Что способствует регенерации костей: описание компонентов и процессов восстановления

Регенерация костей — это сложный процесс, который включает в себя активное участие различных клеток, таких как остеобласты, остеокласты и остеоциты. Остеобласты отвечают за синтез новой костной ткани, в то время как остеокласты разрушают старую или поврежденную. Этот баланс между образованием и разрушением костной ткани необходим для восстановления структуры и функции кости.

Ключевыми компонентами, способствующими процессу регенерации, являются микроэлементы, такие как кальций и фосфор, а также витамины D и C, которые поддерживают минерализацию и синтез коллагена. Кроме того, механические нагрузки на кости стимулируют клеточную активность, что также ускоряет восстановление. Так, сочетание биохимических факторов и механических стимулов обеспечивает эффективное восстановление поврежденных костей.

Костная ткань человека представляет собой сложную структуру, которая взаимодействует с другими органами и системами организма в единой гармонии. Когда возникают патологические процессы, затрагивающие костную систему на различных уровнях, то она реагирует защитными механизмами.

Костный скелет человека составляет 15-20% массы тела, а в его составе насчитывается более 200 костей. Главные функции костной ткани — метаболическая и опорно-двигательная.

Кости выполняют роль защиты жизненно важных органов от механических повреждений, способствуют движениям тела, а также образуют каркас, поддерживающий костный мозг.

При этом следует отметить, что в структуре костных органов нет значительных отличий.

Практически до середины ХХ столетия ученые рассматривали кость только как примитивный орган для накопления минеральных веществ и регуляции этого процесса.

На основе имеющегося клинического и экспериментального опыта последних десятилетий можно утверждать, что костная ткань обладает высокой функциональностью как динамически регенерирующая биологическая система.

Клеточные элементы костной ткани имеют способность к самовосстановлению, что обеспечивает регенерацию при травмах и замену устаревших недостаточно совершенных структур.

Структура и функции костной ткани

По степени дифференциации костную ткань подразделяют на пластинчатую (зрелую) и грубоволокнистую (незрелую), которые отличаются структурной организацией и физическими свойствами межклеточной жидкости.

Грубоволокнистая костная ткань характеризуется высокой скоростью образования и метаболических процессов. Незначительное ее количество находится в местах прикрепления связок или образуется при патологических состояниях, в том числе при переломах, нарушении метаболизма, воспалительных и неопластических процессах.

Незрелая костная ткань может формироваться в течение жизни человека в ответ на повреждения, инвазивные медицинские процедуры и стимуляцию остеогенеза.

Насыщение органического матрикса незрелой кости минеральными солями, катионами и анионами приводит к повышению механической прочности ее межклеточной жидкости и возникновению относительно упорядоченной структуры.

Такой вид костной ткани называют пластинчатой, или зрелой.

Зрелая костная ткань составляет основу губчатого и компактного вещества. Структурной единицей ее является пластинка, которая в кортикальном слое формирует концентрические цилиндры остеонов, а в губчатом слое — трабекулы.

Остеон состоит из системы связанных между собой костных пластинок, которые располагаются вокруг центрального канала. Остеоны бывают трех групп:

• Зрелые остеоны
• Остеоны в период роста
• Резорбционные остеоны.

Состав костной ткани включает органический матрикс (60%), минеральные компоненты (30%) и клетки. Органический матрикс занимает 90% от общего объема, а клетки, кровеносные и лимфатические сосуды составляют остальную часть.

В органическом матриксе структурной основой являются коллагеновые белки, на которые приходится 88% массы. Коллаген 1 типа занимает среди них 95% объема и образует волокна большого диаметра, обладающие значительной механической прочностью.

Процесс минерализации происходит вдоль волокон коллагена первого типа, который составляет основу оссеиновых волокон, определяющих прочностные характеристики костей.

Кроме коллагена 1 типа, в структуре присутствуют коллагены 3, 4, 5, 11, 12 типов, составляющие 5% общего количества коллагенов, а также большое количество органических кислот (например, лимонная), которые способны формировать комплексы с ионами кальция.

До недавнего времени принято было считать, что коллагеновые структуры выполняют исключительно опорную функцию, однако новые исследования Grimston и соавторов свидетельствуют об активном влиянии коллагеновых структур органического матрикса на метаболические процессы в костной ткани. Эти структуры Выступают регуляторными медиаторами пространственной ориентации клеток костной ткани, влияют на их дифференциацию и моделирование.

В межклеточном пространстве 5% составляют неколлагеновые белки (остеокальцин, остеонектин, костные сиалопротеины и др.), которые регулируют синтез и накопление коллагена.

Основу неколлагеновых белков составляет остеокальцин. Среди других неколлагеновых белков органического матрикса выделяют остеопонтин, цитокины и другие. Протеогликаны составляют 10% неколлагеновых белков и обеспечивают консолидацию коллагеновых фибрилл, связь коллагена с кристаллической фазой матрикса.

К длинным протеогликанам относят хондроитинсульфатный протеогликан, а к малым протеогликанам — декорин и бигликан. Они влияют на формирование фибрилл коллагена 1 типа, стимулируют скорость образования и прирост фибрилл в длину и ширину.

Зрелые остеоциты продуцируют только бигликан.

Протеогликаны располагаются на клеточной поверхности, выполняя роль медиаторов основных ростовых факторов костной ткани — фактора роста фибробластов, TGNb.

Механические свойства костной ткани зависят от функциональных характеристик взаимодействия компонентов «коллаген — протеогликаны — кристаллы».

К гликопротеинам кости относятся:

• щелочная фосфатаза
• остеонектин
• тромбоспондин
• фибронектин
• витронектин
• остеопонтин
• костный сиалопротеин.

Щелочная фосфатаза участвует в минерализации костной ткани. Остеонектин связывается с гидроксиапатитом и кальцием, участвуя в пролиферации остеобластов и содействуя их взаимодействию с матриксом.

Тромбоспондин связывает гепарансульфат-протеогликаны, фибронектин, ламинин, коллагены 1 и 5 типов, остеонектин. Локализуется в минерализованном матриксе.

В остеоиде тромбоспондин обеспечивает процессы клеточной адгезии.

Минеральная составляющая составляет около 30% от массы костной ткани, но включает 98% всех неорганических веществ человеческого организма, среди которых 99% кальция, 87% фосфора, 58% магния, 46% натрия и 20% необходимых микроэлементов.

Стереохимическое изучение основных кристаллических компонентов минерального матрикса дает возможность классифицировать их не только как кристаллы гидроксиапатита и аморфного фосфата кальция, и как кристаллический апатит, который не содержит в своем составе свободных ОН-групп, наоборот, включает фосфатные и карбонатные ионы.

Эти кристаллические структуры своей продольной осью располагаются параллельно коллагеновым фибриллам и характеризуются достаточно стабильным соотношением основных неорганических костных ионов кальция и фосфора.

При этом в аморфной фазе может содержаться до половины всех минеральных компонентов кристалла. На роль универсальных регуляторов стабильности апатитной структуры сегодня претендуют ионы магния, стронция и марганца.

Основы регенерации костной ткани

Существует два основных механизма формирования минерального матрикса:

• Путем постепенной кристаллизации апатита на основании уже существующего органического матрикса.
• Через медленную кристаллизацию из аморфных структур.

Возможным регуляторным механизмом данного процесса может быть изменение концентрации остатков фосфорных кислот за счет отщепления щелочной фосфатазы от глицеро- или гексофосфатов. В результате изменяется соотношение фосфатных ионов и ионов кальция, что приводит к отложению нерастворимых минеральных солей — образованию того самого минерального матрикса.

Насыщение органического матрикса грубоволокнистой костной ткани минеральными кристаллами и ионами увеличивает прочность межклеточного вещества, как было ранее изложено.

Клетки костной ткани происходят из двух клеточных линий:

• Полипотентные мезенхимальные стволовые клетки, находящиеся в костных каналах и костном мозге (преостеобласты, остеобласты, остеоциты).
• Клетки, которые могут дифференцироваться из гемопоэтических стволовых клеток в остеобласты.

Источником преостеобластов также являются васкулярные клетки — периваскулоциты. Дифференциация преостеобластов в остеобласты происходит одновременно с процессом образования новых капилляров. При высоких показателях рО2 остеогенные клетки дифференцируются в остеобласты, при низких — в хондробласты.

В активных участках формирования костной ткани выделяют три вида остеобластов, ультраструктура которых отражает их функциональную активность.

Остеобласты подразделяют на зрелые и незрелые, активные и находящиеся в состоянии покоя. Зрелые остеобласты характеризуются высокой остеогенной активностью, быстро вырабатывают коллаген 1 типа, протеогликаны и остеокальцин.

Незрелые остеобласты непосредственно прилегают к кости со стороны надкостницы, а их цитоплазма содержит низкие концентрации гранул гликогена, тогда как преостеобласты богаты этим веществом.

Основной функцией активным остеобластов является синтез компонентов органического матрикса кости, цитокинов и факторов роста, а также продукция матриксных пузырьков, которые принимают участие в минерализации костной ткани.

Маркером остеобластов выступают синтезируемые ими ферменты — щелочная фосфатаза и остеокальцин. Остеобласты, которые не участвуют в процессе формирования костной ткани, называют дремлющими. Плотность мембранных органелл у этих клеток значительно ниже по сравнению с активными остеобластами, и находятся они на поверхности кости.

Некоторая часть клеток прекращает синтез матрикса и называется остеоцитами. Это высокодифференцированные клетки, возникшие из остеобластов и окруженные минерализованным матриксом, находящиеся в лакунах, заполненных коллагеновыми фибриллами.

В зрелом скелете человека остеоциты составляют до 90% от общей популяции остеогенных клеток. Остеоциты отличаются слабовыраженными органеллами и не способны к дальнейшей пролиферации. От тел остеоцитов отходят длинные (до 60 мкм) отростки, которые размещаются в канальцах и анастомозируют с соседними клетками.

Жизненная активность остеобластов и остеоцитов определяется величиной и направлением нагрузок, гормональными влияниями и местной экосистемой клетки.

Согласно современным представлениям, одним из самых эффективных путей костной резорбции является остеокластическая резорбция.

Остеокласты происходят от гемопоэтических гранулоцитарных колониеобразующих единиц, которые являются предшественниками моноцитов / макрофагов. Об этом свидетельствует экспрессия на мембранах остеокластов рецепторов Fc, C3 и других мембранных маркеров макрофагов.

Остеокласты представляют собой крупные многоядерные клетки размера 150-180 мкм, с количеством ядер от 2 до 100. Их воздействие на костную ткань проявляется через выделение секрета двух типов: ионов Н+, растворяющих минералы, и протеолитических ферментов (катепсин, коллагеназы), вызывающих разрушение органического матрикса.

Адгезия остеокластов к кости опосредована белковыми рецепторами-интегринами, а регуляция функциональной активности клеток осуществляется остеобластами, а также многочисленными системными и локальными факторами.

В соответствии с современными представлениями, регенерация костной ткани протекает в двух формах — репаративной и физиологической.

Физиологическая регенерация костной ткани — это процесс замены старых несовершенных структур новыми, что можно рассматривать как непрерывный процесс ремоделирования.

У разных тканях возможности регенерации разные, и в значительной мере они связаны с наличием и активностью стволовых клеток.

Все известные механизмы формирования костной ткани можно разделить на две основные теории морфогенеза, рассматривающие процесс реконструкции с различных точек зрения.

По теории Frost, процесс ремоделирования костной ткани можно рассматривать как результат двух разнонаправленных процессов — резорбции и образования кости, в основе которых лежит понятие о функциях морфологической единицы ремоделирования кости.

Одна из теорий основана на морфологических (клеточных) аспектах остеогенных процессов и выделяет два направления ремоделирования кости: поверхностное (в эндосте и надкостнице) и внутреннее (в трабекулах губчатой кости и кортикальном слое).

Другая теория, характеризующая процесс костного ремоделирования, ставит в основу биохимические аспекты его формирования. Lemperg, анализируя структуру цитоплазмы остеобластов, выявил многочисленные вакуоли, которые, превратившись в гранулы, становятся активными метаболическими центрами.

Остеокласты продуцируют мембранные пузырьки, которые считаются внеклеточными органеллами, способными накапливать ионизированные фосфаты и кальций. Деятельность этой системы характеризуется высокой точностью, циклическим характером и четкой возрастной зависимостью.

Полное обновление всех костей скелета человека происходит примерно раз в 10 лет, при этом скорость обновления кортикальной пластины в 5 раз ниже, чем губчатой. В любой момент около 2 миллионов костных единиц находятся в процессе ремоделирования.

Схема процесса физиологической регенерации костной ткани выглядит следующим образом.

Пусковым механизмом регенерации выступает отшелушивание покровных клеток, образовавшихся из остеобластов и выстилающих всю поверхность кости. Эти клетки исключительно богаты щелочной и пирофосфатазой, поэтому в результате образуются фосфорные эфиры с высоким уровнем свободных радикалов.

В этом участке обнажается костная поверхность, на которой фиксируются одноядерные клетки-предшественники остеокластов. Последние в течение 1-2 недель резорбируют определенную часть костной ткани, после чего замещаются мононуклеарными клетками, способствующими подготовке лакунарной поверхности к миграции клеток-предшественников остеобластов в участки резорбции.

Это явление известно как фаза переключения, когда процесс резорбции переходит в формообразующий процесс. В настоящее время достоверно не известны факторы, которые инициируют данный процесс. Возможно, это инсулиноподобный фактор роста II и трансформирующий фактор роста-бета, которые способны стимулировать репликацию и дифференциацию остеобластов в участке костной резорбции.

Процесс заполнения полостей, образованных при резорбции костной ткани, включает органический матрикс с последующей минерализацией, продолжающейся от 25 до 40 дней. Формирование минеральных структур происходит с циркадной периодичностью, а полный цикл ремоделирования костной ткани составляет примерно 100 дней.

В физиологическом ремоделировании активно участвуют резорбирующие и остеогенные клетки. Клетки-инициаторы ремоделирования и клетки, которые индуцируют переключение, являются в настоящее время предметов активных научных исследований.

Цикл ремоделирования может нарушаться на различных этапах, что приводит к аномальному образованию костной ткани. Наиболее критическими моментами являются повышенная активность остеокластов, замедление фазы переключения и неспособность остеобластов заполнить резорбционную нишу.

Описанные выше механизмы отображают морфологических подход к процессу регенерации костной ткани. Теория матриксных пузырьков, в свою очередь, трактует этот процесс через сложные биохимические связи органического и минерального матрикса кости: образование коллагеновых структур, формирование кристаллических и аморфных структур, метаболизм минерального матрикса и др.

Репаративная регенерация костной ткани — это процесс восстановления утраченных в результате действия патогенных факторов костных структур.

Восстановление целостности костной ткани после заболеваний, травм или медицинского вмешательства происходит благодаря взаимодействию остеобластов и остеокластов с участием капилляров.

Согласно современным представлениям, травматические повреждения костной ткани влекут за собой цепочку метаболических изменений не только в участке перелома, но и по всему организму. Раздражение соответствующих рецепторов индуцирует изменения активности регуляторных систем системного и локального действия.

В образовавшейся между костными отломками гематоме происходит активное накопление биологических продуктов, которые высвобождаются при процессе распада и лизиса тканей. Последние индуцируют запуск механизмов репаративного процесса.

Участок между костными отломками становится автономной областью, в которой повторяются закономерности, заложенные в филогенезе. На смену катаболической фазе приходит анаболическая фаза регенерации, протекающая с активным участием соединительной ткани.

Нити фибрина кровяного сгустка, которые остаются после абсорбции жидкой части гематомы, выполняют функцию твердого основания для пролиферации соединительнотканных клеток и прорастания капилляров.

Сначала пролиферация фибробластов происходит в автономном режиме, регулируясь механизмом положительной обратной связи, когда результат стимулирует последующие стадии биологического процесса.

Отрицательная обратная связь возникает вследствие истощения запасов среды, уменьшения размера гематомы и нарастающего давления окружающих тканей. Направление гистогенеза клеток соединительной ткани определяется условиями механической стабильности и уровнем кровоснабжения окружающих тканей.

Продукты аутолиза, высвобождающиеся в катаболической фазе, играют важную роль в хемотаксисе для роста кровеносных сосудов. На месте гематомы быстро формируется соединительная ткань, которая связывает костные фрагменты.

Дальнейшее протекание и результат процесса консолидации определяется механической нагрузкой и качеством кровообращения в пораженном участке.

В настоящее время выделяют первичное (обусловленное мезенхимальной тканью) и вторичное (обусловленное хрящевой тканью) сращение кости.

Первичное сращение происходит естественно при переломах губчатых костей, когда обеспечена механическая стабильность и достаточный кровоток. В результате образуется костная спайка, интемедиарная костная мозоль, имеющая значительную контактную поверхность, что способствует восстановлению прочности кости.

Вторичное сращение представляет собой вариант консолидации переломов в природных условиях, при котором первоначальную стабильность обеспечивает фиброзно-хрящевая, а затем костно-хрящевая периостальная костная мозоль.

Последняя отвечает за восстановление прочности кости не только на уровне перелома, но и на всем протяжении участка некроза костных отломков.

После консолидации перелома механическая прочность костной мозоли, как правило, остается более высокой по сравнению с интактной костью.

Так в общих чертах выглядят механизмы регенерации костной ткани.

Разновидности регенерации

Этот процесс может быть как репаративным, так и физиологическим.

Репаративная форма регенерации связана с пролиферацией клеток (то есть их размножением посредством деления).

Этот процесс происходит в камбиальном слое надкостницы, эндосте, строме костного мозга и других структурах.

Физиологическая регенерация связана с обновлением костной ткани.

Сначала эта ткань рассасывается, а затем формируются новые структуры.

Таким образом восстанавливается анатомическое строение костей. Также происходит приспосабливание их к определенным функциям.

Вклад Г. Илизарова в восстановительную медицину

Несколько десятилетий назад медик по фамилии Илизаров открыл одну важную закономерность.

Он установил, что если постепенно растягивать костную и мягкую ткани, то это запустит процесс регенерации.

При этом значительно увеличивается деятельность клеток. Восстановлению подлежат все виды тканей организма: костная, мышечная, нервная, сосудистая и кожная.

Это открытие дало серьезный толчок развитию восстановительной медицины.

В настоящее время существует множество методов, направленных на устранение дефектов как мягких, так и костных тканей.

Более того, с помощью открытия Илизарова стало возможно удлинять кости и бороться с деформациями скелета. А значит, возвращать инвалидов к полноценной жизни.

Научная электронная библиотека

В филогенетическом аспекте кость является самой молодой тканью. Она до сих пор находится в периоде адаптации к существованию в условиях гравитации. Кроме того, скелет человека подвержен воздействию такого фактора, как прямохождение, а в последние столетия претерпевает изменения, связанные с гипокинезией и различными вынужденными положениями.

В морфофункциональном отношении кость является одной из наиболее сложных и биологически активных тканей. По многим показателям она превосходит другие системы организма и является наиболее массивной, многофункциональной, обладает высокой метаболической и репаративной активностью. Костная ткань в разных участках на 20–25 % состоит из органического матрикса. Около 60–65 % массы сухого деминерализованного матрикса приходится на коллаген и 17–18 % на неколлагеновые белки, по своей структуре, являющиеся гликопротеинами. В состав стромы костного мозга входят недифференцированные стволовые мезенхимальные клетки – ретикулярные, соединительнотканные, эндостальные фибробластоподобные, эндотелиальные клетки, адипоциты, дифференцированные костные клетки (остеобласты, остеокласты, остеоциты), межклеточное вещество, клетки эндоста и периоста, костный мозг, сосудистые, лимфатические и нервные образования, интимно связанные с окружающими мягкими тканями [13, 28, 36, 52].

В костной ткани постоянно протекают два противоположно направленных процесса – резорбция и новообразование. Соотношение этих процессов зависит от различных факторов, в том числе от физических нагрузок на кость и возраста. Считается, что остеогенез происходит за счет клеток эндоста, периоста и костного мозга.

Физиологический процесс ремоделирования губчатого костного материала проходит через несколько этапов, на каждом из которых активны различные клетки. Вначале участок кости, который будет резорбирован, получает «метку» от остеоцитов с помощью специфических цитокинов (называемая активация), что приводит к разрушению защитного слоя на костном матриксе. На обнаженной поверхности кости начинают собираться предшественники остеокластов, которые объединяются в многоядерное соединение – симпласт – зрелый остеокласт. Далее остеокласт деминерализует матрикс кости (фаза резорбции), после чего освобождает место для макрофагов, ответственных за дальнейшее разрушение органической матрицы межклеточного вещества, что подготавливает поверхность к адгезии остеобластов (фаза реверсии). На заключительном этапе в зону разрушения поступают предшественники, которые превращаются в остеобласты, синтезирующие и минерализующие матрикс в соответствии с новыми условиями статической и динамической нагрузки на кость (фаза формирования) [9, 14, 19, 45].

Регуляция остеогенеза имеет три уровня: локальный (местный), системный и генетический. Это обстоятельство в конечном итоге обеспечивает высокий уровень метаболизма костной ткани.

Местная регуляция осуществляется микроокружением через разные цитокины, множество факторов роста, полипептиды, ферменты и межклеточные взаимодействия.

Системная нейроэндокринная регуляция осуществляется гормонами и веществами с гормоноподобным действием. Наиболее изученными являются паратиреоидный гормон, половые гормоны, метаболиты вит. D, кальцитонин, глюкокортикоиды, тиреоидные гормоны [9, 52]. Морфофункциональная связь остеогенеза и кровообращения осуществляются не только анатомически, но и тесно функционально. Это подтверждено многочисленными исследованиями связей внутрикостной и внекостной системы артериального, венозного, лимфатического русла, нервной регуляции с остеорецепцией.

Красный костный мозг является депо крови, органом кроветворения, высокочувствительной рефлексогенной зоной, центральным звеном иммунной системы. Красный костный мозг – это источник практически неистощаемого пула мезенхимальных стволовых фибробластоподобных клеток – предшественников остеобластов, способных не только потенцировать остеогенез, но и строить кроветворное микроокружение и регулировать собственно кроветворение [49].

Нарушения в остеогенезе могут привести к различным патологиям. Исследования, проведенные В.М. Чепоя (1978) с помощью радиоактивного пирофосфата технеция, показали, что при межпозвонковом остеохондрозе наблюдается значительное снижение активности фибробластов и увеличение остеокластических процессов в телах позвонков. Это делает кость более пористой и хрупкой, напоминая изменения, наблюдаемые в пожилом возрасте, что свидетельствует об остеопорозе. По мнению McMahon et al. (2002), нехватка карбоангидразы-2 в остеогенезе может вызвать симптомы остеосклероза.

По данным С.В. Либенсона (1989) при гипокинезии происходят существенные изменения в системе регуляции остеогенеза, выражающиеся в гипокальцемии, увеличении содержания паратгормина и кальцитонина в крови, гиперэкскреции с мочой минеральных и органических компонентов, участвующих в остеогенезе. Подобные же изменения автор наблюдал и при хроническом болевом синдроме.

Репаративная регенерация – это восстановление ткани после повреждения. Механизмы физиологической и репаративной регенерации костной ткани качественно едины, осуществляются на основе общих закономерностей. Репаративная регенерация – есть в той или иной мере усиленная физиологическая [34]. Одними из индукторов репаративной регенерации костной ткани и усиления метаболизма являются ее травматическое повреждение [10, 34], а также метод аутотрансплантации красного костного мозга, как источника мезенхимальных стволовых клеток – предшественников фибробластов.

Многие исследователи указывают на возможность локально возбуждать репаративную регенерацию костной ткани, тем самым изменять ее метаболизм, методом остеотомии, трепанации, туннелизации или перфорации в необходимых участках кости. Локализованная и дозированная альтерация костной ткани применяется, как средство терапевтического воздействия и приводит к купированию дегенеративно-дистрофических нарушений. Лечебный эффект проявляется местно в зоне стимуляции и регионарно в сегментарных областях за счет интенсификации гемоциркуляции [10, 32, 34].

Микротравматическое повреждение костной ткани приводит к возникновению остеоиндуктивного сигнала, который осуществляется морфогенетическим белком-2, при этом, как в костной ткани, так и в кровеносной системе, происходит стремительная активация ростовых факторов (инсулиноподобного фактора роста, фактора роста фибробластов, колониестимулирующего фактора, фактора некроза опухоли-α и т.д.) [6].

Индуцированный фактор некроза опухоли человека (hTNF)-α способствует образованию одноядерных преостеокластоподобных клеток (POCs) и увеличивает количество мРНК рецепторов кальцитонина (CTR) в этих клетках, а также стимулирует синтез колониестимулирующего фактора макрофагов (M-CSF) и мРНК активатора ядерного фактора Каппа В лиганда (RANKL). Сочетанное действие стволовых клеток красного костного мозга с hTNF-α и растворимым RANKL способствует образованию многоядерных остеокластоподобных клеток (MNC-s) из макрофагов, что ведет к лизису и резорбции при переломах. RANKL играет важную роль в сигнальной передаче преостеокластов и остеокластов, а В функциях резорбции и жизнеспособности зрелых остеокластов [50]. Механизмы сигнальной передачи RANKL также затрагивают активируемые митогенами протеинкиназы, что указывает на нейроэндокринный уровень регуляции [50]. HTNF-α, простагландин E2 (PGE2), паратгормон (PNG) и 1,25(ОН)2 витамин D3 способствуют образованию интерлейкина 11 (IL-11), интерлейкина 11R (IL-11R) и гликопротеина (gp 130) остеобластами через мРНК.

Основной фактор роста фибробластов (bFGF) увеличивает в ККМ количество остеобластов и стимулирует образование белкового матрикса, ускоряя минерализацию и снижая уровень свободного фосфата.

При повреждениях кости в красном костном мозге также наблюдается экспрессия мРНК фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) и его рецепторов. Ангиобласты активно окружают поврежденную область, создавая капилляры. Механическое повреждение может быть усилено за счет введения аутологичных стволовых клеток костного мозга [36].

Особый интерес вызывают работы о применении внутрикостной трансплантации аллогенного костного мозга для лечения экспериментального сенильного остеопороза. В этом случае остеоиндуктивный сигнал осуществляется морфогенетическим белком-2 и макрофагами [25, 50]. Аденозинтрифосфат (АТФ) так же участвует в передаче сигналов факторов роста ККМ за счет повышения активности протеинкиназ. Таким образом, существенно усиливается метаболическая активность костной ткани.

Янковский Г.А. (1982) привел результаты лечения 135 больных пояснично-крестцовым радикулитом методом введения 1 мл изотонического раствора натрия хлорида в остистые отростки нижних поясничных позвонков. У 122 пациентов автор отметил значительный регресс неврологической симптоматики и в течение последующих 2-х лет у этих больных поясничные боли не отмечались. При рентгенденситометрии у данных пациентов было выявлено увеличении плотности костной ткани. Автор сделал вывод, что внутрикостная пункция остистого отростка вследствие общности кровообращения обуславливает улучшение трофики тела позвонка и, соответственно, межпозвонкового диска.

Результаты гистологического анализа костной ткани, проведенного И.Н. Атясовым (2000), показали, что через сутки после внутрикостного введения 10 мл различных жидкостей или крови наблюдается разрушение костных трабекул и повреждение стромы и паренхимы костного мозга, что привело к нарушению кровоснабжения в области деструкции — последствие механического воздействия при введении иглы в кость.

Через 3 суток на месте внутрикостного вливания 10 мл жидкости наблюдалось разрастание нежноволокнистой ткани и гиперплазия эндостальных элементов в виде окружения близлежащих к очагу деструкции костных трабекул остеобластами, а в некоторых опытах (после внутрикостного введения лекарственных жидкостей вместе с аутологичным костным мозгом) – уже было видно образование и разрастание остеоидных балочек.

Через 5 суток разросшаяся нежноволокнистая ткань почти полностью замещала очаг кровоизлияний, определялась резко выраженная гиперплазия соединительнотканных и эндостальных элементов в виде разрастания множества остеоидных балочек и напластования остеоидных масс на окружающие зрелые костные балки.

По истечении 7 суток в месте введения жидкости определялась нежно-волокнистая ткань, полностью замещающая очаг кровоизлияний.

Через 15 суток в нежно-волокнистой соединительной ткани определялись скопления лимфоидных и жировых клеток, множество зрелых костных балок с явлениями активной перестройки с помощью остеобластов и остеокластов.

На 18-20 день после операции были выявлены первые признаки фиброза.

В последующие 30–60 суток в месте введения иглы в кость отмечалась разросшаяся фибринозная ткань неравномерной плотности, окруженная костными балками, находящимися в стадии дальнейшей перестройки.

К 60 дню костная и костномозговая ткани полностью восстановили свои клеточные структуры [2, 3].

Костная ткань – это главное депо минеральных солей в организме, по своей химической структуре представляет собой кристаллы гидроксиапатита, поэтому обладает физическими свойствами пьезоэлектрика. При одноостных сжатиях, изгибах или кручениях постоянно изменяется пьезоэлектрический потенциал как всей кости, так и отдельных ее составляющих элементов. В основополагающих работах Фукады и Ясуды (1957) было показано, что поляризация линейно связана с механическим напряжением и деформацией. В состоянии покоя на поверхности кости нет связанных поляризационных зарядов, вызванных собственными механическими напряжениями, т.к. они компенсируются ионами электролита. Механическая деформация кости определенным образом изменяет пьезоэлектрические потенциалы.

Так, на вогнутой поверхности образуется отрицательный, а на выпуклой – положительный заряд. Сочетание положительных и отрицательных потенциалов так же существенно влияет на процессы активации остеокластов, остеобластов и других клеток кости и костного мозга, на движение ионов и заряженных молекул по кровеносным сосудам.

На вогнутой поверхности активируется остеогенез, в то время как на выпуклой поверхности наблюдается резорбция. Кроме того, кровоток создает электрохимический потенциал. Распределение электропотенциалов в кости таково, что венулы преимущественно имеют положительный заряд, что видимо способствует предотвращению зарастания костных каналов, по которым они проходят.

Однако при недостаточных механических нагрузках на кость, незначительном внутрикостном кровотоке, венозном застое изменяется соотношение разнополярных потенциалов. Положительный заряд венул уменьшается или превращается в отрицательный. Это способствует костеобразованию в месте их выхода. Уменьшается диаметр отверстия, в котором проходит венула, что ограничивает возможности резервного оттока, усиливает отек, замедляет отток крови от кости. Таким образом, замыкается патологический круг.

Регенерация костей: чем можно ей помочь

Кости составляют основу опорно-двигательного аппарата. Под прочной защитой костей находятся ценные структуры организма — костный мозг, в котором в течение всей жизни идет образование всех клеток крови и иммунитета, а также головной и спинной мозг, осуществляющие регуляцию всех функций организма.

Развернуть на весь экран

Долговременная эволюция усовершенствовала механизм формирования костной ткани в человеческом организме, известный как остеогенез. Этот механизм отвечает как за постоянное обновление (физиологическую регенерацию или ремоделирование), так и за восстановление после травматических повреждений (репаративная регенерация).

Кость формально можно назвать композиционным материалом, в состав которого входят органические вещества (основной белок-коллаген) и неорганические вещества (основные соли — кальция и фосфора). Два главных вида клеток — разрушающие кость (остеокласты) и формирующие кость (остеобласты) — трудятся в течение всей нашей жизни, обеспечивая обновление костной ткани и ее восстановление после травм.

Биоминерализацию белков могли осуществлять организмы уже более 600 млн лет назад. Раковины моллюсков, иглы морского ежа, наружный скелет членистоногих — результат этого процесса. Процесс биоминерализации коллагена при образовании костной ткани (то есть инкрустация его солями кальция, фосфора и некоторыми микроэлементами) эволюционно древний, с одной стороны, а с другой — находящийся под контролем нервной и гуморальной (через кровь с помощью биологически активных веществ и гормонов) систем. Кроме того, в костной ткани и костном мозге находится глубокий резерв организма — центральное депо стволовых клеток, замещающих в течение жизни состарившиеся или погибшие клетки во многих органах и тканях.

Изучение процессов остеогенеза привело к осознанию важности разработки материалов и конструкций, которые позволяют заменять костные дефекты с формированием специфической для этого органа структуры. Такой подход получил название биомиметический.

Когда же может понадобиться помощь регенерационным процессам в костной ткани, если они такие совершенные, эволюционно древние? Есть такие ситуации.

Во-первых, это так называемые костные дефекты, превосходящие по размерам критические, костные дефекты у пожилых людей с нарушениями кальциевого обмена и, наконец, костные дефекты у онкологических больных после химио- или лучевой терапии, когда регенерация затруднена.

То есть такие материалы востребованы при реконструктивно-пластических операциях в травматологии, челюстно-лицевой хирургии, стоматологии и, конечно, в онкологии.

Сегодня опухоли костей и метастазы в костную ткань не приговор. Их удаляют, замещая дефекты остеопластическими материалами. Полнота реабилитации у этой категории больных напрямую зависит от успехов в медицинском материаловедении.

История создания остеопластических биоматериалов насчитывает более полувека. Первые образцы таких материалов были биоинертными, вторые — биоактивными и биодеградируемыми, третьи — предназначены для стимуляции специфических клеточных реакций на молекулярном уровне.

Золотым стандартом, тем не менее, остается использование аутологичной (собственной) костной ткани. Однако необходимость дополнительного оперативного вмешательства и недостаточное количество материала для закрытия крупных дефектов привели к идее использовать аллогенную (другого организма) костную ткань.

Однако применение таких материалов также несет риск переноса неидентифицированных инфекционных и аллергенных агентов от донора. Специалисты в области материаловедения предложили использовать синтетические кальций-фосфатные композиты, которые максимально близки по составу к неорганической компоненте костной ткани. Эти материалы до сих пор активно используются, обладая биосовместимостью, остеоиндуктивными свойствами и способностью поддерживать остеогенез. Тем не менее, установлено, что они растворяются медленнее, чем происходит образование новой костной ткани.

Неожиданный толчок в развитии биоматериалов дало изучение скелета кораллов. Он состоит из карбоната кальция, имеет особо прочную кристаллическую решетку-арагонит, сквозную пористость (что обеспечивает поток питательных веществ, газов, прорастание сосудов) и скорость биорезорбции сходную со скоростью остеогенеза. Он оказался блестящим материалом природного происхождения для замещения костных дефектов. Однако добыча кораллов ограниченна, и трудно стандартизировать их микроэлементный состав. Это привело к идее трехмерной печати для создания конструктов с целью замещения костных дефектов заданной формы, пористости и архитектоники поверхности, используя в качестве «чернил» кальций-фосфатные материалы.

Следующим этапом развития этого направления стала 3D-печать композиционных конструктов, содержащих как натуральную кость, так и органическую составляющую. В качестве таковой используют полимеры как природного (коллаген, альгинат, хитозан), так и синтетического происхождения. Еще более стимулировать остеогенез удалось при насыщении таких конструктов собственными стволовыми клетками из костного мозга, что открыло возможности изготовления персонализированных имплантатов заданной геометрии, пористости и архитектоники.

Современные исследования в этой сфере сосредоточены на разработке технологий функционализации 3D-конструктов с использованием биологически активных веществ (например, для пожилых людей или при крупных дефектах), антибиотиков (в случае открытых травм, возникновения риска инфицирования и воспалительных процессов) или противоопухолевых препаратов. В последнем случае предполагается использование таких конструкций для точечной доставки химиотерапевтических средств с пролонгированным действием, что может снизить нагрузку на системную (внутривенную) химиотерапию у пациентов с онкологическими заболеваниями.

Наталья Сергеева, доктор биологических наук, профессор, завлабораторией МНИОИ им. П. А. Герцена — филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России

Кость

Кость является основным компонентом скелета позвоночных существ, включая людей. Структурной единицей кости является костная ткань. Изучение кости именуется остеологией. Кости формируют прочный каркас тела (у человека их приблизительно 200) и соединены подвижными суставами, которые управляются мышцами и образуют опорно-двигательный аппарат. Кости также участвуют в метаболизме, особенно в обмене минералов, и в процессе кроветворения. Каждая кость имеет свою уникальную форму и размер, занимает определенное положение в организме, покрыта надкостницей, внутри содержит костный мозг, а также пронизана кровеносными и лимфатическими сосудами и нервами.

Различают трубчатые кости (основа конечностей ), плоские ( рёбра , грудина ) и короткие толстые ( позвонки ). Наиболее многочисленны трубчатые кости, зауженная средняя часть которых – тело, или диафиз, имеет форму трубки, а концы кости, или эпифизы, расширены, сформированы из суставного хряща и покрыты надхрящницей. Надкостница образована соединительной тканью , богатой волокнами коллагена , костными клетками (неактивными остеобластами ) и клетками-предшественниками; она осуществляет связь с окружающими тканями, обеспечивает рост кости в толщину и её регенерацию . Изнутри кость ограничена эндостом, аналогичным по клеточному составу надкостнице.

Костная ткань состоит из минерализованного неклеточного матрикса и специализированных дифференцированных клеток, таких как остеобласты, остеоциты и остеокласты, которые обеспечивают гистогенез и морфологическую целостность кости на протяжении всей жизни организма. Матрикс содержит волокна коллагена, составляющие основную его массу, а также минеральные компоненты – в первую очередь соединения кальция и фосфора, в то время как оставшаяся часть включает гликозаминогликаны (гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат и кератинсульфат) и неколлагеновые белки – гликопротеины (остеокальцин, остеонектин и остеопонтин). Эти белки играют ключевую роль в процессе минерализации, который зависит как от наличия кальция и фосфора в организме (что регулируется гормонами кальцитонином и паратирином), так и от деятельности остеобластов и остеокластов, ответственных за контроль данного процесса.

Различают активные и неактивные (покоящиеся) формы остеобластов. Активные остеобласты – полярные клетки костной ткани, имеющие зону, обращённую к матриксу, и зону, содержащую ядро с крупным ядрышком и цитоплазму с присутствующими в ней гранулярным эндоплазматическим ретикулумом , свободными рибосомами и крупным аппаратом Гольджи . В цитоплазме синтезируются и секретируются компоненты неминерализованного неклеточного вещества (остеоида) – коллаген, составляющий 90 % всех белков остеоида, и неколлагеновые белки, необходимые для минерализации остеоида и превращения его в матрикс.

Например, сиалопротеин и остеонектин, выделяемые остеобластами, усиливают связывание минеральных веществ и регулируют рост кристаллов гидроксиапатита, обеспечивающих минерализацию. Остеобласты могут также секретировать непосредственно в матрикс мембранные микропузырьки, содержащие высокую концентрацию кальция и щелочной фосфатазы . Вокруг разрушающихся пузырьков формируются кристаллы гидроксиапатита. Активные остеобласты лежат на поверхности образованных ими костных балок, трабекул и единичными тонкими отростками цитоплазмы соединяются с соседними клетками, создавая щелевые контакты (gap junctions), обеспечивающие межклеточный обмен метаболитами . Неактивные остеобласты образуются из активных остеобластов, входят главным образом в состав надкостницы и эндоста, имеют плоскую форму, значительная часть их органелл утрачена в ходе дифференцировки. Между этими клетками и костью лежит тонкий слой неминерализованного вещества (остеоида), защищающего кость от возможного воздействия других костных клеток – остеокластов. Неактивные остеобласты принимают непосредственное участие в регенерации и репарации костной ткани; различные повреждения могут быть причиной развития доброкачественной (остеомы) или злокачественной ( остеосаркома ) опухоли.

Остеоциты представляют собой остеобласты, которые полностью инкорпорированы в матрикс. Эти клетки теряют свою способность к делению, уменьшаются в размерах, их органеллы подвергаются редукции, а синтетическая активность существенно снижается. Остеоциты располагаются в лакунах минерализованного матрикса, окруженные множеством коллагеновых фибрилл и тонким слоем остеоида. Их отростки находятся в узких канальцах кости.

Отростки соседних остеоцитов связаны между собой щелевыми контактами, поддерживая тем самым трофику всех элементов костной ткани и кости как органа . Функция остеоцитов состоит в поддержании баланса кальция и фосфата в матриксе и организме в целом. Они способны вырабатывать компоненты матрикса и, возможно, могут растворять и сам матрикс, что приводит к увеличению размера лакун. Остеоциты чувствительны к механическому напряжению внутри костной ткани и электрическим потенциалам, возникающим при деформирующих воздействиях на кость. При этом клетки запускают локальный процесс перестройки костной ткани.

Остеокласты – крупные поляризованные многоядерные клетки ( симпласты ), способные к активному передвижению и разрушению костной ткани путём ее резорбции (рассасывания или расплавления); участвуют (например, наряду с кальцитонином) в поддержании кальциевого баланса в кости и организме в целом. Функционируют циклически, активная фаза их деятельности сменяется покоем.

Расположены (чаще поодиночке) на поверхности костных балок и пластин в особых, ими же созданных углублениях – резорбционных лакунах. Область остеокластов, обращённая к кости, с боковых сторон имеет участки плотного соприкосновения плазмалеммы клетки с костной балкой за счёт взаимодействия поверхностных белков плазмалеммы ( интегринов ) и белка остеопорина костного матрикса, тем самым содержимое лакуны изолируется от окружающей среды.

Плазмалемма в этой зоне остеокласта формирует многочисленные плотно упакованные микроворсинки (складки), способные удлиняться и укорачиваться. Противоположная область остеокласта, выступающая над лакуной, содержит ядро, митохондрии , развитый аппарат Гольджи и многочисленные лизосомы , маркерными ферментами которых являются особая форма кислой фосфатазы, карбоангидраза и АТФ-аза. Резорбция минерального компонента костной ткани происходит путём закисления остеокластом среды лакуны, а органических соединений матрикса – посредством выброса лизосомальных ферментов в лакуну. Разрушение костной ткани завершается фагоцитозом остеокластов органических остатков кости и высвобождением связанного с матриксом кальция.

Костная ткань делится на два основных типа: грубоволокнистую и пластинчатую. Грубоволокнистая ткань отличается случайным расположением коллагеновых фибрилл и остеоцитов в лакунах матрикса. Такой тип ткани преобладает у эмбрионов и встречается у взрослых людей достаточно редко, в основном в областях швов черепа, местах крепления сухожилий и в пространствах, где происходят процессы заживления переломов.

Образуется на месте эмбриональной мезенхимы (прямой остеогенез). Пластинчатая ткань отличается большой прочностью, построена из основных структурно-функциональных единиц – остеонов (Гаверсовых систем). Последние представляют собой несколько цилиндров, вставленных один в другой; их ось параллельна длинной оси кости.

На поперечном срезе остеона видно, что в центре расположен Гаверсов канал, где проходят мелкие сосуды, а также присутствуют камбиальные остеогенные клетки. Вокруг этого канала находятся несколько концентрических слоев матрикса. Между этими слоями в лакунах находятся остеоциты с их отростками.

Эти отростки, проходя под прямым углом по узким щелевидным полостям в матриксе, пронизывают пластинки и соединяют щелевыми контактами остеоциты. С внешней и внутренней сторон пластинчатая кость окружена системой параллельно идущих костных пластинок, граничащих с надкостницей снаружи и с эндостом внутри кости.

Пластинчатая ткань широко распространена у позвоночных, составляя основу большинства костей скелета. Она формируется на месте хрящевой модели будущей кости путём непрямого остеогенеза – многоступенчатого процесса разрушения хряща и замены его (с участием остеобластов и остеокластов) грубоволокнистой, а затем пластинчатой костной тканью. Регенерация кости после её переломов осуществляется камбиальными остеогенными клетками, локализованными в надкостнице, эндосте и каналах остеонов. Эти клетки мигрируют в зону повреждения, здесь же пролиферируют и дифференцируются в остеобласты. Такой тип регенерации сходен с гистогенезом кости в эмбриональном периоде, с первичным образованием грубоволокнистой костной ткани и последующим её замещением (при соответствующих условиях) на пластинчатую ткань.

Иллюстрация структуры пластинчатой костной ткани. Иллюстрация структуры пластинчатой костной ткани.

Костная ткань во взрослом организме постоянно, в течение всей его жизни, перестраивается и обновляется в зависимости от действующих на неё механических и физиологических нагрузок. Перестройка обеспечивается взаимозависимыми процессами разрушения костной ткани остеокластами и её образования остеобластами и основана на взаимовлиянии этих типов клеток друга на друга: остеобласты стимулируют дифференцировку и активность остеокластов, а остеокласты активируют деятельность остеобластов.

С возрастом процессы резорбции костей превышают процессы их образования, что часто приводит к остеопорозу – разрежению костной ткани. Основные виды патологии костей – переломы , воспалительные (например, остеомиелит ), дистрофические ( остеохондропатия ), диспластические ( остеохондродисплазия ) и опухолевые (например, остеосаркома ) заболевания. М. В. Шорникова. Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2010.