Старческая хрупкость костей – не только остеопороз
Всем известно, что с возрастом повышается ломкость костей и, соответственно, риск переломов. Общепризнанным фактом также является то, что основной причиной этого является уменьшение костной массы – остеопения, которая постепенно приводит к развитию остеопороза. Целью всех медицинских вмешательств, направленных на уменьшение вероятности переломов у пожилых людей, до сих пор было замедление этого процесса. Однако новые данные, полученные исследователями Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, работающими под руководством Роберта Ритчи (Robert Ritchie), указывают на то, что не менее важным фактором, вносящим свой вклад в повышение ломкости костей, является изменение структуры костной ткани на всех структурных уровнях.
Результаты исследования, включавшего анализ структуры костной ткани с помощью рентгеноскопии и электронных аналитических методов, а также макроскопическое обследование переломов, показали, что старение приводит к ухудшению механических свойств коркового вещества (внешнего слоя) кости на разных структурных уровнях. Причем происходит это независимо от уменьшения массы костной ткани.
Изменения, происходящие на каждом структурном уровне, вносят свой вклад в возрастное повышение ломкости костей.
Корковое, или компактное, вещество кости состоит из волокон коллагена и минеральных нанокристаллов гидроксиапатита кальция. Механические свойства кости, такие как прочность и жесткость, обусловлены особенностями структуры как на наноуровне, так и на других структурных уровнях строения кости, в том числе на молекулярном уровне и на уровне остеонов. Остеон – это структурная единица компактной костной ткани, состоящая из концентрически расположенных костных пластинок, окружающих центральный канал. Размер остеонов немного меньше миллиметра.
С помощью высокочувствительной рентгеноскопии, компьютерной томографии и сканирующей электронной микроскопии исследователи проанализировали структуру костной ткани людей в возрасте от 34 до 99 лет на микро- и субмикроуровнях. Анализ полученных данных показал, что процесс биологического старения увеличивает количество ферментативных перекрестных сшивок между молекулами коллагена, что уменьшает эластичность кости на наноуровне. Это означает, что волокна коллагена утрачивают способность скользить друг относительно друга, поглощая при этом энергию внешнего удара. Кроме того, биологическое старение приводит к увеличению количества остеонов и плотности их размещения, что ограничивает возможность восстановления трещин на микроуровне.
В комплексе эти два механизма значительно снижают прочности кости. Это проявляется тем, что вместо утратившего эластичность коллагена энергия удара поглощается жесткими структурами, что ведет к возникновению деформаций на более высоких структурных уровнях и появлению микротрещин.
На графиках изображено изменение механических свойств компактного вещества кости человека по мере старения:
A – прочность, B – устойчивость к переломам.
С возрастом количество остеонов может увеличиваться в три раза, что приводит к слишком плотному расположения каналов и снижению эффективности механизмов блокирования роста трещин. Результатом такой растущей неэффективности восстановления повреждений является формирование множества микротрещин на более высоких структурных уровнях. Таким образом, возрастные изменения возникают на всех уровнях структурной организации коркового вещества, что и является одной из причин повышения предрасположенности к переломам.
Статья E. A. Zimmermann et al. Age-related changes in the plasticity and toughness of human cortical bone at multiple length опубликована 22 августа в предварительной on-line версии Proceedings of the National Academy of Sciences.
Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru по материалам Lawrence Berkeley National Laboratory:
The Brittleness of Aging Bones – More than a Loss of Bone Mass.
31.08.2011