Микроструктура кости – важна ли она?

Э.Симэн

(E.Seeman)

Кафедра эндокринологии

медицинского центра «Austin Health»

Университета Мельбурна,

Мельбурн,

Австралия

EL5 Микроструктура кости – важна ли она?

Кости должны быть твердыми, способными сопротивляться возникновению и развитию микротрещин при сгибании, чтобы работать как подъемник. Это достигается за счет иерархической структуры кости. На наноскопическом уровне тройные спирали коллагена 1 типа образуют фибриллы. При натяжении они крепки как канаты. Для сопротивления сгибанию фибриллы усилены минеральными пластинками гидроксиапатитов. Любопытно, что именно эти пластинки являются самым хрупким элементом кости. Однако они защищены от деформации, так как взаимосвязаны с остеопонтином и остеокальцином – клееподобными спиральными не-коллагеновыми белками, которые раскручиваются и тем самым обеспечивают «скрытую длину», ломая «жертвенные» водородные связи. При раскручивании эти не коллагеновые белки уменьшают нагрузку, приходящуюся на минеральные пластинки. На микроскопическом уровне минерализованные коллагеновые волокна организуются как костные структурные единицы (КСЕ) – или остеоны в кортикальной кости, а также гемиостеоны в трабекулярной кости – структуры, образующиеся путем ремоделирования во время роста. Связующая линия, сменяющие друг друга ламеллы волокон высокой и низкой плотности, ориентированные в разных направлениях, и наполняемый жидкостью центральный гаверсов канал, – каждый из этих элементов закупоривает проход и ограничивает удлинение микротрещин, предотвращая их проникновение в остеон. Чем больше плотность остеонов (число на единицу объема матрикса), тем больше сопротивляемость микротрещинам, которые чаще всего образуются в межостеоновой (внутритканевой) кости – а именно в участках кости, которые наиболее густо минерализованы и более связаны последними (конечными) продуктами расширенного гликирования (ППГ), такими как пентосидин, особенностями, способствующими распространению микротрещин. Кость должна также быть легкой, чтобы облегчить движение при низких затратах энергии. На макроскопическом уровне объем костного матрикса минимизируется за счет соединения с различными объемами пустоты. Сопротивляемость сгибанию – это 4-я силовая функция радиальной кости, так что кости могут достигать большего размера и большей силы за счет коры, более тонкой относительно общей площади поперечного сечения кости, путем перемещения этой коры далее от нейтральной оси. Легкость костей также достигается в более крупных костях путем соединения их с более пористой корой (больше остеонов или остеонов с более широким медуллярным каналом). Более мелкие кости соединяются более крепко с более плотной и менее пористой корой и меньшим медуллярным каналом относительно их размера. Наибольшая пористость обнаружена в метафизарных участках длинных костей, где матрикс формируется в виде губчатых трабекулярных пластинок и пластов. Немолодой возраст, менопауза, некоторые заболевания и лекарственная терапия могут повреждать эти материалы и микроструктурные свойства кости. Накопление ППГ, таких как поперечная коллагеновая связь молекул пентосидина, ограничивающая способность не-коллагеновых белков раскручиваться и защищать минеральные пластинки, что ведет к диффузному повреждению. Подавления ремоделирования кости с помощью антирезорбтивных средств позволяет матриксу подвергнуться более полной минерализации и гликолизированию, что увеличивает ломкость кости и способствует распространению микротрещин. Подавление ремоделирования также приводит к формированию меньшего количества остеонов, причем меньшего размера, наряду с относительным увеличением межостеоновой костной ткани, – тех особенностей, которые способствуют распространению микротрещин. Менопауза ухудшает дисбаланс ремоделирования и увеличивает скорость ремоделирования кости. Трабекулы перфорируются, гибнут и теряют связь друг с другом. Это уменьшение трабекулярной объемной плотности снижает трабекулярную прочность до 3-й силовой функции. Увеличение интракортикальной (внутрикорковой) пористости снижает прочности коры до 7-й силовой функции; это изменения, которые заметно выходят за рамки пропорции по отношению к количеству потерянного костного матрикса.