Характерные нарушения костей

На эти заболевания влияет длительная неподвижность, плохое питание, недостаточность витаминов С, Д и др., нарушение метаболизма витамина Д, дефект кишечных или других рецепторов к кальцитриолу, кальцитонину.

Частичное рассасывание кости может возникать вследствие нарушений в процессе минерализации костного матрикса (остеомаляция) или неправильного образования матрикса и снижения его обызвествления (остеопороз). Остеопороз часто возникает при недостатке витамина С, плохом питании, длительной неподвижности.

Остеопороз – дистрофия костной ткани. Это системное заболевание костей, включает потерю костной массы и нарушение костной микроархитектоники, приводит к увеличению хрупкости костей и повышенному риску переломов. Для него характерно уменьшение костных перекладин в единице объёма кости, истончение и полное рассасывание части этих элементов. При остеопорозе не происходит уменьшения размеров кости.

Остеопороз может быть диффузным, равномерным. В этих случаях кость становится равномерно более проницаемой для рентгеновских лучей. Другая форма – пятнистый остеопороз. Для него характерно наличие очагов снижения плотности костной структуры, которые имеют различную форму, величину.

Сенильный остеопороз – начинается ≈ после 70 лет, характеризуется поражением губчатой и кортикальной костной ткани.

Вторичный остеопороз возникает при гиперкортицизме, гипертиреозе и других подобных заболеваниях, под влиянием проводимой глюкокортикоидной терапии, при длительной иммобилизации.

Остеомаляция – размягчение костей из-за нарушения органического костного матрикса:

1) снижение минерализации (вымывание минеральной фазы из кости)

2) синтез избыточных количеств остеоида при ремоделировании кости

Химические компоненты костной ткани 

Костную ткань относят к очень плотной специализированной соединительной ткани и подразделяют на грубоволокнистую и пластинчатую. Грубоволокнистая костная ткань хорошо представлена у зародышей, а у взрослых она встречается лишь в местах прикрепления сухожилий к костям и заросших швов черепа. Пластинчатая костная ткань составляет основу большинства трубчатых и плоских костей.

Костная ткань выполняет в организме жизненно важные функции:

1.  Опорно-двигательная функция определяется биохимическим составом органической и неорганической фазы костей, их архитектоникой и подвижным сочленением в систему рычагов.

2.  Защитная функция костей заключается в формировании каналов и полостей для головного, спинного и костного мозга, а также для внутренних органов (сердце, лёгкие и др.).

3.  Кроветворная функция основана на том, что участие в механизмах кроветворения принимает вся кость, а не только костный мозг.

4.  Депонирование минералов и регуляция минерального обмена: в костях сосредоточено до 99 % кальция, свыше 85 % фосфора и до 60 % магния организма.

5.  Буферная функция кости обеспечивается её способностью легко отдавать и принимать ионы с целью стабилизации ионного состава внутренней среды организма и поддержания кислотно-основного равновесия.

Костная ткань, как и другие виды соединительной ткани, состоит из клеток и внеклеточного вещества. В ней представлены три основных вида клеток – остеобласты, остеокласты и остеоциты. Внеклеточное вещество в своей основе содержит органическую матрицу, структурированную минеральной фазой. Прочные волокна коллагена I типа в кости устойчивы к растяжению, а кристаллы минеральных веществ устойчивы к сжатию. При вымачивании кости в разведённых растворах кислот её минеральные компоненты вымываются, и остаётся гибкий, мягкий, полупрозрачный органический компонент, сохраняющий форму кости.

Минеральная часть кости

Особенностью химического состава костной ткани является высокое содержание минеральных компонентов. Неорганические вещества составля­ют только около 1/4-1/3 объёма кости, а остальной объём занимает органический матрикс. Однако удельные массы органических и неорганических компонен­тов кости различны, поэтому в среднем на долю нерастворимых минералов приходится половина массы кости, а в плотных её частях ещё больше.

Функции минеральной фазы костной ткани представляют собой часть функций всей кости. Минеральные компоненты:

1.  составляют остов кости,

   1.  придают форму и твёрдость кости,

      1.  придают прочность защитным костным каркасам для органов и тканей,

      2.  представляют собой депо минеральных веществ организма.

Минеральная часть кости состоит главным образом из фосфатов кальция. Кроме того, она включает карбонаты, фториды, гидроксиды и цитраты. В состав костей входит большая часть Mg²⁺, около четверти всего Na⁺организма и небольшая часть К⁺. Кристаллы кости состоят из гидроксиапатитов – Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂. Кристаллы имеют форму пластинок или палочек размерами 8-15/20-40/200-400 Ǻ. Вследствие особенностей неорганической кристаллической структуры упругость кости сходна с упругостью бетона. Подробно характеристика минеральной фазы кости и особенности минерализации представлены далее.

Органический матрикс кости 

Органический матрикс кости на 90 % состоит из коллагена, остальная часть представлена неколлагеновыми белками и протеогликанами.

Коллагеновые фибриллы костного матрикса образованы коллагеном I типа, который входит также в состав сухожилий и кожи. Протеогликаны кости представлены в основном хондроитинсульфатом, который очень важен для обмена веществ костной ткани. Он образует с белками основное вещество кости и важен в обмене Са²⁺. Ионы кальция связываются с сульфатными группами хондроитинсульфата, который способен к активному ионному обмену, поскольку является полианионом. При его деградации нарушается связывание Са²⁺.

Белки матрикса, специфичные для костной ткани

Остеокальцин (молекулярная масса 5,8 кДа) присутствует только в костях и зубах, где является преобладающим белком и изучен наиболее хорошо. Это небольшая (49 аминокислотных остатков) белковая структура неколлагеновой природы, называемая также костным глутаминовым белком или gla-белком. Для синтеза остеобластам необходим витамин К (филлохинон или менахинон). В молекуле остеокальцина обнаружены три остатка γ-карбоксиглутаминовой кислоты, что говорит о способности связывать кальций. Действительно, этот белок прочно связан с гидроксиапатитом и участвует в регуляции роста кристаллов за счёт связывания Са²⁺ в костях и зубах. Синтезированный включается во внеклеточное пространство кости, но часть его попадает в кровоток, где может быть проанализирована. Высокий уровень паратгормона (ПТГ) ингибирует активность остеобластов, продуцирующих остеокальцин, и снижает его содержание в костной ткани и крови. Синтез остеокальцина управляется витамином Д₃, что указывает на связь белка с мобилизацией кальция. Нарушения обмена этого белка вызывают нарушение функции костной ткани. Из костной ткани выделен ряд аналогичных белков, которые названы «белки, подобные остеокальцину».

Костный сиалопротеин (молекулярная масса 59 кДа) найден только в костях. Он отличается высоким содержанием сиаловых кислот, содержит трипептид АРГ-ГЛИ-АСП, типичный для белков, обладающих способностью связываться с клетками и получивших название «интегрины» (интегральные белки плазматических мембран, играющие роль рецепторов для белков межклеточного матрикса). В дальнейшем было установлено, что связывание сиалопротеина с клетками осуществляется через специальный рецептор, который содержит последовательность из 10 ГЛУ, придающую ему кальций-связывающие свойства.

Около половины остатков СЕР этого белка соединены с фосфатом, поэтому его можно считать фосфопротеином. Функция белка до конца неясна, но он тесно связан с клетками и апатитом. Полагают, что белок включается в анаболическую фазу образования костной ткани. Синтез белка тормозится активной формой витамина Д и стимулируется веществом гормональной природы – дексаметазоном. Костный сиалопротеин обладает свойством избирательно связывать стафилококк.

Остеопонтин (молекулярная масса 32,6 кДа) – ещё один анионный белок матрикса кости со свойствами, подобными костному сиалопротеину, но с более низким содержанием углеводов. Он содержит отрезки отрицательно заряженных АСП, фосфорилирован по СЕР, содержит трипептид АРГ-ГЛИ-АСП, локализованный в участке для специфического связывания с интегринами. Синтез остеопонтина стимулирует витамин Д, что отличает его от костного сиалопротеина. Этот белок найден в светлой зоне остеокластов, связанной с минеральным компонентом. Указанные факты наводят на мысль о том, что остеопонтин участвует в привлечении предшественников остеокластов и связывании их с минеральным матриксом. В пользу этой гипотезы свидетельствует и то обстоятельство, что остеокласты имеют большое количество интегриновых рецепторов, которые могут связываться с остеопонтином. Кроме костной ткани остеопонтин обнаружен в дистальных канальцах почек, плаценте, ЦНС.

Костный кислый гликопротеин (молекулярная масса 75 кДа) изолирован из минерализованного матрикса костной ткани, содержит много сиаловых кислот и фосфата. В костной ткани он участвует в процессах минерализации вместе со многими другими кислыми белками, богатыми фосфатом.

Остеонектин (молекулярная масса 43 кДа). Этот белок имеет Са-свя­зывающий домен и несколько участков, богатых ГЛУ. Домен не содержит γ-карбокси-глутаминовой кислоты, хотя и напоминает по структуре белки, участвующие в свертывании крови. Остеонектин связывается с коллагеном и апатитом. Этот белок широко представлен в тканях. Возможно, он синтезируется в любой растущей ткани.

Тромбоспондин (молекулярная масса 150 кДа). Белок широко распространён в организме, выделен из тромбоцитов и обнаружен в костях. Состоит из трёх субъединиц, имеет последовательность АРГ-ГЛИ-АСП, что позволяет ему связываться с поверхностями клеток. Он связывается и с другими белками костной ткани.

Моделирование и ремоделирование кости 

Кость при всей её твердости подвержена изменениям. Весь её плотный внеклеточный матрикс пронизан каналами и полостями, заполненными клетками, которые составляют около 15 % веса компактной кости. Клетки участвуют в непрекращающемся процессе перестройки костной ткани. Процессы моделирования и ремоделирования обеспечивают постоянное обновление костей, а также модификацию их формы и структуры.

Моделированием называют образование новой кости, не связанное с предварительной деструкцией старой костной ткани. Моделирование имеет место в основном в детском возрасте и приводит к изменению архитектуры тела, тогда как у взрослых – к адаптивной модификации этой архитектуры в ответ на механические воздействия. Данный процесс ответственен также за постепенное увеличение размеров позвонков в зрелом возрасте.

Рис. 23.  Процессы костного ремоделирования (по Bartl)

Ремоделирование является доминирующим процессом в скелете взрослых и не сопровождается изменением структуры скелета, так как в этом случае происходит лишь замена отдельного участка старой кости на новую (рис. 23). Такое обновление кости способствует сохранению её механических свойств. Ремоделированию подвергается от 2 до 10 % скелета в год. Паратгормон, тироксин, гормон роста и кальцитриол повышают скорость ремоделирования, тогда как кальцитонин, эстрогены и глюкокортикоиды снижают её. К стимулирующим факторам относятся возникновение микротрещин и в определённой мере механические воздействия.

Механизмы образования костной ткани 

Костный матрикс регулярно обновляется (рис. 23). Образование кости – сложный процесс с участием многих компонентов. Клетки мезенхимального происхождения – фибробласты и остеобласты – синтезируют и выделяют в окружающую среду фибриллы коллагена, которые проникают в матрикс, состоящий из гликозаминогликанов и протеогликанов.

Минеральные компоненты поступают из окружающей жидкости, которая «пересыщена» этими солями. Сначала происходит нуклеация, т.е. образование поверхности с ядрами кристаллизации, на которой уже может легко происходить формирование кристаллической решётки. Образование кристаллов минерального остова кости запускает коллаген. Электронномикроскопические исследования показали, что формирование кристаллической решётки из минералов начинается в зонах, находящихся в регулярных промежутках, возникающих между волокнами коллагеновых фибрилл при их сдвиге на ¼ длины. Затем первые кристаллы становятся центрами нуклеации для тотального отложения гидроксиапатита между коллагеновыми волокнами.

Активные остеобласты продуцируют остеокальцин, который является специфическим маркером костного ремоделирования. Имея γ-карбоксиглутаминовую кислоту, остеокальцин соединён с гидроксиапатитом и связывает Са²⁺ в костях и зубах. Попадая в кровь, он подвергается быстрому расщеплению на фрагменты разной длины (рис. 25), которые обнаруживают методами иммуноферментного анализа. В данном случае распознаются специфические участки N-MID и N-концевого фрагментов остеокальцина, поэтому С-концевой участок выявляют независимо от степени расщепления молекулы полипептида.

Формирование кости происходит только в непосредственной близости от остеобластов, причём минерализация начинается в хряще, который состоит из коллагена, погруженного в протеогликановый матрикс. Протеогликаны повы­шают растяжимость коллагеновой сети и увеличивают степень её набухания. По мере роста кристаллы вытесняют протеогликаны, которые деградируют под воздействием лизосомальных гидролаз. Вытесняется также и вода. Плотная, полностью минерализованная кость практически обезвожена. Коллаген составляет в ней 20 % по массе.

Рис. 25. Циркулирующие фрагменты остеокальцина (цифры – порядковый номер аминокислот в пептидной цепи)

Минерализация кости характеризуется взаимодействием 3 факторов.

1). Местное повышение концентрации ионов фосфата. В процессе окостенения большую роль играет щелочная фосфатаза, которая содержится как в остеобластах, так и остеокластах. Щелочная фосфатаза принимает участие в образовании основного органического вещества кости и минерализации. Одним из механизмов её действия является локальное увеличение концентрации ионов фосфора до точки насыщения, за которым следуют процессы фиксации кальций-фосфорных солей на органической матрице кости. При восстановлении костной ткани после переломов содержание щелочной фосфатазы в костной мозоли резко увеличивается. При нарушении костеобразования уменьшается содержание и активность щелочной фосфатазы в костях, плазме крови и других тканях. При рахите, который характеризуется увеличением количества остеобластов и недостаточным обызвествлением основного вещества, содержание и активность щелочной фосфатазы в плазме крови увеличиваются.

2). Адсорбция ионов Са²⁺. Установлено, что включение Са²⁺ в кости является активным процессом. Это отчётливо доказывается тем, что живые кости воспринимают Са²⁺ более интенсивно, чем стронций. После смерти такой избирательности уже не наблюдается. Избирательная способность кости по отношению к кальцию зависит от температуры и проявляется только при 37 ^оС.

3). Сдвиг рН. В процессе минерализации имеет значение рН. При повышении рН костной ткани фосфат кальция быстрее откладывается в кости. В кости имеется относительно большое количество цитрата (около 1 %), который влияет на поддержание рН.

Процессы распада кости 

В процессе разрушения матрикса кости коллаген I типа расщепляется, и его небольшие фрагменты поступают в кровяное русло. Пиридинолиновые сшивки, С- и N-телопептиды с поперечными сшивками и специфические аминокислоты выводятся с мочой. Количественный анализ продуктов деградации коллагена I типа позволяет оценивать скорость костной резорбции. Наиболее высокоспецифичные маркёры костной резорбции – пептидные фрагменты коллагена-I.

Отщепление С-телопептида происходит на самом начальном этапе деградации коллагена. Вследствие этого другие метаболиты коллагена практически не влияют на его концентрацию в сыворотке крови. Продукты расщепления С-телопептида коллагена I типа состоят из двух октапептидов, представленных в β-форме и связанных поперечной сшивкой (эти структуры называют β-Crosslaps). Они попадают в кровь, где их количество определяют методом иммуноферментного анализа. Во вновь сформированной кости концевые линейные последовательности октапептидов содержат α-аспарагиновую кислоту, но по мере старения кости α-аспарагиновая кислота изомеризуется в β-форму. Используемые в анализе моноклональные антитела специфически распознают октапептиды, содержащие именно β-аспарагиновую кислоту (рис. 26).

Рис. 26. Специфические β-октапептиды в составе С-телопептида коллагена