Ремоделирование кости

Процесс перестройки костей осуществляется постоянно. В детском и юношеском возрасте процесс новообразования кости протекает интенсивнее, чем резорбция. У взрослых после (20-25 лет) имеется динамическое равновесие между этими противоположными процессами, а в пожилом возрасте начинают превалировать процессы резорбции, что приводит к постепенной потере костной массы. Особенно это усиливается после наступления менопаузы. В результате избыточной потери костной ткани происходит ее разрежение и склонность к переломам – развивается остеопороз.

В механизмах самоподдержания кости ведущее значение придается такому морфофункциональному понятию как «базисная многоклеточная единица». Базисная многоклеточная единица (БМЕ) – участок костной ткани, в которой протекают сопряженные по времени процессы локальной резорбции и образования кости, или осуществляется ремоделирование. БМЕ – это функционально-метаболический блок кости и его можно сравнить с почечным нефроном, который имеет свои свойства, отличающиеся как от составляющих его клеток, так и всего организма в целом. БМЕ образуют остеокласты, остеобласты, остеоциты, активные мезенхимные клетки, капиллярные петли. В организме взрослого человека одновременно функционируют 10⁵-10⁶ БМЕ. Длительность существования БМЕ, сроки формирования новых БМЕ имеют постоянную величину, что поддерживает равновесие процессов ремоделирования. Благодаря ремоделированию идет постоянное обновление костной ткани и приспособление ее микроструктуры к изменяющимся условиям внешней и внутренней среды, прежде всего механическим. Инициация ремоделирования возникает скорее всего в местах микропереломов, постоянно происходящих в процессе жизнедеятельности. Очаги ремоделирования постоянно появляются на трабекулярной поверхности или в остеоне независимо друг от друга ни во времени, ни пространственно. Начало и последующий цикл ремоделирования контролируется, вероятнее всего, in siti факторами аутокринными и паракринными. Протекает процесс циклично – сначала локальная резорбция костной ткани остеокластами, а затем остеобласты заполняют возникшую лакуну резорбции (дефект кости) путем синтеза нового остеоида и его минерализации.

Цикл ремоделирования начинается с привлечения и активации остеокластов. Остеопонтин, который содержится в минерализованном матриксе и эндостальной мембране и взаимодействует через Арг-Гли-Асп локус с рецепторным участком интегринов (трансмембранные белки, определяющие связь между внешними сигналами и ответами клетки на них), в ответ на механическое напряжение и изменения микроструктуры костных пластинок привлекает клетки-предшественники (преостеокласты) к локусу резорбции и способствует их дифференцировке до остеокластов (рис. 30). Такой же способностью «рекрутировать» остеокласты обладает и другой белок минерализованного матрикса – остеокальцин. Ключевую роль в развитии, дифференцировке и функционировании остеокластов играют остеобласты: для образования остеокластов необходимо межклеточное взаимодействие между остеобластами и макрофагально-моноцитарными клетками; остеобласты также продуцируют фактор дифференцировки остеокластов, известный как RANKL–лиганд рецептора- активатора ядерного фактора – каппа В (к В).

Рисунок 30. Схема костного ремоделирования [ Г.Я. Шварц, 2002].

Важным компонентом начальной стимуляции остеокластов является локальное изменение рН среды в кислую сторону. При рН 7, 36-7, 42 эти клетки не активны и не вызывают резорбции кости. При смещении рН до 7, 25-7, 15 резорбтивная способность остеокластов возрастает в 6 раз. Моделированные (рекрутированные) клетки фиксируются на костной поверхности. В окружении области примыкания плазматической мембраны остеокластов возникает особенно плотное соединение костной пластинкой, образуется, так называемая, чистая зона, ограниченная пограничной полосой. Главный вклад в создание пограничной полосы вносят молекулы остеопонтина. Активированные остеокласты и сами начинают продуцировать остеопонтин, усиливая прочность прикрепления к кости. Определенный вклад в «приякоривании» клеток к костной пластинке принадлежит и костному сиалопротеину II (BSP II). Таким образом, остеокальцин (BG-P), остеопонтин (BSP I) и костный сиалопротеин II участвуют не только в формировании костного матрикса, но и в его разрушении.

Область плазматической мембраны остеокласта, прилегающей к костной поверхности, образует многочисленные складки (щеточная кайма), резко увеличивая поверхность, через которую клетка выделяет протоны Н⁺ и гидролитические ферменты в зону резорбции. Источником Н⁺ является карбоангидраза: СО₂ + Н₂О «Н₂СО₃ «Н⁺ + НСО₃. При этом образовавшиеся протоны под действием плазматической Н⁺-АТФазы подкисляют среду. Потерю протонов клеткой поддерживают Na⁺/К⁺ -АТФаза, калиевые каналы и другие антипортеры. рН среды снижается до 4, 0, это, во-первых, приводит к растворению кристаллов гидроксиапатита; во-вторых, создает оптимальную среду для кислых лизосомальных гидролаз, расщепляющих белковые и гликоновые компоненты остеона. Фосфатные группы ряда неколлагеновых протеидов отщепляет кислая фосфатаза (тартрат-резистентная). Определенную роль в деградации пептидных связей играет и супероксидный анион-радикал (О₂ ^·), активно генерируемый в зоне резорбции. В результате действия остеокластов в кости образуется лакуна резорбции. Скорость резорбции кости составляет около 20-50 мкм/сутки, а продолжительность фазы резорбции – около 10-12 дней. Продукты резорбции минеральной фазы и остеоида удаляются путем трансцитоза мембранных вазикул остеокластов, но и механизмом «разгерметизации» лакун. По мере увеличения зоны разрушения остеокласт приостанавливает свою резорбтивную деятельность и перемещается в глубину образовавшейся лакуны, прикрепляется к кости и возобновляет свою деятельность. Таким образом, группа остеокластов может проделать глубокие ходы в компактной кости.

Фаза резорбции завершается переходным периодом, в котором происходит апоптоз остеокластов (обычно остеокласт функционирует 14-15 дней) и привлечение остеогенных клеток, их пролиферация и дифференцировка в зрелые остеобласты. Регуляция этими процессами в переходном периоде осуществляется факторами локальной регуляции. Трансформирующий фактор роста способствует апоптозу остеокластов и хемотаксису остеобластов. Остеокальцин и фрагменты молекул коллагена типа 1 также привлекают предшественников остеобластов. Пролиферацию и дифференцировку остеобластов регулируют группа ростовых факторов, связанных с белками костного матрикса и освобождающихся при его разрушении остеокластами, в частности, костные морфогенные белки (КМБ-2, КМБ-4), остеоиндуктивный фактор (кератокан, см. стр. 76 ), тромбоцитарный фактор роста, фактор роста фибробластов, инсулиноподобные факторы роста (ИПФР-I, ИПФР-II), гепарин-связывающий фактор роста, простагландины Е (ПГ-Е₁, ПГ-Е₂), остеопротегерин.

Фаза репарации осуществляется привлеченными (рекрутированными) остеобластами в следующей последовательности: сначала формируется остеоид, а затем происходит его минерализация. Полная репарация дефекта резорбированного участка кости может продолжаться до 3-х месяцев. Важно, что новообразованная ткань не копирует прежнюю структуру, а в зависимости от характера механических нагрузок в новых условиях корректирует свое строение. В результате новые остеоны не повторяют хода прежних, и оказываются поэтому окруженными вставочными костными пластинками, т.е. остатками остеонов, которые существовали в данном участке до ремоделирования. Формирование кости остеобластами протекает значительно медленнее резорбции. Это приводит к тому, что постоянно около 0, 76% массы скелета приходится на долю не полностью репарированных дефектов. У взрослых лиц ежегодно в результате ремоделирования обновляется около 10% скелета. При этом около 80% циклов ремоделирования приходится на губчатую кость, хотя она составляет лишь 25% массы скелета, а на кортикальную кость только 20%, хотя она и составляет 75% массы костной ткани организма.

Механизм минерализации кости, образование кристаллов гидроксиапатита связано с инициацией процесса в специально подготовленных местах – центрах нуклеации (кристаллизации). В формировании центров нуклеации участвуют белки, синтезируемые остеобластами. Начинается оно с внеклеточного созревания коллагена (см. стр. 54). По мере созревания коллагеновых фибрилл происходит привлечение неколлагеновых белков костной ткани, которые встраиваются в просветы между соседними молекулами тропоколлагена. Ведущую роль в инициации образования кристаллов гидроксиапатита играет костный сиалопротеин II (BSP II). На долю этого небольшого белка приходится до 15% всех неколлагеновых белков кости. Наличие остатков фосфатных и серных кислот, обилие радикалов глутамата и аспартата, сиаловых кислот придает молекуле сильно кислый характер. Молекула BSP II имеет существенный отрицательный заряд и может связывать до 80 ионов Ca²⁺. Оптимальную для связывания Ca²⁺ ориентацию BSP II обеспечивает третичная структура белка. Как следствие костный сиалопротеин II даже в незначительных концентрациях обеспечивает инициацию начальной кристаллизации в условиях, когда кальций и фосфат не достигают своего насыщения. Таким образом, BSP II - белок нуклеатор, выполняет каталитическую функцию инициации кристаллизации матрикса костной ткани. Взаимодействуя с другими белками матрикса, он обеспечивает связывание кристаллов гидроксиапатита с микрофибриллами коллагена.

Другой матриксный белок кости – остеопонтин, хотя и близок по структуре к BSP II, не обладает свойствами нуклеатора. Даже, напротив, остеопонтин препятствует образованию осадка солей кальция даже в условиях пересыщенности среды ионами Ca²⁺ и фосфата. Однако этот белок также необходим для процесса минерализхации кости с самого начала, вероятно, он обеспечивает формирование правильной структуры и типа кристаллов, препятствуя образованию случайного их состава. Остеопонтин, как и BSP II, входит в состав центров кристаллизации и прочно связан с кристаллами минеральной фазы кости. Оба эти фосфосиалопротеина (BSP I и BSP II) вырабатываются вместе с другими компонентами остеоида, оказываются диффузно распределенными в нем.

Последовательности укладки кристаллов способствуют белки, одновременно и контролирующие их рост. Костная изоформа щелочной фосфатазы, способствующая росту кристаллической решетки выявляется еще в преостеобластах и достигает своего максимального уровня в активных остеобластах. При рН 7, 4 и выше фермент с огромной скоростью (молекулярная активность 8-40 тысяч фосфоэфирных связей в минуту) расщепляет эфирную связь фосфорной кислоты с различными органическими молекулами – глицерина, моносахаридов, аминокислотных остатков в белках, нуклеозидов и др. В результате освобождения из органических эфиров происходит локальное повышение концентрации фосфат-ионов, способствуя образованию крсталлов гидроксиапатитов в центрах нуклеации. К факторам контроля роста кристаллов относятся остальные неколлагеновые белки кости: остеокальцин, остеонектин, матриксный Gla-протеин, которые не обладают свойствами нуклкаторов. Остеокальцин и остеонектин присутствуют в местах, где минерализация завершена, и отсутствуют в центрах нуклеации. Остеокальцин за счет g-карбоксильных групп Gla прочно связывается с Ca²⁺ и гидроксиапатитом, обеспечивая тем самым регуляцию роста кристаллов, замедляя данный процесс. Остеонектин способен не только связываться с ионами Ca²⁺, но и взаимодействовать с другими лигандами. Этот белок обнаруживается во всех клетках периоста, но в матриксе появляется в поздней стадии минерализации, задерживает рост кристаллов, регулируя их размеры и предотвращая избыточную минерализацию костной ткани. Gla-протеин (МGР) проявляет еще более выраженными свойствами отрицательного регулятора, ингибитора остеогенеза. Тормозят рост кристаллов также цитрат и сывороточный альбумин. Центры нуклеации пространственно разделены и независимы даже в пределах одной фибриллы. Прирост кристаллов происходит путем приумножения кристаллов в длину, что обусловлено разнообразием неколлагеновых белков, контролирующих этот процесс, а также направленностью коллагеновых волокон. Поглощение ионов F^- костью взрослого человека сопровождается некоторым увеличением кристалла апатита в ширину.

Формирование центров нуклеации занимает 8-10 дней. Остеобласт активно синтезирует и наращивает вокруг себя новый матрикс, который с периферии по мере «дозревания» начинает подвергаться минерализации. Фронт минерализации постепенно продвигается к остеобласту и его отросткам. Вокруг активного остеобласта всегда остается слой неминерализованного матрикса. По мере снижения синтетической активности остеобласта и превращения его в остеоцит продвижение фронта минерализации замедляется и останавливается, так и не достигнув поверхности клетки. Весь процесс минерализации вновь образованного остеоида у человека занимает не более 15 суток.

Ремоделирование кости имеет важное значение: 1) поддерживает, обновляет и корректирует структуры костной ткани в соответствии с изменяющимися условиями, прежде всего характера механических нагрузок; 2) поддерживает постоянную готовность к быстрому исправлению (репарации) травматических повреждений кости (переломы, микропереломы и др.); 3) является звеном в обеспечении кругооборота ряда катионов и анионов (кальций, фосфат, магний, фторид и др.) в организме, в поддержании их постоянства (оптимального уровня) в жидкостях организма. Так, в костях сосредоточено около 99% всего кальция, 80% фосфата, основная масса Mg²⁺, фторида, стронция и т.д. Минеральные вещества костной ткани ежесуточно поступают в общий кругооборот и заменяются вновь поступившими, благодаря чему минерализованная ткань выступает как главный резервуар, за счет которого можно регулировать упомянутые минеральные компоненты.