16.2. Ремоделювання кісткової тканини

Кожні 30 років життя людини відбувається повна зміна її кісткової тканини. За умов норми кістка «росте» до 20-річного віку, досягаючи максимуму кісткової маси. У цей період її приріст досягає 8 % на рік, до 30 – 35-річного віку вона залишається в відносно стабільному стані. Потім розпочинається поступове зниження кісткової маси, яке зазвичай не перевищує 0,3 – 0,5 % на рік. У жінок після настання менопаузи спостерігається максимальна швидкість зниження маси кісткової тканини, яка досягає 2 – 5 % на рік і продовжується в такому темпі до 60 – 70-річного віку. У загальному жінки втрачають 30 – 50 % кісткової тканини, тоді як чоловіки – лише 15 – 30 %.

Утворення міжклітинної речовини і мінералізація кісткової тканини є результатом діяльності клітин-остеобластів, які у міру утворення кісткової тканини замуровуються в міжклітинній речовині і перетворюються на остеоцити. Відомо, що кісткова тканина служить основним депо кальцію в організмі і бере активну участь в кальцієвому обміні. Вивільнення кальцію досягається шляхом руйнування (резорбції) кісткової тканини, а його зв'язування – шляхом утворення кісткової тканини. З цим пов'язаний процес постійної перебудови кісткової тканини, що продовжується впродовж усього життя організму.

Співвідношення процесів резорбції та відновлення називається ре моделюванням кісткової тканини і відбувається в кілька етапів (рис. 16.1).

Рис. 16.1. Стадії ремоделювання кісткової тканини (за Маrtin R.В., 2000, зі змінами)

На першому етапі остеоцити запускають резорбцію ділянки кісткової тканини. Для активування цього процесу необхідна участь паратгормону, інтерлейкінів-1 і -6, простагландинів, кальцитріолу, інсуліноподібного фактора росту, фактора некрозу пухлини. Гальмується цей етап естрогенами. На даному етапі поверхневі контурні клітини змінюють свою форму, перетворюються при цьому з плоских округлих клітин на кубічні.

Остеобласти і Т-лімфоцити секретують ліганди рецепторів активатора фактора нуклеації каппа В (RАNКL) і до певного моменту молекули RАNКL можуть залишатися зв’язаними з поверхнею остеобластів або стромальних клітин. Із стовбурової клітини кісткового мозку утворюються попередники остеокластів. Вони мають мембранні рецептори, які називають рецепторами активатора фактора нуклеації каппа В (RАNКL). На наступному етапі RАNК-ліганди (RАNКL) зв’язуються з RАNК-рецепторами, що супроводжується злиттям декількох попередників остеокластів в одну велику структуру і формуванням зрілих багатоядерних остеокластів. Утворений активний остеокласт створює на своїй поверхні гофрований край і зрілі остеокласти починають резорбцію кісткової тканини (рис. 16.2).

Рис. 16.2. Активація преостеокласту RАNКL і формування активним остекластом гофрованої облямівки, що призводить до резорбції кісткової тканини (за Edwards Р. А., 2005)

На боці прилягання остеокласта до поверхні, що підлягає руйнуванню розрізняють дві зони. Перша – найбільша, називається щітковою облямівкою або гофрованим краєм і являє собою скручену в спіраль мембрану з множинними складками цитоплазми, які обернені у бік резорбції на кістковій поверхні. Через мембрану остеокласта вивільняються лізосоми, які містять велику кількість гідролітичних ферментів (катепсини К, D, В, кисла фосфатаза, естераза, глікозидази тощо). У свою чергу катепсин К активує матриксну металопротеїназу-9, яка бере участь у деградації колагену і протеогліканів міжклітинного матриксу. У цей період в остеокластах збільшується активність карбоангідрази. Іони НСО₃^- обмінюються на іони СI^-, які накопичуються в гофрованому краї; туди ж переносяться іони Н⁺. Секреція Н⁺ здійснюється завдяки дуже активній в остеокластах Н⁺/К⁺-АТФази. Розвиток ацидозу сприяє активації лізосомних ферментів і руйнуванню мінерального компонента.

Друга зона оточує першу і як би герметизує місце дії гідролітичних ферментів. Її називають чистою зоною через відсутність у ній органел, тому кісткова резорбція відбувається тільки під гофрованим краєм у замкнутому просторі.

На стадії утворення остеокластів з клітин-попередників процес може блокуватися білком остеопротегерином, який, завдяки своєму вільному пересуванню може зв’язувати RАNКL і, у такий спосіб, запобігати взаємодії RАNКL з RАNК-рецепторами. Цей білок-глікопротеїн має молекулярну масу 60 – 120 кДа і належить до сімейства рецепторів фактора некрозу пухлин. Інгібуючи зв’язування RАNК з RАNК-лігандом, остеопротегерин тим самим гальмує мобілізацію, проліферацію і активацію остеокластів.

Характер ремоделювання кісткової тканини багато в чому визначається балансом між продукцією RАNКL і остеопротегерину. Недиференційовані стромальні клітини кісткового мозку більшою мірою синтезують RАNКL і меншою – остеопротегерин. Дисбаланс системи RАNКL/остеопротегерин при збільшенні RАNКL супроводжується резорбцією кістки. Це явище спостерігається при постменопаузному остеопорозі, хворобі Педжета, втраті кісткової тканини при метастазах раку і ревматоїдному артриті.

З

Рис. 17.2. Ремоделювання кісткової тканини

рілі остеокласти починають активно поглинати кістку, а завершують руйнування органічної матриці міжклітинної речовини кістки макрофаги. Потім остеокласти відповідно до генетичної програми відмирають. Апоптоз остеокластів може затримуватися при нестачі естрогенів. На останньому етапі в зону руйнування прибувають стовбурові клітини, які диференціюються в остеобласти. Надалі остеобласти синтезують і мінералізують матрикс відповідно до нових умов статичного та динамічного навантаження на кістку.

Існує велика кількість факторів, які стимулюють розвиток і функції остеобластів (рис. 17.2). Залучення остеобластів до процесу перебудови кістки стимулюється різними чинниками – морфогенетичним білком кістки (МБК), ІФР, ФРФ, ФРТ, КФР і гормонами – паратгормоном, кальцитріолом, а також зв’язуючим фактором ядра α-1 і гальмується білком лептином. Останній – білок з молекулярною масою 16 кДа утворюється переважно в адипоцитах і свою дію реалізує через підвищення синтезу цитокінів, факторів росту епітелію і кератиноцитів.

Активні остеобласти формують шари остеоїду – немінералізованого матриксу кістки і поволі заповнюють порожнину резорбції. При цьому вони секретують білки міжклітинного матриксу - остеопонтин, остеокальцин тощо. Коли утворений остеоїд досягає діаметру 6  10^-6, він починає мінералізуватися. Швидкість цього процесу залежить від вмісту кальцію, фосфору і низки мікроелементів. Процесом мінералізації керують остеобласти, а гальмує його пірофосфат.

Утворення кристалів мінерального матриксу кістки індукує колаген. Формування мінеральної кристалічної решітки починається в зоні, що знаходиться між колагеновими фібрилами. Згодом вони стають центрами для відкладення кристалів в просторі між колагеновими волокнами (рис. 16.4).

Ф

Рис. 16.4. Відкладання кристалів гідроксіапатитів на колагенових волокнах

ормування кістки відбувається лише в безпосередній близькості від остеобластів у зоні з колагену, що знаходиться в протеоглікановому матриксі. Останні підвищують розтяжність колагенової сітки. Під час кальцифікації комплекс білок-полісахарид руйнується в результаті гідролізу білкового матриксу лізосомальними ферментами. У міру росту кристали витісняють не тільки протеоглікани, але й воду. Щільна, повністю мінералізована, кістка практично зневоднена; колаген становить 20 % маси та 40 % об’єму такої тканини, решта припадає на мінеральну частину.

Початок мінералізації характеризується посиленим поглинанням остеобластами молекул О₂, активацією окисно-відновних процесів і окисного фосфорилування. У мітохондріях накопичуються іони Са²⁺ і РО₄^3-. Починається синтез колагенових і неколагенових білків, які після посттрансляційної модифікації упаковуються в везикули. Від остеобластів відгалужуються особливі утвори – матриксні міхурці (або мембранні везикули). Вони містять велику кількість іонів Са²⁺, яка в 25 – 50 разів перевищує їх вміст в остеобластах, а також гліцерофосфоліпіди і ферменти – лужну фосфатазу, дифосфатазу, аденозинтрифосфатазу і аденозинмонофосфатазу. Іони Са²⁺ у мембранних везикулах пов’язані переважно з негативно зарядженим фосфатидилсерином. У міжклітинному матриксі мембранні везикули руйнуються з вивільненням іонів Са²⁺, пірофосфатів, органічних сполук, зв’язаних із залишками фосфатної кислоти. Присутні в мембранних везикулах фосфогідролази, і, першою чергою, лужна фосфатаза, відщеплюють фосфат від органічних сполук, а пірофосфат гідролізується пірофосфатазою; іони Са²⁺ зв’язуються з РО₄^3-, що призводить до появи аморфного фосфату кальцію.

Одночасно відбувається часткове руйнування протеогліканів, зв'язаних з колагеном I типу. Негативно заряджені фрагменти протеогліканів, що звільняються, починають зв’язувати іони Са²⁺. Деяка кількість іонів Са²⁺ і РО₄^3- утворюють пари і триплети, які зв’язуються з колагеновими і неколагеновими білками, що формують матрицю, при цьому виникають кластери або ядра. З білків кісткової тканини найактивніше зв’язують іони Са²⁺ і РО₄^3- остеонектин і матриксні Gla-білки. Колаген кісткової тканини зв’язує іони РО₄^3- через ε-аміногрупу лізину з утворенням фосфоамідного зв’язку.

На утвореному ядрі виникають спіралеподібні структури, ріст яких відбувається за принципом приєднання нових іонів. Крок такої спіралі дорівнює висоті однієї структурної одиниці кристалу. Формування одного кристалу призводить до появи інших; цей процес називають епітаксисом або епітаксичною нуклеацією.

Ріст кристалу чутливий до наявності інших іонів і молекул, які інгібують кристалізацію. Концентрація цих молекул може бути незначною, але вони впливають не лише на швидкість, а й на форму і напрям росту кристалів. Припускають, що такі сполуки адсорбуються на поверхні кристалу і гальмують адсорбцію інших іонів. Цими речовинами є, наприклад, гексаметафосфат натрію, який гальмує преціпитацію карбонату кальцію; пірофосфати, поліфосфати і поліфосфонати гальмують ріст кристалів гідроксіапатиту.

Через кілька місяців після заповнення кістковою тканиною резорбційної порожнини, щільність нової кістки збільшується. Остеобласти починають перетворюватися на контурні клітини, які беруть участь у безперервному виведенні кальцію з кістки. Деякі з них перетворюються на остеоцити, останні здатні сприймати механічний вплив на кістку.