Роль кортикальної кістки та її мікроструктури у міцності кістки - Consilium Medicum №02 2010 -
Зниження щільності кістки з віком призводить до підвищення ризику переломів, таких як передпліччя, хребці, стегно. Ризик перелому стегна зростає у 13 разів на 80 років порівняно з 60-річним віком [1]. Це підвищення ризику переломів міцно пов'язане із зношуванням механічної міцності кістки. Відомо, що міцність кістки характеризується як структурними, і внутрішніми фізичними властивостями кісткової тканини. Під структурними властивостями мають на увазі розмір, геометрію та мікроструктурні характеристики (трабекулярна орієнтація та кортикальна порізність) кістки. Внутрішні фізичні властивості обумовлені мінеральною щільністю кісткової тканини (МПК), хімічним складом та розміром кристалів гідроксіапатиту. Скелет складається з двох типів кісткової тканини: кортикальної (компактної) кістки, частку якої припадає 80% від загальної маси скелета дорослого, і губчастої (трабекулярної), що представляє 20% скелета, але є найбільш метаболічно активною. Її кількісне співвідношення та розподіл залежить від місця кістки у скелеті та від її функції. Компактна речовина особливо добре розвинена в тих кістках та їх частинах, які виконують функції опори та руху. Наприклад, із компактної речовини побудовано тіло довгих трубчастих кісток. Кісткові пластинки мають циліндричну форму і як би вставлені одна в одну. Така трубчаста будова компактної речовини надає кісткам велику міцність та легкість. Губчаста речовина утворена безліччю кісткових трабекул, які розташовуються за напрямами максимального навантаження. Ним утворені епіфізарні потовщення довгих трубчастих кісток, а також короткі плоскі кістки. Між трабекулами розташовується червоний кістковий мозок.органом кровотворення – у ньому утворюються клітини крові. Порожнини довгих трубчастих кісток дорослих заповнені жовтим кістковим мозком, у якому містяться жирові клітини. Протягом життя людини співвідношення кортикальної та губчастої речовини кістки змінюється. Ці зміни залежать від способу життя, який веде людина, від її харчування, стану здоров'я. Кортикальна кістка несе основне навантаження скелета. Біомеханічні дослідження, що вивчають механічну поведінку кістки, як тканини, так і її структури, продемонстрували, що саме кортикальна кістка робить більший внесок у міцність кістки. Механічна міцність кістки, як було сказано вище, визначається геометрією (розміром та формою кістки) та внутрішніми властивостями її складових (еластичність, міцність, пружність). Поки недостатньо ясно, що в цілому визначає крихкість кістки, але зменшення пружності та сили кістки внаслідок недостатності процесів, що відбуваються в самій тканині, робить істотний внесок у підвищення ризику переломів [2]. Однак незважаючи на пошкодження, кістка відноситься до високоеластичних тканин, здатних до самовідновлення. Ризик перелому та нестійкість кістки до механічного навантаження залежать не стільки від загальної маси кістки, скільки від товщини та геометричних властивостей кортикальної пластинки [3]. Дослідження МПК є найчастіше застосовуваним методом визначення міцності кістки і широко використовується визначення індивідуального ризику перелому. При визначенні ризику перелому за допомогою МПК частіше використовують ті ділянки кістяка, які більшою мірою представлені губчастою тканиною, наприклад поперекові хребці (66%), міжвертальний простір стегна (50%) та ультрадистальний відділ передпліччя (75%), меншою мірою кортикальною тканиною. - Шия стегнової кістки (75%). Великекількість досліджень показало, що низька МПК у цих галузях достовірно асоціюється з високим ризиком переломів [4], причому абсолютний рівень МПК і величина її подальшого зниження – важливі показники, що визначають величину ризику перелому. Сама собою кісткова маса, виражена в МПК, відповідає лише за 80% варіацій у міцності кістки [5], ймовірно, тому лише 50% пацієнтів, які перенесли переломи при низькоенергетичному рівні травми, мали показники МПК, що відповідають критеріям остеопорозу (ОП) за даними денситометричного дослідження. Отже зменшення маси чи МПК є важливим, але з єдиним чинником, визначальним її міцність.
Крім того, внутрішні властивості та щільність кістки залежать від розмірів та розподілу кристалів гідроксіапатиту [17]. Кісткова мінералізація, що виражається середнім значенням ступеня мінералізації кісткового матриксу, починається всередині колагенових фібрил за рахунок вбудовування кристалів гідроксиапатиту, розміри яких поступово збільшуються за рахунок приєднання іонів та агрегації кристалів між собою. У кожній кістковій структурній одиниці відбувається процес мінералізації, який складається з двох фаз – швидкої та повільної. Швидка фаза первинного відкладення мінералів по фронту кальцифікації протікає протягом кількох днів, внаслідок якої відбувається мінералізація понад 70% колагенового матриксу. Повільна фаза вторинної мінералізації, що триває від кількох місяців за кілька років, характеризується дуже повільним, але поступовим збільшенням відкладення мінералів. Молода кістка представлена як маленькими, і великими зрілими кристалами гидроксиапатита у оптимальному співвідношенні, що забезпечує стійкість кістки до навантажень. З віком збільшується кількість середніх та великихкристалів, а коли кількість великих кристалів стає критичним, то кістка стає крихкішою. На величину кристалів, якість колагену та інших білків кісткового матриксу впливають такі відомі фактори, як захворювання, лікарські препарати, харчові уподобання та вік [18]. Таким чином, для кортикальної кістки важливі як якість колагену, що впливає на пружність, так і нормальний процес мінералізації, що забезпечує жорсткість і міцність [16]. Як було сказано раніше, у дорослої людини в процесі перебудови кортикальної кістки резорбція відбувається переважно на ендокортикальній поверхні, що призводить до витончення цього шару на 30-50% і збільшення кістково-мозкових порожнин [20]. Ці зміни називаються інтракортикальною порізністю, яка характеризується кількістю і розміром пор, що утворюються (дефектів), і відповідає за 70% еластичності і 55% жорсткості кортикальної кістки, що знайшло підтвердження при локальних визначеннях МПК [21]. У ряді досліджень було показано, що локальні дефекти кортикальної кістки внаслідок інтракортикальної порізки можуть призводити до переломів як хребців [22, 23], так і шийки стегна, де найслабшим місцем є передньоверхня частина – ділянка з особливо тонкою кортикальною пластинкою [24, 25] . Кортикальна кістка - композитний матеріал, в якому акумулюються мікротріщини внаслідок тривалого тиску та втоми кістки. Мікроушкодження представлені короткими лінійними тріщинами в кортикальній тканині, що призводять до порушення внутрішньомолекулярних зв'язків. Процес поступового накопичення мікроушкоджень, що відбувається, призводить до достовірного зниження міцності кортикальної кістки [26], при цьому більш виражений вплив на крихкість кістки надає розміри самих тріщин, ніж їхкількість [27]. Підтвердження цьому були отримані в результаті вивчення впливу лінійних мікротріщин і дифузних пошкоджень на трупних великогомілкових кістках, коли було показано, що у літніх об'єктів (82±5 років) мікротріщини довші і пряміші, а життя кортикальної кістки достовірно коротше, ніж у молодих донорів( 39±9 років) [28]. Наявні в даний час дані свідчать про важливість стану кортикальної кістки для оцінки її якості, прогнозування ризику перелому та переоцінки підходу до моніторування лікування. Клінічні дослідження показують, що засоби для лікування ОП проявляють себе краще за зниженням ризику переломів, ніж ми могли б очікувати від їх ефекту на МПК. Підвищення МПК лише на 0,5% на фоні прийому вітаміну D та більш ніж на 10% при застосуванні високих доз терипаратиду знижує ризик переломів хребців від 23 до 69% [29, 30]. При оцінці результатів дослідження FIT було показано, що лише 16% [(11–27%) 95% ДІ] зниження ризику переломів хребців можна пояснити змінами у показниках МПК на фоні прийому алендронату в дозі 5 мг на день [31], а при прийомі Ралоксифен тільки 4% у зниженні ризику переломів хребців приписується змінам МПК [32]. Таким чином, висловлюється думка, що гіпертрофія трабекулярної тканини, що викликається антирезорбтивними препаратами, може бути лише супутнім явищем, яке не істотно впливає на зниження ризику перелому [33], реально зниження частоти переломів може виявитися результатом підвищення мінералізації та зменшення порізності кортикальної кістки. Це припущення знайшло підтвердження результатів дослідження P.Schneider і співавт. [34], які за допомогою периферичної комп'ютерної томографії показали виразний вплив лікування алендронатом на показники не тільки загальної BMDультрадистальної частини променя, але, що важливіше, на величину індексу стресового розтягування кістки, який, як зазначалося вище, є показником її міцності. Ймовірно, цим же можна пояснити невдачі у застосуванні високих доз фторидів, які на рівні кортикальної кістки спричиняють зниження мінералізації та підвищення резорбції ендосту та його порізності [35].
КорекціяОскільки донедавна ми мали лише два терапевтичні підходи до ведення пацієнтів з високим ризиком переломів, а саме: призначення антирезорбтивних засобів (наприклад, бісфосфонати), які пригнічують резорбцію кістки, але при цьому зменшують активність синтезу кісткової тканини, або анаболічних препаратів (паратиреоїдний гормон – ПТГ) та їх похідних, які стимулюють процеси кісткоутворення, але при цьому й підвищують активність резорбції, – то хотілося б розглянути питання про вплив цієї терапії на геометрію стегнової кістки та її структурні складові. У дослідженні [36] щодо застосування ПТГ, алендронату та їх різних комбінацій при постменопаузальному ГП з використанням оцінки параметрів кількісної комп'ютерної томографії та двоенергетичної денситометрії було встановлено, що через рік від початку терапії достовірно збільшилася міцність стегнової кістки та при застосуванні ПТГ (пор. 08%), та алендронату (3,6%), а через 2 роки спостерігалися достовірні зміни у всіх групах лікування (4,18–7,74%), крім групи, яка застосовувала лише ПТГ протягом року, потім плацебо (1, 17%). Збільшення міцності кістки було переважно пов'язане із збільшенням МПК трабекулярної кістки, а не кортикальної, де, наприклад, на тлі ПТГ через рік відзначалося зменшення її маси (-6,24%) та МПК (-1,32%), що впливало на зміни параметрів зовнішньої геометрії стегнової кістки Через 2 роки застосуванняалендронату отримане підвищення міцності кістки пов'язують так само зі зміною зовнішньої геометрії кістки та підвищенням денситометричних показників МПК всього проксимального відділу стегна, проте кореляція між змінами міцності та МПК дуже скромна (r2=0,14, p