Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Глава 15. МЕХАНИЗМЫ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ СКЕЛЕТА
Роль гиподинамии и иммобилизации. Они – хорошо известные причины значительной и быстрой потери костного минерала. Скорость потери при иммобилизации в 5–20 раз больше, чем при других причинах деминерализации. Реакция на эти факторы проявляется потерей минеральной плотности (МПК) в осевом скелете, которая в 10 раз больше, чем в костях добавочного скелета – конечностей. Точная количественная оценка влияния этих факторов на МПК костей скелета стала возможной лишь после внедрения в практику рентгеновской двухэнергетической абсорбциометрии.
В процессе изучения роли гиподинамии и иммобилизации в снижении МПК скелета сделаны как экспериментальные, так и клинические наблюдения.
Экспериментальные данные
Две группы собак иммобилизировали в течение 4 и 11 недель. Потеря МПК в поясничном отделе позвоночника составила соответственно 0,5 и 1,2 % за неделю. Эти результаты подтверждены данными гистоморфологического исследования [241]. Подобные изменения наблюдались и в пяточной кости. В костях таза деминерализация выявлена уже на первой неделе, а в дистальном участке лучевой кости – через 5 недель. У обезьян после иммобилизации в специальном аппарате снижение МПК в позвоночнике и соответствующее уменьшение механической прочности позвонков обнаружено через 14 дней [241].
Исследованиями на кроликах показано, что при пассивной механической нагрузке задней конечности происходит увеличение костеобразования в большеберцовой, бедренной костях и позвоночнике вплоть до шейного отдела, то есть там, где воздействует сила, а в плечевой кости – не возрастает. Это указывает на то, что при механической нагрузке происходит не повсеместная стимуляции продукции кости, а в местах воздействия мышц на соответствующие кости. Поэтому нами обстоятельно изучена эффективность специфических типов физических упражнений и продолжительность нагрузки.
Наблюдения у здоровых людей. При иммобилизации конечности здорового человека скорость убыли МПК в первые 7 дней составляет 0,7 % [241].
В другом наблюдении [233] 34 здоровые мужчины-добровольцы в возрасте 25–30 лет находились на постельном режиме 17–36 недель. Движения разрешались без ограничения только в горизонтальной плоскости. Для приема пищи и установки подкладного судна позволялось лишь поднимать голову до угла в 30o. Пища содержала 1,0 г калия и 1,6 г фосфора. Потеря веса за указанный период составила 2–4 кг. Об изменении МПК в скелете судили по их содержанию в пяточной кости. Уровень кальция и фосфора в сыворотке крови не изменялся. На 6-й неделе выведение кальция с мочой и фекалиями возрастало до 200–300 мг в сутки и сохранялось на этом уровне весь период наблюдения. Увеличивалось выведение фосфора, гидроксипролина и азота. Экскреция пирофосфата с мочой составляла 3,7 мг/день
и достигала наибольшей величины (4,5 мг/день) на 5–7 неделях.
В пяточной кости снижение МПК начиналось с 12-й недели. На 17-й неделе потеря минералов составляла 34 %. Величина снижения зависела от исходного МПК и активности обменных процессов в ней. Это подтверждено определением уровня экскреции гидроксипролина. Он колебался от 1,3 до 2,0 % за неделю. У лиц с высокой исходной МПК или низкой скоростью экскреции с мочой гидроксипролина сохранялась большая МПК. Степень обратимости изменений зависела от возраста.
Потеря МПК в позвоночнике во время длительного постельного режима происходит на ту же величину, что и в пяточной кости, –
1,3 % за неделю. Средняя потеря кальция во всем скелете составила 0,13 % за неделю (1,55 г). Общая величина потери за время иммобилизации – 4,2 %, то есть 50,08 г. Отрицательный баланс кальция после прекращения постельного режима сохранялся в течение трех недель, а экскреция пирофосфата продолжалась один месяц. Восстановление минералов в пяточной кости происходило через 12 недель, а затем (с 48-й по 72-ю недели) МПК была даже больше исходного на 10 % [233]. Потеря МПК, аналогичная в трабекулярной кости (1–1,3 % за неделю), может наблюдаться при гиподинамии и в компактном веществе, например, проксимальной трети большеберцовой кости на месте прикрепления к ней мышц, в то время как в диафизе она составляет всего лишь 0,2 %. В результате этого наблюдается диспропорциональная убыль МПК в костях, на которые падает нагрузка тела. Активность остеобластов наблюдается только на поверхности кости, где происходит деформация от сокращения мышц [115].
Период восстановления МПК кости при гиподинамии в 5?10 раз больше, чем время её потери. Имеются большие индивидуальные различия. Наилучший эффект достигается с помощью физических упражнений несмотря на неодинаковое их влияние на разные отделы скелета. При интенсивном занятии физкультурой на этом фоне содержание МПК в осевом скелете можно поднять на 15-50 % за год, в то время как в добавочном – наблюдается лишь стабилизация их величины.
Физическая активность по сути дела регулирует скорость потери МПК в позвоночнике, особенно у женщин среднего возраста.
Клинические наблюдения
Для лечения сколиоза иммобилизировали девушек (15–17 лет) в течение 3–6 недель. Измерения МПК сделаны в 4-ом поясничном позвонке. Средняя потеря минералов за неделю составила 1–2 %. При временной иммобилизации (11–64 дня) по поводу выпадения межпозвоночного диска уменьшение МПК составило 0,9 ± 0,3 % за неделю. Восстановление происходило в течение 15 недель после окончания лечения.
При иммобилизации в течение 11–61 дня по поводу дефекта большеберцовой кости потеря МПК в позвоночнике за неделю была равна 0,9 %. После прекращения её восстановление происходило в течение 15 недель.
Сделаны наблюдения за МПК в IV поясничном позвонке до и после операции по поводу сколиотической деформации позвоночника. Больные были подразделены на две группы. В первой операции делались в два этапа с интервалом в две недели, во вто-
рой – одномоментно. Среднесуточная потеря МПК в первой группе составила 1,7 %, во второй – 4,2 %. Отсутствие механической нагрузки на скелет вызывало отрицательный баланс кальция и фосфора, а также служило основной причиной резорбции кости.
Потеря МПК у больных с параличами нижних конечностей подтверждена гистоморфологически: через 25 недель она составила 25 % (1 % за неделю от объема трабекулярной кости в гребне подвздошной кости). Кортикальная часть кости становилась более хрупкой. Эти изменения в наибольшей мере заметны через 2–3 месяца [238].
При частичном повреждении спинного мозга потеря кальция больше по сравнению со здоровыми иммобилизированными людьми. При полном повреждении спинного мозга цифры еще ниже. Кальциурия обычно уменьшается через 30 недель, через 34 – приближается к норме, но у некоторых больных может сохраняться до года.
Потеря костной массы обусловлена преимущественно локальным торможением остеогенеза вследствие дефицита механической стимуляции костей, а также относительным (или абсолютным) повышением резорбции [35].
Одним из механизмов развития остеопороза при дефиците механической нагрузки (сенильный, иммобилизационный, посттравматический остеопороз) может быть локальное торможение остеобластического гистогенеза на ранних стадиях трансформации клеток-предшественников в преостеобласты. Для этих форм остеопороза предпочтительны препараты, стимулирующие остеогенез [35].
Роль половых гормонов в деминерализации скелета
Постоянные стрессы, которым подвергаются женщины, поддерживают возбуждение в лимбической системе и поэтому снижается концентрация кортиколиберинов. В результате тормозится деятельность структур гипоталамуса и меньше вырабатывается гонадотропинов в гипофизе в силу чего уменьшается выработка половых гормонов и возникают изменения в менструальном цикле [247].
Эстрогены оказывают защитное действие на кость за счет:
1) снижения чувствительности (и числа) рецепторов в кости к паратиреоидному гормону;
2) усиления секреции кальцитонина, основной физиологической функцией которого является подавление костной резорбции;
3) стимуляции гидроксилирования витамина Д3 в почках, что способствует повышению кишечной абсорбции кальция и, следовательно, нормализации его гомеостаза [247].
Регулируя обмен кальция, эстрогены повышают активность остеобластов, активируют процессы кальцификации костей. Они ускоряют созревание и сокращают период роста кости. Этим объясняется тот факт, что при патологическом (раннем) половом созревании наблюдается уменьшение массы кости, либо преждевременное прекращение роста – карликовость. При удалении яичников в половозрелом возрасте или после прекращения их функционирования понижается активность остеобластов, замедляется образование кости, усиливается резорбция и деминерализация.
У пожилых людей, у которых обычно понижена гормональная деятельность половых желез, после введения эстрогенов нормализуется фосфорно-кальциевый обмен, усиливается отложение минеральных веществ в костной ткани. Отмечается параллелизм между уменьшением уровня половых гормонов и изменениями кости [62]. На этом основано утверждение, что гормоны ответственны за старческий остеопороз. Он является самой частой (25 %) костной патологией скелета у женщин пожилого и старческого возраста.
Мужские половые гормоны в оптимальных дозах также стимулируют рост кости, увеличивают интенсивность минерализации.
В многочисленных наших исследованиях [62, 78] выявлена четкая количественная взаимосвязь между концентрацией половых гормонов и МПК костного регенерата.
Изменения в менструальном цикле при травмах корково-гипофизарного происхождения
Импульсация из места травмы, ведет к тому, что больные ощущают боль, порой сильную, которая нарушает сон, отрицательно воздействует на психику. О наличии стрессовой реакции свидетельствует повышенная концентрация АКТГ, соматотропина, кортикостероидов. При функционировании очага стойкого возбуждения в коре, в лимбической системе снижается продукция кортиколиберинов. Поэтому тормозится деятельность структур гипофиза и меньше вырабатывается гонадотропинов. Вследствие этого нарушается развитие фолликула и продукция половых гормонов и возникают нарушения в менструальном цикле.
Изменение концентрации половых гормонов имеет существенное значение для регенерации. Уменьшение ее сопровождается сокращением синтеза белка и увеличением выведения азота из организма. Снижается воздействие на белковую матрицу кости и уровень её минерализации за счет кальция и фосфора. Ослабляется обмен веществ в трубчатых костях и функциональное состояние остеогенных клеток костного мозга [87].
Изложенное показывает, что для корректировки дисбаланса гормонов важна заместительная терапия. Сама по себе эта идея в ортопедии и травматологии не нова. Анаболические стероиды с успехом используются при лечении хронического остеомиелита, в гериатрии, при сложных операциях (за неделю до операции и в течение 2–3 недель после неё). Они способствуют увеличению массы мышц, улучшают аппетит и общее состояние больного, ускоряют время сращения костей [74].
У значительной части молодых женщин может наблюдаться существенное уменьшение МПК костей скелета за многие годы до «естественного» снижения вследствие:
1) аменореи;
2) хрупкого телосложения;
3) низкого содержания жировой ткани в теле;
4) пищи с высоким содержанием фосфора, животного белка, кислой ее реакции в результате чего уменьшается абсорбция кальция или стимулируется экскреция его [171].
Определенный вклад в уменьшение МПК в костях аменорейных спортсменок вносит нервная анорексия в результате неадекватного поглощения кальция и витамина D на фоне низкого уровня эстрадиола [153]. У таких спортсменок наблюдается выраженное уменьшение толщины кортикального слоя кости и они становятся особенно чувствительными к переломам [159]. Лечение аменореи направлено на устранение причины, вызывающей заболевание. Большое внимание уделяют устранению конфликтных ситуаций, нормализации условий быта, проведению общеукрепляющей терапии, включающей занятия утренней зарядкой с водными процедурами, соблюдение режима питания, труда и отдыха. В комплекс лечебных средств включают аскорбиновую кислоту, витамины группы В, токоферола ацетат по 50 мг в сутки.
У женщин после 40–45 лет ситуация осложняется прекращением функционирования фолликула и синтеза эстрогенов, что приводит к преобладанию процессов резорбции над образованием новой кости и у 25–30 % женщин, развивается постменопаузный первичный остеопороз.
Индивидуальные, генетические факторы и наследственность
Существенную роль играют факторы внешней среды [35]: индивидуальные (возрастно-половые, биомеханические, алиментарно-механические) и на популяционном уровне (раса, климатогеографические условия, уровень индустриализации региона, увеличение средней продолжительности жизни и др.). Важно учитывать генетические факторы или наследственную предрасположенность. Величина снижения МПК зависет в том числе от биохимического профиля и типа структуры ткани. Многие заболевания внутренних органов (эндокринной системы, ЖКТ, почек) сопровождаются вторичным остеопорозом.
Имеет значение изменение уровня качества жизни и полноценности питания. Если не улучшится питание, то через 20–30 лет вырастит поколение людей, у которых остеопороз будет появляться у женщин в 40 лет, а у мужчин – в 50 и кости будут иметь плотность соответственно 60–70-летних стариков [35].
Накапливаются данные, позволяющие ассоциировать широту диапазона нормы с полиморфизмом генов, ответственных за синтез белков костного матрикса, в частности, рецепторов витамина D, интерлейкина 6, коллагеназы и, возможно, коллагена и рецепторов эстрогенов [35].
Роль тиреоидных гормонов
Понижение тиреоидной функции сопровождается уменьшением уровня кальция и неорганического фосфора в крови, усилением проявлений остеохондроза позвоночника. В период нарушенного менструального цикла тиреоидная активность возрастает. В крови повышается уровень кальция (до 2,67 ммоль/л), неорганического фосфора (до 0,75 ммоль/л), понижается коэффициент Са/Р.
С приближением климактерического периода тиреоидная активность уменьшается. Несколько понижается уровень кальция в крови (до 2,59 ммоль/л) и заметно – неорганического фосфора (до 0,57 ммоль/л). Коэффициент Са/Р практически изменен от клинически проявляющегося остеохондроза позвоночника.
На протяжении климакса состояние функции щитовидной железы неодинаково: в первые месяцы тиреоидная активность возрастает, затем снижается и вновь – повышается. После наступления менопаузы функция щитовидной железы понижается, в крови уменьшается содержание кальция (2,58 ммоль/л) и фосфора (0,66 ммоль/л), возрастает коэффициент Са/Р.
Обобщая результаты, можно назвать следующие причины возникновения переломов и замедления образования регенерата:
1) эндокринная дисфункция (недостаток эстрогенов, тестостерона), ведущая к существенной потере или уменьшению накопления МПК, в частности, в трабекулярной кости добавочного скелета;
2) уменьшение концентрации соматотропина, катехоламинов, тиреостимулирующего гормона и увеличение концентрации кортизола и паратирина. Это приводит к генерализованной потере минералов;
3) ослабление кровотока в конечности, нарушение проницаемости сосудов;
4) фиброз тканей;
5) резорбция трабекул и снижение прочности соединения между ними;
6) возрастное увеличение ширины костномозгового канала;
7) увеличение микропереломов в связи с ростом числа полостей в компактном веществе, приводящее к дальнейшему снижению МПК и прочности;
8) снижение способности кости противостоять действию ударной силы;
9) снижение силы мышц, нарушение согласованности в их работе и зависящее от этого изменение координации конечности, поэтому люди пожилого и старческого возраста часто падают;
10) длинная шейка бедренной кости и особенности строения ее головки;
11) тонкий кортикальный слой головки (в норме он равен 1 мм) и его порозность;
12) нарушение синтеза и абсорбции витамина D и, как следст-
вие, – деминерализация;
13) ухудшение функционального состояния почек;
14) почечнокаменная болезнь;
15) нарушение деятельности желудочно-кишечного тракта;
16) болезни печени;
17) малая масса тела (у женщин менее 55 кг) и, следовательно, низкая МПК. При переломах шейки бедренной кости и позвоночника масса тела обычно снижена на 7 кг;
18) небольшая величина жировой ткани в ягодицах;
19) падение на бок;
20) малое количество одежды (за рубежом делают специальные подушки на область тазобедренного сустава).
В условиях лечебного процесса и на начальных этапах инволюционного остеопороза основная причина деминерализации состоит в снижении двигательной активности, в том числе и нередкое отсутствие сокращения мышц в поврежденном сегменте. Но и сильное их напряжение при дистракции также оказывает аналогичное действие. Изменение механического влияния на кость приводит к тому, что кристаллы минералов, функционирующие как пьезоэлектрические источники, меньше или больше генерируют энергии, в результате чего изменяется просвет кровеносных сосудов конечности.
Имеется большая разница между причинами возникновения шеечных и вертельных переломов бедренной кости. Шеечные – напрямую связаны с гибелью остеоцитов и возникают при снижении содержания минералов на 15–20 %. Переломы вертелов существенно зависят от количества и качества трабекулярной кости. Поэтому нередко при их переломах одновременно бывают повреждения позвоночника.
Своеобразие строения позвоночника состоит в том, что у молодых людей трабекулярная ткань несет 50 % нагрузки. У стариков эта величина снижается до 30 %. Прочность позвонков у здоровых людей довольно сильно (на 50–60 %) зависит от минеральной плотности трабекул. Разное содержание соединительной ткани дает различие в плотности на 20 %.
Но самое существенное значение для риска переломов позвонков, особенно у стариков и при остеопорозе, в условиях уменьшенной массы трабекулярной кости, имеет целостность тонкого компактного слоя, окружающего тело позвонка. Полноценная компактная кость удваивает у стариков прочность трабекулярной кости и дает увеличение жесткости в 4 раза. Истончение компактной кости бывает особенно заметно в передней части тела позвонка. Поэтому исследование МПК следует проводить в боковой проекции, а не в передне-задней, так как в этом случае происходит усреднение показателя плотности.
В проксимальном отделе бедренной кости трабекулярной ткани меньше, чем в позвоночнике, поэтому прочность здесь меньше на 50 % и она несет только 30 % нагрузки тела, а позвонки – 50 %. В 50 лет у женщин переломы проксимального конца бедренной кости составляют 15 %, у мужчин – только 5 %.
Таким образом, отмеченная динамика МПК в регенерате, зависящая от концентрации гормонов, свидетельствует о достаточно сложном механизме регуляции репаративного процесса.