Роль кортикальной кости и ее микроструктуры в прочности кости

Роль кортикальной кости  и ее микроструктуры в прочности  кости 

О.А.Никитинская 

НИИ ревматологии РАМН, Москва

 Снижение плотности  кости с возрастом приводит  к повышению риска переломов,  таких как предплечье, позвонки, бедро. Риск перелома бедра  возрастает в 13 раз в 80 лет  по сравнению с 60-летним возрастом  [1]. Это повышение риска переломов  прочно связано с изнашиванием  механической прочности кости.  Известно, что прочность кости  характеризуется как структурными, так и внутренними физическими  свойствами костной ткани. Под  структурными свойствами подразумевают  размер, геометрию и микроструктурные  характеристики (трабекулярная ориентация и кортикальная порозность) кости. Внутренние физические свойства обусловлены минеральной плотностью костной ткани (МПК), химическим составом и размером кристаллов гидроксиапатита.

Скелет состоит из двух типов костной ткани: кортикальной (компактной) кости, на долю которой  приходится 80% от общей массы скелета  взрослого, и губчатой (трабекулярной), представляющей 20% скелета, но являющейся наиболее метаболически активной. Ее количественное соотношение и распределение зависит от места кости в скелете и от ее функции. Компактное вещество особенно хорошо развито в тех костях и их частях, которые выполняют функции опоры и движения. Например, из компактного вещества построено тело длинных трубчатых костей. Костные пластинки имеют цилиндрическую форму и как бы вставлены одна в другую. Такое трубчатое строение компактного вещества придает костям большую прочность и легкость. Губчатое вещество образовано множеством костных трабекул, которые располагаются по направлениям максимальной нагрузки. Им образованы эпифизарные утолщения длинных трубчатых костей, а также короткие плоские кости. Между трабекулами располагается красный костный мозг, являющийся органом кроветворения – в нем образуются клетки крови. Полости длинных трубчатых костей взрослых людей заполнены желтым костным мозгом, в котором содержатся жировые клетки. В течение жизни человека соотношение кортикального и губчатого вещества кости меняется. Эти изменения зависят от образа жизни, который ведет человек, от его питания, состояния здоровья.

Кортикальная кость несет  основную нагрузку скелета. Биомеханические  исследования, изучающие механическое поведение кости, как ткани, так  и ее структуры, продемонстрировали, что именно кортикальная кость вносит больший вклад в прочность  кости. Механическая прочность кости, как было сказано выше, определяется геометрией (размером и формой кости) и внутренними свойствами ее составляющих (эластичность, прочность, упругость). Пока недостаточно ясно, что в целом  определяет хрупкость кости, но уменьшение упругости и силы кости вследствие недостаточности процессов, происходящих в самой ткани, вносит существенный вклад в повышение риска переломов [2]. Однако несмотря на возникающие повреждения, кость относится к высокоэластичным тканям, способным к самовосстановлению.

Риск перелома и неустойчивость кости к механической нагрузке зависят  не столько от обшей массы кости, сколько от толщины и геометрических свойств кортикальной пластинки [3]. Исследование МПК является наиболее часто применяемым методом определения прочности кости и широко используется для определения индивидуального риска перелома. При определении риска перелома с помощью МПК чаще используют те участки скелета, которые в большей степени представлены губчатой тканью, например поясничные позвонки (66%), межвертельное пространство бедра (50%) и ультрадистальный отдел предплечья (75%), в меньшей степени кортикальной тканью – шейка бедренной кости (75%). Большое количество исследований показало, что низкая МПК в этих областях достоверно ассоциируется с высоким риском переломов [4], при этом абсолютный уровень МПК и величина ее последующего снижения – важные показатели, определяющие величину риска перелома. Сама по себе костная масса, выраженная в МПК, отвечает лишь за 80% вариаций в прочности кости [5], вероятно, поэтому только 50% пациентов, перенесших переломы при низкоэнергетическом уровне травмы, имели показатели МПК, соответствующие критериям остеопороза (ОП) по данным денситометрического исследования. Следовательно уменьшение массы или МПК является важным, но не единственным фактором, определяющим ее прочность.

Ригидность и прочность  структуры кости определяются не только свойствами ее составляющих, но в большей степени их пространственным распределением [6]. В эксперименте на бедренных костях крыс получены свидетельства  тому, что жесткость может быть довольно близко отражена с помощью  объемной плотности кортикальной кости, а такие геометрические переменные, как площадь ее поперечного среза  или поперечный момент инерции, хорошо коррелируют с прочностью кости [6]. Размер кости, величина поперечного сечения и поперечный момент инерции определяют 70–80% костной прочности. Детальное изучение различных комбинаций индивидуальных геометрических параметров на составных регрессионных моделях, учитывающих как внутренние свойства самой костной ткани, так и пространственное расположение ее структурных элементов под влиянием нагрузки, подтвердили их вклад в определение ее прочности [7, 8]. Так, наряду с изменениями МПК, более высокими предикторами перелома для дистального отдела лучевой кости выступают масса, ширина и высота кортикальной пластинки, а для бедренной кости более важными предикторами становятся высота кортикальной пластинки, размер шейки бедренной кости и поперечный момент инерции [9–11]. То, что геометрия кости оказывает влияние на риск переломов, нашло подтверждение и в ретроспективных исследованиях, показавших взаимосвязь между размером и формой кости и переломами, особенно это касается проксимального отдела бедра, где вследствие эндокортикальной резорбции происходит истончение кортикальной пластинки, которое ведет к изменениям геометрических параметров кости [12, 13].

Костная геометрия изменяется с возрастом, адаптируется и модифицируется в зависимости от окружающей механической обстановки. В проксимальном отделе бедра потеря кости ниже в тех  отделах, которые испытывают большую  нагрузку во время ходьбы, вертикальной нагрузки, в других отделах, где нагрузки меньше, отмечается более выраженное уменьшение кортикального слоя, который  может легче повреждаться при  падениях [14]. В дистальном отделе предплечья с возрастом происходят другие изменения, которые вследствие возрастозависимой адаптации, представленной эндокортикальной резорбцией, протекающей одновременно с периостеальным увеличением кости, приводят к повышению поперечного момента инерции и это обеспечивает более высокую ригидность и прочность костей этой локализации [15]. Адаптивные процессы в костной ткани происходят как у мужчин, так и у женщин, но у первых они более эффективны. Таким образом, как и масса, геометрия кости является независимой детерминантой риска перелома.

Человеческая кость состоит  из 70% минерала (гидроксиапатит), 22% белков (преимущественно коллаген 1-го типа) и 8% воды. Жесткость кортикальной кости связана с содержанием минерала и плотностью кости, а ее упругость в высокой степени ассоциирована с качеством костного матрикса [16]. При ежедневной нагрузке кость испытывает различные внешние влияния: давление, растяжение, изгибание, скручивание. При этом она более устойчива к воздействию давления и менее защищена при растяжении и изгибании. Как показывают измерения, прочность бедренной кости человека почти в 2 раза выше при действии растягивающей силы вдоль длины кости (продольная) по сравнению с действием этой силы перпендикулярно кости, но в 1,5 раза ниже прочности на сжатие бедренной кости при продольном действии сил и аналогична при сжатии в перпендикулярном направлении. Абсолютная прочность кости колеблется в зависимости от величины стресса и деформации. Таким образом, максимальная нагрузка на кортикальную кость приходится именно на момент сгибания и в этой ситуации качество кости, которое зависит от качества коллагена, ориентации и расстояния его фибрилл в костных пластинах, определяет ее прочность [19]. Минерализованные коллагеновые волокна состоят из длинных цепочек, в которых вытянутые молекулы белка строго перемежаются миниатюрными кристаллами гидроксиапатита. Цепочки располагаются таким образом, чтобы кристаллы минерала образовывали своеобразную лестницу. В этой системе предусмотрены специальные слабые места, нарушения в которых происходят легче, чем в других, но не разрушают структуру в целом. Такими местами являются связи между молекулами белка и кристалла, а также связи между отдельными цепочками. Если под действием приложенной внешней силы связь между коллагеном и гидроксиапатитом разрывается, давление перераспределяется на множество соседних волокон. Поскольку место контакта белка и минерала окружают вытянутые молекулы коллагена, чрезвычайно прочные и эластичные, разрыв одной слабой связи не приводит к массовому повреждению волокон. Кроме того, под действием внешней силы миниатюрные кристаллы сдвигаются, но не разрушаются, как это сделали бы кристаллы боЂльших размеров. Исследования подтвердили, что крепость костей заключается в молекулярном скольжении – механизме, благодаря которому разрыв той или иной слабой связи приводит лишь к растяжению, а не разрушению соседних волокон, а также в чрезвычайно малом размере минеральных вкраплений. Диаметр дефекта, который образуется при разрыве связи между белком и минералом (несколько сотен микрометров) в точности соответствует диаметру так называемых костных ремоделирующих единиц, ответственных за обновление костной ткани.

Кроме того, внутренние свойства и плотность кости зависят  от размеров и распределения кристаллов гидроксиапатита [17]. Костная минерализация, которая выражается средним значением степени минерализации костного матрикса, начинается внутри коллагеновых фибрилл за счет встраивания кристаллов гидроксиапатита, размеры которых постепенно увеличиваются за счет присоединения ионов и агрегации кристаллов между собой. В каждой костной структурной единице происходит процесс минерализации, который состоит из двух фаз – быстрой и медленной. Быстрая фаза первичного отложения минералов по фронту кальцификации протекает в течение нескольких дней, в результате которой происходит минерализация более 70% коллагенового матрикса. Медленная фаза вторичной минерализации, длящаяся от нескольких месяцев до нескольких лет, характеризуется очень медленным, но постепенным увеличением отложения минералов. Молодая кость представлена как маленькими, так и большими зрелыми кристаллами гидроксиапатита в оптимальном соотношении, которое обеспечивает устойчивость кости к нагрузкам. С возрастом увеличивается число средних и больших кристаллов, а когда количество больших кристаллов становится критическим, то кость становится более хрупкой. На величину кристаллов, качество коллагена и других белков костного матрикса оказывают влияние такие известные факторы, как заболевания, лекарственные препараты, пищевые предпочтения и возраст [18]. Таким образом, для кортикальной кости важны как и качество коллагена, влияющее на упругость, так и нормальный процесс минерализации, обеспечивающий жесткость и прочность [16].

Как было сказано ранее, у  взрослого человека в процессе перестройки  кортикальной кости резорбция происходит преимущественно на эндокортикальной поверхности, что приводит к истончению этого слоя на 30–50% и увеличению костно-мозговых полостей [20]. Эти изменения называются интракортикальной порозностью, которая характеризуется количеством и размером образующихся пор (дефектов), и отвечает за 70% эластичности и 55% жесткости кортикальной кости, что нашло подтверждение при локальных определениях МПК [21]. В ряде исследований было показано, что локальные дефекты кортикальной кости вследствие интракортикальной порозности могут приводить к переломам как позвонков [22, 23], так и шейки бедра, где наиболее слабым местом является передневерхняя часть – участок с особенно тонкой кортикальной пластинкой [24, 25].

Кортикальная кость –  композитный материал, в котором  аккумулируются микротрещины в результате длительного давления и усталости  кости. Микроповреждения представлены короткими линейными трещинами  в кортикальной ткани, приводящими  к нарушению внутримолекулярных связей. Происходящий процесс постепенного накопления микроповреждений приводит к достоверному снижению прочности  кортикальной кости [26], при этом более  выраженное влияние на хрупкость  кости оказывает размеры самих  трещин, чем их количество [27]. Подтверждения  этому были получены в результате изучения влияния линейных микротрещин  и диффузных повреждений на трупных  большеберцовых костях, когда было показано, что у пожилых объектов (82±5 лет) микротрещины длиннее и  более прямые, а жизнь кортикальной кости достоверно короче, чем у  молодых доноров(39±9 лет) [28].

Имеющиеся в настоящее  время данные свидетельствуют о  важности состояния кортикальной кости  для оценки ее качества, прогнозирования  риска перелома и переоценки подхода  к мониторированию лечения. Клинические исследования показывают, что средства для лечения ОП проявляют себя лучше по снижению риска переломов, чем мы могли бы ожидать от их эффекта на МПК. Повышение МПК лишь на 0,5% на фоне приема витамина D и более чем на 10% при применении высоких доз терипаратида снижает риск переломов позвонков от 23 до 69% [29, 30]. При оценке результатов исследования FIT было показано, что только 16% [(11–27%) 95% ДИ] снижения риска переломов позвонков можно объяснить изменениями в показателях МПК на фоне приема алендроната в дозе 5 мг в день [31], а при приеме ралоксифена только 4% в снижении риска переломов позвонков приписывается изменениям МПК [32]. Таким образом, высказывается мнение, что гипертрофия трабекулярной ткани, вызываемая антирезорбтивными препаратами, может быть лишь сопутствующим явлением, которое не оказывает существенного влияния на снижение риска перелома [33], реально снижение частоты переломов может оказаться результатом повышения минерализации и уменьшения порозности кортикальной кости. Это предположение нашло подтверждение в результатах исследования P.Schneider и соавт. [34], которые с помощью периферической компьютерной томографии показали отчетливое влияние лечения алендронатом на показатели не только общей BMD в ультрадистальной части луча, но, что более важно, на величину индекса стрессового растяжения кости, который, как указывалось выше, является показателем ее прочности. Вероятно, этим же можно объяснить неудачи в применении высоких доз фторидов, которые на уровне кортикальной кости вызывают снижение минерализации и повышение резорбции эндоста и его порозности [35].

Коррекция

Так как до недавнего времени  у нас было всего два терапевтических  подхода к ведению пациентов  с высоким риском переломов, а  именно: назначение антирезорбтивных средств (например, бисфосфонаты), которые подавляют резорбцию кости, но при этом уменьшают активность синтеза костной ткани, или анаболических препаратов (паратиреоидный гормон – ПТГ) и их производных, которые стимулируют процессы костеобразования, но при этом и повышают активность резорбции, – то хотелось бы рассмотреть вопрос о влиянии этой терапии на геометрию бедренной кости и ее структурные составляющие. В исследовании [36] по применению ПТГ, алендроната и их различных комбинаций при постменопаузальном ОП с использованием оценки параметров количественной компьютерной томографии и двухэнергетической денситометрии было установлено, что через год от начала терапии достоверно увеличилась прочность бедренной кости и при применении ПТГ (ср. 2,08%), и алендроната (3,6%), а через 2 года наблюдались достоверные изменения во всех группах лечения (4,18–7,74%), кроме группы, применявшей только ПТГ в течение года, затем плацебо (1,17%). Увеличение прочности кости было преимущественно связано с увеличением МПК трабекулярной кости, а не кортикальной, где, например, на фоне ПТГ через год отмечалось уменьшение ее массы (-6,24%) и МПК (-1,32%), что влияло на изменения параметров внешней геометрии бедренной кости. Через 2 года применения алендроната полученное повышение прочности кости связывают так же с изменением внешней геометрии кости и повышением денситометрических показателей МПК всего проксимального отдела бедра, однако корреляция между изменениями прочности и МПК очень скромная (r2=0,14, p<0,0001).