Загадки костной ткани

На Международном симпозиуме по регенерации (Ленинград, август 1970 года) А.Н. Студитский подчеркивал значимость фактора взаимодействия компонентов тканей организма. Например, эпифиз длинной кости при пересадке под кожу может стимулировать рост новой длинной кости даже до 2-3 см со своим костным мозгом.

Исследования Л.В.Полежаева также продемонстрировали удивительную способность организма высших животных (включая людей) регенерировать различные структуры: от черепных костей до зубных тканей у собак и сердечных мышц у крыс.

Было принято верить что как у людей так и у мышей, крыс и собак черепные своды не способны регенерировать.
При удалении частей черепных сводов зона дефекта закрывается прочным соединительнотканным рубцом.

Л.В. Полежаев смог продемонстрировать, что усиление процессов разрушения тканей и потерю дифференцировки клеток можно использовать для стимуляции восстановления органов и тканей, которые ранее не были признаны способными к самовосстановлению.

В экспериментах, проведенных Полежаевым, ускорение разрушения достигалось путем дробления черепных или трубчатых костей до мелкой стружки, которую затем смешивали с кровью животного и пересаживали в область повреждения. В результате кости полностью восстанавливались в каждом случае изучения. Формировались анатомически правильные черепные кости со всеми характеристиками, включая наличие костного мозга. Отличные результаты регенерации были отмечены при испытаниях на взрослых собаках.

Регенерация происходила следующим образом: мелкие частички кости быстро рассасывались; уже спустя 5 дней после пересадки оставалось незначительное количество опилок. К 7-му дню они полностью исчезали, начиная формирование новой кости из молодой соединительной ткани на месте повреждения.

Стоит подчеркнуть, что новая кость формировалась равномерно по всей поврежденной области, а не только по её границам от остатков старой кости. Молодые клетки соединительной ткани превращались не в рубцовую ткань, а напрямую в клетки-предшественницы - остеобласты и остеоциты - которые вырабатывают основное белковое содержимое для построения новой костной структуры. Уже через 10-15 дней после операции все повреждение (площадью до 10-12 см²) заполнялось новообразованными юными элементами скелетной системы с характерными для неё элементами конструкции – балочками и лакунами – предвещая формирование зародышевого слоя будущего костного мозга.

С течением времени происходило уплотнение структуры губчатой кости, и через год после проведения операции область, где ранее был дефект, становилась едва различимой.

Хирургические методы В.С. Стребкова (1966) и Г.И. Волкова (1968) продемонстрировали возможность восстановления костной ткани черепного свода не только у животных, но и у людей.

Л.В. Полежаев провел серию экспериментов, включая работы по регенерации зубной ткани - самой плотной среди всех тканей человека и животных. Как известно, полости в зубах после бурения не заполняются новой тканью самопроизвольно. Однако имплантация фрагмента соединительной ткани из десны в сочетании с зубными опилками приводит к надежному естественному заполнению полости зуба организмом благодаря наличию фибробластов и коллагеновых волокон в пересаженной ткани десны. При этом под действием зубных опилок уже спустя неделю начинает формироваться дентиноподобная ткань с одонтобластами.

При имплантации апоневротической ткани (фасции), а не из десны, минерализация полости происходит без образования дентиноподобной структуры; данные эксперименты осуществлялись на собаках.

Так в 60-х годах XX века успешно провели эксперименты по регенерации костей, “ремонту” повреждений зубов и даже сердечной мышцы - о последнем можно будет прочитать более подробно в следующих выпусках данной серии книг.

Эксперименты, о которых идет речь, предполагали разрушение определенных тканей и создание условий, при которых клетки теряют свою специализацию через процесс дедифференцировки. Такие представления могут казаться невозможными, особенно для современных медиков.

Но позвольте обратиться к тем экспертам, которые скептически относятся к данным старых исследований.

Важность изучения механизмов регуляции зрелости стволовых клеток, установления их идентичности, контроля за процессом дифференцировки и определения уровня клеточной пластичности является ключевой для будущего прогресса в области девелопментальной биологии и клеточной биологии. Возможность дедифференцирования клеток была подтверждена экспериментально, хотя ранее вызывала сомнения.

Теперь перед учеными стоит вопрос: возможна ли перепрограммировка клеток напрямую в другие типы без перехода в менее зрелое состояние или всё-таки необходим процесс обратного развития? Эта концепция получила название “дедифференцировка” и требовала эмпирического подтверждения. Такое подтверждение было получено С. Cobaleda из Вены (Австрия), как сообщается на сайте Московской Медицинской Академии по материалам журнала Nature за 2007 год (том 449, страницы 473-477), опубликованных 19 января 2008 года.

Стоит ли задуматься о потраченных пятидесяти годах на одно фармацевтическое направление в ущерб разработке соединительнотканных методик в биологии с широким потенциалом применения в медицине?

Способность кости к регенерации, обновлению

В течение всего существования организма наблюдается непрерывное обновление коллагена, изменения в его составе и структуре, активные трансформации коллагена и протеогликанов, а также гликозаминогликанов. Это влияет на формирование и характеристики соединительных тканей и органов. К примеру, размеры коллагеновых фибрилл меняются на протяжении жизни. В фиброзном кольце межпозвоночного диска средний размер фибрилл уменьшается с 65 до 40 нм от одного до семидесяти лет, в то время как в пульпозном ядре он увеличивается с 25 до 40 нм (Happey F., 1974), что коррелирует с изменениями в составе протеогликанов и других компонентов.

Это означает, что процесс старения коллагена проходит параллельно со старением всего организма. Сужение коллагеновых слоев приводит к определённым последствиям: например, уменьшение толщины коллагена в коже вызывает её пересушивание или появление пергаментности, а потеря его объёма в костной ткани делает её более ломкой. Также утолщение коллагенных слоев в пульпозном ядре между позвонков может способствовать повышению плотности диска и его последующему “высыханию” или даже разрушению.

Стоит подчеркнуть, что процессы разложения старой или поврежденной кости либо хряща следуют определённым законам реструктуризации соединительной ткани. Если соединительная ткань испытывает стресс или повреждения, то общие механизмы регенерации могут быть нарушены, что затрудняет поддержание здорового функционирования организма.

При наличии благоприятных условий для соединительной ткани, она способна выполнить множество задач, включая те, которые кажутся невероятными!

Индикатором реактивности кости может служить опыт с участием здоровых добровольцев. Фиксация здоровой (!) конечности приводит к её атрофии уже через неделю. В это время начинается убыль 0,3 грамма кальция и 0,1 грамма фосфора каждый день. При этом важно отметить, что до момента снятия фиксирующей повязки потеря этих элементов не компенсируется даже приемом соответствующих препаратов!

Это подчеркивает значимость сохранения нормального кровотока и метаболических процессов в соединительной ткани. (Сеппо А. «Металлический остеосинтез переломов костей на основе точных клинико-технических наук». Таллинн, 1978)

Костная ткань постоянно обновляется – это ключевой аспект её жизненного цикла (Русаков А.В.). Любое новое формирование кости сопровождается одновременным растворением старой ткани под влиянием остеокластов. В местах их активности в кости формируются углубления (лакуны), где позже образуется новая костная материя.

Правильное функционирование костной ткани зависит от адекватного кровообращения и кровоснабжения, как артериального, так и венозного. Варикозное расширение вен может возникать не только в мягких тканях голени, что ошибочно полагают некоторые медицинские специалисты, но и в самой кости из-за застоя венозной крови. Для поддержания локального обмена веществ, особенно минерального обмена, и для сохранения структурно-функциональной целостности необходимо регулируемое локальное кровоснабжение.

Сбои в локальном кровотоке могут быть самыми разными. Не все патологии сосудов и не все механизмы, которые нарушают упорядоченную работу этой ткани, на данный момент хорошо понятны или изучены. Особенно слабо изучена роль венозного оттока. Исследования патологий костей сталкиваются с проблемой недостатка знаний о лимфотоке через костную ткань.

Что же до артериального снабжения кости, то отсутствие артериальной циркуляции играет ключевую роль в патологии скелетных элементов. Это было должным образом признано лишь после применения рентгенологических методов в остеопатологии. Полную остановку притока артериальной крови сопровождает гибель как самой кости, так и содержащегося в ней костномозгового компонента – это явление получило название “асептический остеонекроз”. Различные формы этого состояния детализированы и являются предметом основательных клинических рентгенодифференциации при изучении остехондропатий.

Исследования, проведенные Д. А. Файнштейном, включающие рентгенологические и капилляроскопические методы наблюдения за остеопорозом у пациентов с повреждениями спинного мозга и периферических нервов, позволяют предположить, что развитие остеопороза не происходит из-за усиленного кровотока внутри кости. Скорее всего, это вызвано венозным застоем в костной ткани. В любом случае было замечено, что при иммобилизации конечности усиливается местное кровоснабжение кости, независимо от первопричины иммобилизации. Так или иначе это приводит к возникновению остеопороза при локальных травмах, острых и хронических воспалительных процессах и других разнообразных болезнях.

Существенное значение для формирования новой ткани имеет состав и структура белково-углеводных комплексов, а также способность связываться с коллагеновыми фибрами. От этого зависят такие параметры тканей как прочность, эластичность и объем. Это особенно актуально для костной ткани как самой прочной структуры в человеческом организме.

Прочность на разрыв коллагеновых фибр по отдельности меняется незначительно; основная причина механических различий между различными органами заключается в разном геометрическом расположении коллагеновых фасций и фибр. В тех частях сухожилий и связок, которые подвергаются растяжению, фибриллы и волокна уложены вдоль основной оси органа. В хрящевой ткани присутствует уникальная арочная структура. В фиброзном кольце межпозвоночного диска коллагеновые пучки располагаются концентрически.

Само фиброзное кольцо сформировано не простыми волокнами, а сложными пластинами, которые пересекаются под разными углами, создавая переплетения на различных уровнях. Внешние пластины обладают большей плотностью и прочностью, в то время как центральные — гораздо более мягкие и слабее структурированные около ядра диска. Эта композиция напоминает сложный узор вязаного свитера с разнообразным рисунком для каждой отдельной части.