокластов в зоне действия, т. е. угнетает процесс костной резорбции. Все это увеличивает скорость формирования кости.
В регуляции содержания ионов Са 2+ важная роль принадлежит витамину D, который участвует в биосинтезе Са 2+ -связывающих белков. Эти белки необходимы для всасывания ионов Са 2+ в кишечнике, реабсорбции их в почках и мобилизации кальция из костей. Поступление в организм оптимальных количеств витамина D является необходимым условием для нормального течения процессов кальцификации костной ткани. При недостаточности витамина D эти процессы нарушаются. Прием в течение длительного времени избыточных количеств витамина D приводит к деминерализации костей. Прекращение роста костей является ранним проявлением недостаточности витамина А. Считают, что данный факт обусловлен нарушением синтеза хондроитинсульфата. При введении животным высоких доз витамина А, превышающих физиологическую потребность и вызывающих развитие гипервитаминоза А, наблюдается резорбция кости, что может приводить к переломам.
Для нормального развития костной ткани необходим и витамин С. Действие витамина С не метаболизм костной ткани обусловлено, прежде всего, влиянием на процессе биосинтеза коллагена. Аскорбиновая кислота необходима для осуществления реакции гидроксилирования пролина и лизина. Недостаток витамина С вызывает также изменения в синтезе гликозаминогликанов: содержание гиалуроновой кислоты в костной ткани увеличивается в несколько раз, тогда как биосинтез хондроитинсульфатов замедляется.
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте метаболизм кальция и фосфора в организме.
2. Какие гормоны участвуют в регуляции фосфорно-кальциевого обмена?
3. Какой вид рецепции преобладает у гормонов, регулирующих фосфорно-кальциевой обмен?
4. Как происходит превращение витамина D в кальцитриол?
5. Перечислите симптомы, наблюдающиеся при гипо- и гиперкальциемии.
6. Назовите основные органические компоненты костной ткани.
7. Какие неорганические соединения входят в состав костной ткани?
8. Опишите процесс формирования кости.
9. Какие факторы влияют на формирование костной ткани и ее метаболизм?
