2.4. Вещества небелковой природы органического матрикса костной ткани
К веществам небелковой природы органического матрикса относят липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты, органические кислоты.
Липиды костной ткани синтезируются остеобластами и представлены в основном глицерофосфолипидами, сфинголипидами и холестерином. Группы РО43- и СОО- серина в составе, например, фосфатидилсерина, способны присоединять ионы Са2+ и стимулировать: начало минерализации, непрерывный рост кристаллов ГАП и их связь с белковой матрицей.
В остеобластах костной ткани содержатся нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), которые участвуют в синтезе белков.
В костной ткани различают углеводы: внутриклеточные (глюкоза, гликоген) и внеклеточные (свободные ГАГ). Глюкоза и гликоген служат источником энергии АТФ для процесса минерализации, гликоген необходим для окостенения.
Цитрат образуется в остеобластах под действием фермента цитратсинтезы, активность которого в костной ткани в 20 раз выше, чем, например, в печени. Цитрат образует растворимые (при рН<7,0) и нерастворимые (при рН>7,0) соли с ионами Са2+, обеспечивая его поступление в костную ткань. Длительное воздействие паратгормона на остеобласты приводит к увеличению (на 25-30%) содержания цитрата в костной ткани и, соответственно, к увеличению образования растворимого цитрата кальция. Это способствует разрушению солей кальция в костной ткани и сохранению кальция в сыворотке крови.
2.5. Ремоделирование костной ткани
Органические и минеральные компоненты костной ткани в течение жизни человека (каждые 10 лет) постоянно обновляются. В различные возрастные периоды эти процессы значительно отличаются. У детей и подростков образование костной ткани происходит быстрее, чем резорбция. Плотность костной ткани увеличивается к 18 годам. Затем наступает равновесие: процессы резорбции и костеобразования идут с одинаковой скоростью. К 40 годам скорость костеобразования постепенно снижается по сравнению с резорбцией: наблюдается медленное уменьшение массы костной ткани и развитие заболевания остеопороз, особенно у женщин из-за снижения продукции эстрогенов. Процесс ремоделирования кости находится под контролем системных факторов (гормонов) и группы локальных факторов (цитокинов).
В ремоделировании костной ткани выделяют следующие стадии: активация, резорбция, реверсия, костеобразование (минерализация) и покой (Рис. 16).
Рис.16. Стадии ремоделирования костной ткани [5].
Активация. Для протекания первой стадии необходимы активаторы: паратгормон, кальцитриол, ИФР-1, интерлейкины-1 и -6, простагландины. Под действием стимулирующих факторов, из клеток остеобластного происхождения образуются активированные остеобласты, которые секретируют сигнальный белок цитокин, стимулирующий образование колоний моноцитов (Рис. 17). Остеобластами синтезируется и сигнальный белок RANKL, участвующий в регуляции ремоделирования и формировании крупных многоядерных остеокластов, способных резорбировать кость. Неколлагеновые белки остеобластов (остеокальцин, сиалопротеин кости, остеопонтин, Gla-протеин матрикса) стимулируют прикрепление остеокластов к поверхности кости и их активацию.
Рис.17. Образование активного остеокласта и его участие в резорбции костной ткани [5].
Резорбция. У активированного остеокласта имеется «щеточная» каемка, обращенная в сторону резорбируемой поверхности кости. Через нее высвобождаются лизосомы, содержащие большое количество гидролитических ферментов (кислая фосфатаза, коллагеназа), участвующих в разрушении органического матрикса костной ткани с образованием резорбционных лакун. В области, окруженной остеокластами, резорбция длится около 2 недель. Кислая среда в области резорбции способствует вымыванию ионов Са2+ из апатитов. Увеличивается секреция цитрата, который образует растворимые соли с ионами Са2+, что снижает восстановление апатитов. Макрофаги завершают разрушение органической матрицы межклеточного вещества кости и подготавливают поверхность кости к адгезии остеобластов (реверсия).
Реверсия. Остеокласты в соответствии с генетической программой разрушаются путем апоптоза. Резорбционные лакуны заполняются предшественниками, дифференцирующимися в остеобласты. Начинается синтез костных протеинов, формирование органического матрикса кости и минерализация в соответствии с новыми условиями статической и динамической нагрузки на кость. На резорбируемой поверхности остеобласты формируют «цементирующую линию» (слой из секреторных гликопротеинов), способную удержать колонии остеобластов. Остеобласты остаются внутри костного матрикса, превращаясь в остеоциты. Остеобласты, оставшиеся на поверхности вновь сформированной кости, дифференцируются в выстилающие клетки.
Костеобразование. Процессу минерализации предшествует увеличение поступления О2 в остеобласты, активация в них аэробного гликолиза и образование АТФ. Энергия АТФ стимулирует синтез коллагена, неколлагеновых белков матрикса (протеогликанов, ферментов), необходимых для активации костеобразования. В этот период в митохондриях остеобласты секретируют ЩФ, которая увеличивает концентрацию фосфатов. Остеобласты также образуют мембранные тельца или мембранные везикулы, содержимое которых представляет собой перенасыщенный раствор фосфата кальция. В них формируются центры кристаллизации и роста микрокристаллов ГАП. Когда концентрация микрокристаллов в мембранных везикулах возрастает в 20-25 раз, везикулы разрушаются и высвобождают свое содержимое – фосфат кальция во внеклеточное пространство (зону минерализации).
Остеобласты секретируют слои остеоида (коллагенового волокна) – неминерализованного матрикса кости и медленно восполняют полость резорбции. Остеобласты секретируют не только факторы роста, но и неколлагеновые белки матрикса – остеопонтин, остеокальцин и др. Когда остеоид достигает размера 6•10-6 м, он начинает минерализоваться, скорость которого зависит от содержания кальция, фосфора и тормозится пирофосфатом. Центры кристаллизации возникают между фибриллами коллагеновых волокон, находящихся в матриксе (Рис. 18). По мере роста кристаллы вытесняют не только протеогликаны, но и воду, поэтому полностью минерализованная кость практически обезвожена.
Рис.18. Отложение кристаллов апатитов на коллагеновых волокнах [5].
Остеобласты синтезируют органические компоненты межклеточного матрикса: протеогликаны с ионами Са2+, гликопротеины, коллаген I типа, остеокальцин и другие белки. Соли фосфата кальция, располагаясь на коллагеновых волокнах, становятся кристаллами гидроксиапатита.
Покой. По завершении процесса обновления костной ткани наступает этап покоя. Остеобласты оказываются замурованными в минерализованном матриксе и превращаются в остеоциты – клетки, не участвующие в синтетических процессах.
Остеопороз – прогрессирующее заболевание костей, при котором происходит уменьшение костной массы и ее прочности. Кости становятся хрупкими, что увеличивает риск возникновения переломов. Частота встречаемости у женщин старше 50 лет – 30%, у мужчин – 20%. Процессы синтеза и распада костной ткани находятся в равновесии: на смену разрушенным клеткам синтезируются новые. Но у мужчин к 50-60 годам и у женщин после наступления менопаузы преобладают процессы, приводящие к разрушению костной ткани. Поскольку органический матрикс кости постоянно обновляется, то в процессе синтеза коллагена кости и при его распаде образуются отдельные фрагменты – N-телопептиды и С-телопептиды. Содержание конечных участков телопептидов – β-Crosslaps и N-терминального пропетида проколлагена I типа (Р1NP) отражает активность процессов формирования и распада костной ткани. Р1NP образуется и высвобождается в кровяное русло только при синтезе коллагена, поэтому его считают маркером формирования кости. β-Crosslaps высвобождается из зрелого коллагена I типа и отражает степень резорбции кости. Дополнительными методами лабораторной оценки состояния костной ткани является определение содержания паратгормона, кальцитонина, остеокальцина, кальция (общего, ионизированного), фосфатов, витамина D.