Изменения в костной ткани при остеопорозе

У человека массой 80 кг кости весят около 10-12 кг, то есть скелет составляет в среднем около 12-15% от массы тела. Даже если у кого-то скелет более тяжелый, с более толстыми или более плотными костями, это добавляет к общему весу всего один или два килограмма. Наши кости тверже гранита, они выдерживают растяжение больше, чем сталь. Костные структуры поддерживают тело в вертикальном положении и защищают чувствительные органы. Что происходит с нашими костями во время остеопороза, как влияет болезнь на костную ткань?

Требования к опорно-двигательному аппарату очень высокие

Скелет человека состоит примерно из 206 -212 костей. Здоровые кости должны быть чрезвычайно твердыми, жесткими и одновременно эластичными, очень подвижными. Костная ткань в прямом смысле слова является живой, благодаря непрекращающимся процессам ее трансформации – уничтожения старых и образования новых костных клеток. Об остеопорозе (или атрофии костных тканей) говорят в том случае, если процессы преобразования приводят к значительному уменьшению костной массы и к заметному нарушению микроархитектоники кости.

1. Плотность костей

Понятие плотности костей (англ. BMD– минеральная плотность костной ткани) описывает соотношение минеральной костной массы к определенному объему костей. Это соотношение изменяется в течение жизни человека. Для высокой плотности характерны прочность и стабильность, а меньшая плотность костей, соответственно, характеризуется меньшей прочностью и стабильностью костей или скелета. Чем ниже плотность костей, тем выше вероятность перелома костей.

2. Живая ткань кости

Скелет и кости часто представляют, как твёрдую безжизненную ткань. Но это совсем не так. Стоит лишь вспомнить быстрый рост костей в детском возрасте или тот факт, что кости после переломов срастаются почти всегда, причем ровно. Но такая работа по созданию костей происходит не только в особые периоды, такие как, юность или во время несчастного случая (например, перелома). Совсем наоборот: кости преобразуются постоянно!

Это значит, что костная ткань отмирает и созидается регулярно для того, чтобы оставаться жизнеспособной и соответствовать ежедневным требованиям к стабильности и сопротивляемости. Скелет при помощи трансформирования обновляется многократно в течение жизни. Для развития костей два аспекта играют выдающуюся роль: движение и питание (а именно кальций). Без минеральных веществ и без импульсов нагрузки извне, которые нужны костям, немыслим рост и стабильность костей. Поэтому движение и кальций в рамках терапии остеопороза играют решающую роль.

3. Состав костей

Трансформация костей — это сложное взаимодействие гормонов, витаминов и минеральных веществ в соединении с движением и физической активностью. Если существует недостаток импульсов физической нагрузки или отсутствует здоровое питание, то нарушается развитие костных структур.

Само костное вещество состоит, главным образом, из неорганических веществ, твердого кальция, кристаллов фосфатов — они делают кости твердыми и стабильными. Эластичность обеспечивают органические вещества, преимущественно коллаген белка. Если в крови существует недостаток кальция, то кальций высвобождается из костей, что позже постепенно сказывается на прочности костей. Для стабильности костей необходимы, наряду с кальцием и фосфатами, магний, цинк и медь, витамины D, K, C, B6, B12, фолиевая кислота, а также аминокислоты и гормоны. Витамин D тоже очень важен, как и кальций, он способствует всасыванию кальция из кишечника и усвоению кальция в костях.

Наряду с другими факторами, половые гормоны, эстроген и тестостерон способствуют поддержанию взвешенного баланса костных клеток в процессе трансформации костей. Паратгормон из паращитовидной железы регулирует уровень кальция и фосфатов в крови, что является важным для роста костей.

Необходимый уровень концентрации кальция и фосфатов в крови у человека поддерживается в равновесии за счет тонких механизмов и при помощи паратогормона, если это равновесие нарушается, это влияет на здоровье. Например, слишком высокое содержание фосфатов способствует тому, что кальций снова выводится из костей, что приводит к уменьшению их плотности.

Пик костной массы

Примерно до 25 года жизни в организме преобладает рост костей: человек взрослеет, скелет стабилизируется, костная масса увеличивается. В этом процессе главную роль играют клетки, которые создают костные ткани (остеобласты). Костная масса достигает наибольшего показателя в возрасте около 30 лет. После этого момента клетки, создающие кости и их антиподы, клетки, которые разрушают кости (остеокласты), приходят в равновесие.

Костная масса человека изменяется на протяжении всей жизни. Процессы построения и разрушения костей находятся в равновесии, кости стабильно и постоянно обновляются. Если равновесие нарушается, то развивается атрофия костей (остеопороз) .

В медицине и при оценивании остеопороза важную роль играет стадия пика костной массы, или же минеральная плотность костей человека как определенный масштаб, который описывает показатель, когда костная масса имеет высшую плотность (в среднем): у взрослого человека в возрасте 30 лет. Пик костной массы по определению соответствует 100% показателю пика костной массы.

Строение кости

За качество, а значит и стабильность наших костей, отвечает их структура. Кости состоят из различных видов тканей разного состава, в зависимости от функций и места расположения в теле.

Под надкостницей трубчатых костей находится твердая стенка (Corticalis), мощная и компактная структура из волокон тканей. Это то, что мы знаем и ощущаем, как кость. Если мы продвинемся дальше внутрь, то обнаружим губчатую костную ткань, которая состоит из тонких балочек — трабекулярная костная ткань. Именно здесь начинается остеопороз. Всем известна пословица: «Каждая цепь настолько прочна, насколько прочно её слабое звено», это правило действует и здесь. Внутри кости образуются первые микропереломы, и с этого места разрушение костей распространяется все дальше незаметно и тихо. При помощи измерения костной массы можно определить первые исходные точки.

Стабильность и функции костей определяются в основном:

• твёрдой пластиной компактного вещества- кортикалис
• тонкими структурами балочек внутри кости: трабекулы, которые вместе образуют губчатое вещество кости.

Спонгиозная ткань находится внутри кости (расположена, прежде всего, в трубчатых костях, как например, кость бедра). Здесь костная ткань представляет собой губчатую систему, состоящую из костных балочек (трабекул). Эти костные балки образуют пустоты, в которых находится костный мозг. Костный мозг играет решающую роль в образовании клеток.

Губчатое вещество, несмотря на небольшое количество костной субстанции и малый вес, обеспечивает высокую стабильность кости, благодаря закону тонкостенных конструкций.

Трабекулы — это тонкие элементы из костной ткани, которые составляют внутреннее пространство многих костей. Эти структуры находятся в постоянной трансформации, помогающей адаптироваться к существующим индивидуальным нагрузкам. Кость, которая полностью заполнена костной массой, не смогла бы дальше выполнять свои функции, если бы не комбинация жесткой внешней стенки и переплетенной легкой внутренней субстанции.

Роль трабекул 

Благодаря принципу строения тонкостенных конструкций (принцип трабекул) появляются очевидные преимущества по сравнению с компактной структурой, а именно:

• уменьшенное количество вещества при одинаковой стабильности;
• уменьшенный вес;
• возможность динамического приспособления статики;
• подвижность в различных ситуациях нагрузки (в местах с повышенной нагрузкой образуются соответственно плотно переплетенные трабекулы);
• в пустотах находится чувствительный костный мозг;
• большая поверхность для интенсивного обмена веществ;
• возможность легко реагировать на микропереломы и восстанавливать их при помощи остеобластов и остеокластов

Эти тонкие, переплетенные между собой балочки, которые расположены внутри кости, играют важную роль для общей стабильности костей: они образуют внутреннюю структуру костей, которая (тоже) отвечает за статику, структуру и стабильность. И именно эти тонкие балочки остеопороз поражает в первую очередь, они становятся пористыми, тонкими, и вследствие этого, менее стабильными. Кроме того, они больше подвержены микропереломам.

На данный момент медики исходят из того, что исключительно их вклад в стабильность больше не является решающим (ранее предполагалось, что он чрезвычайно высокий). Но, как и прежде, их вклад в обмен веществ внутри костей очень высокий, он делает эту структуру чрезвычайно ценной, вследствие сетевидного строения она имеет очень большую поверхность, что предоставляет хорошую возможность для обмена веществ. При этом, обмен веществ не должен быть очень высоким, точно также, как и процесс трансформации не всегда работает на полную мощность — решающим является возможность приспособления, когда это необходимо.

Способность ткани к приспособлению, или же возможность ткани формироваться в соответствии со специфическими условиями нагрузки, является решающей − структура и элементы структуры подвергаются при этом постоянным преобразованиям. Если рассматривать эти структуры в микроскоп, что костные балочки образуются в соответствии с направлением прилагаемой нагрузки − в местах повышенной нагрузки трабекулы переплетаются плотнее. Способность к приспособлению используется во время тренировок при остеопорозе, когда при помощи нагрузки создаётся импульс для образования костей.

Как изменяется архитектоника кости при остеопорозе?

Когда кость здоровая, то механизмы восстановления не повреждены, в таком случае остеобластами (клетки, которые создают кости) и остеокластами (клетки, которые рассасывают кости) быстро устраняются микропереломы, которые возникают вследствие перенапряжений. При остеопорозе эта трансформация по отношению к нагрузке и возможности восстановления находится в критическом состоянии, потому что она нарушена.

Микропереломы увеличиваются и незаметно развиваются, затем возникают новые переломы новых трабекул — и медленно с течением временем создается значительная нестабильность. Микропереломы − это начало больших переломов.

Понимание микропереломов является важной частью понимания остеопороза. Существует определение фрактур (перелом костей) как острое нарушение костей. Перелом вследствие остеопороза (без травмы или падения) развивается очень медленно – остеопорозные переломы являются суммой микропереломов, которые не восстановлены необходимым образом. Более подробно о клинике остеопороза можно прочитать здесь.

Качество костей

Остеопороз − это не только низкий показатель костной массы или плотности костей, это ещё и вопрос качества костей. Давайте рассмотрим пример, в виде устойчивости большого дома. Способность его вынести нагрузку зависит не только от нескольких мощных несущих перекрытий и стен, а скорее, от конструкции в деталях, соединений, качества материалов и прежде всего, регулярного «обслуживания». В этом случае дом выдержит соответствующую статическую нагрузку. Остеопороз костей базируется одновременно на трёх изменениях костной ткани:

• низкая плотность костей;
• недостаточные механизмы восстановления;
• ухудшенное состояние костного вещества.

Микропереломы при несвоевременном и недостаточном лечении являются существенной частью развития остеопороза. При этом качество костей постоянно ухудшается, костные структуры становятся нестабильными…

Спонгиоза и трабекулы – принцип тонкостенной конструкции

Костные структуры с спонгиозой и трабекулами (костными балочками) часто сравнивают с принципом тонкостенной постройки. Этот принцип позволяет сэкономить костную субстанцию при значительной стабильности.

Эйфелева башня является строением тонкостенного типа, который подсказала природа. Примером для её конструкции послужили балочки костей. Тонкостенная конструкция — это естественный тип конструкций, его основная цель заключается в оптимальной экономии веса. Это действует не только для архитектуры, но и для костей. Решающим фактором является тесно связанная конструкция, при этом большинство трабекул в костях располагаются вдоль линий нагрузок, а один элемент зависит от другого. Если ломается трабекула, то другие трабекулы несут остальную нагрузку.

При измерении плотности кости даже незначительные отклонения в результатах указывают на высокий риск их поражения.

Остеокласты и остеобласты

Преобразование костей — это постоянный и непрерывный процесс изменения костей, в ходе этого процесса остеокласты (клетки-разрушители) удаляют старую костную ткань, а параллельно, остеобласты (клетки-созидатели) снова создают костное вещество. Если просто сказать, из старого делают новое.

В этом процессе именно эти два вида клеток играют важную роль:

• остеобласты → клетки – строители;
• остеокласты → клетки – разрушители.

Хотя кости твёрдые и статичные, они не являются мёртвой тканью, это активно живущая ткань. Кости постоянно приспосабливаются к изменяющимся внешним условиям. Это приспособление к «изменяющимся внешним условиям» звучит менее абстрактно, если мы представим себе кости и весь наш организм как экономическую систему. Внешние условия, это те задачи, которые решает весь организм – в случае костей это создание определённой стабильности. В общем, человек во время работы и движения требует от костей определённого положения и стабильности.

Выводы:

Преобразование костей постоянно продолжающийся процесс: костные ткани удаляются (остеокласты — разрушение тканей) и образуются новые ткани (остеобласты – создание тканей). Такое преобразование обеспечивает жизнеспособность тканей и стабильность костей.

Преобразование костей и механизмы физиологического восстановления определяются следующими факторами:

• обмен костной субстанции — старые ткани заменяются новыми;
• приспособление к воздействию сил и образование костных балочек, которые следуют основным направлениям воздействия нагрузки;
• восстановление повреждённых мест микрофрактур.

А что происходит при остеопорозе?

Кости ослабляются, причиной ослабления является уменьшенная плотность костей. Механизмы восстановления больше не функционируют должным образом.

Не ждите «красной степени тревоги», когда безобидное падение приводит к перелому предплечья, а от сильного кашля ломаются рёбра. Узнайте свои факторы риска  и как можно быстрее займитесь профилактикой, а может быть и лечением остеопороза.