Строение костной ткани. В состав костной ткани входят, как известно, костные клетки и межклеточная субстанция, которая состоит из основного бесструктурного вещества и оформленной части в виде волокон. Каждая кость по периферии построена из очень плотной , местами тонкой, местами, наоборот, очень толстой стенки, состоящей из компактного костного вещества. Внутри кость построена из губчатого костного вещества, состоящего из целого ряда тонких, соединенных со стенкой и между собой костных перекладин, которые в своей массе напоминают мелкопетлистую губку.
Костные перекладины, или трабекулы, распределены в губчатом веществе по траектории сжатия и растяжения, т. е. как бы строго следуя законам механики. Благодаря такой конструкции, они отвечают на испытываемые костью «сжатие», «растяжение» и «скручивание», причем каждая перекладина имеет свое специальное значение, а при длительных изменениях условий, в которых находится кость, наступает перестройка внутренней архитектуры кости.
В образовании формы костей имеют значение, наряду с другими причинами (кормление, содержание, эксплуатация и пр.), также и те условия, в которых развивается данная кость. В этом отношении важнейшими факторами являются прилежащие к ней смежные кости и мышцы, а также сосуды, нервы, железы и другие тканевые элементы, влияющие на формообразование кости.
Известно, что поверхность костей, где прикрепляются мышцы, сухожилия и связки, отличается неровностью: она в этом месте вогнута или (чаще) выпукла. При сухожильном способе прикрепления на кости развиваются бугры. Если же мышечные пучки непосредственно вплетаются в надкостницу (при так называемом пери-остальном способе прикрепления), то на кости образуется ровная или даже вогнутая поверхность (различные ямки).
В общем, несмотря на многообразие форм костей, для удобства описания их подразделяют по форме на длинные, короткие, широкие и смешанные. Для рассматриваемого нами вопроса наиболее интересны первые две формы - длинные и короткие кости.
У длинных костей один размер значительно преобладает над остальными. Средняя часть (диафиз), или тело такой кости имеет цилиндрическую или призматическую форму; концы (эпифизы) более или менее утолщены и соединяются с соседними сочленяющимися костями. Кости этого типа образуют основу конечностей и играют роль рычагов, приводимых в движение мышцами И сухожилиями.
В коротких костях все три размера приблизительно одинаковы. Кости этого типа встречаются там, где, при прочности соединений, в то же время необходима известная гибкость; сюда относятся кости запястья и заплюсны.
При исследовании наружной формы кости обращают внимание па характер ее поверхностей ; они могут быть плоские, вогнутые или выпуклые, гладкие или шероховатые. Наибольшей гладкостью отличаются суставные поверхности (fades articulares), которые имеются на концах длинных костей и на местах соединения их между собой. В этом случае иногда конец одной кости закругляется, образуя головку, а на другой соответственно этому образуется суставная ямка, причем головка может быть отделена от тела кости перехватом (шейкой). Если суставной конец представляет обширную, но слабо изогнутую поверхность, то он относится к числу сочлененных отростков, примером которых являются суставные отростки позвонков. Короткие кости целиком состоят из губчатого вещества и только снаружи покрыты сравнительно тонким слоем компактного костного вещества.
Концы длинных костей построены так же, как и короткие кости. Тело устроено иначе: оно по всей длине представляет полый цилиндр, стенку которого образует довольно толстая корка плотного вещества, а полость представляет собой костномозговой канал, сообщающийся с пустотами в substantia spongiosa концов кости. Внутреннее строение костей таково, что при наименьшей затрате материала они имеют наибольшую прочность. В частности, длинные кости, выполняющие роль стоек и рычагов, в большей своей части состоят из плотного вещества, причем тело их полое. Такие кости, будучи легкими и занимая мало места, способны выдерживать наибольшее сопротивление механической силе, которая действует на периферические слои кости. Губчатое вещество встречается там, где при известной прочности и легкости налицо и значительный объем, что наблюдается в коротких костях и на концах длинных; таким путем увеличивается поверхность соприкосновения костей. Расположение пластинок губчатого вещества, кажущееся на первый взгляд беспорядочным, в общем совпадает с направлением наибольшего функционального сжатия и растяжения. Кроме того, в костной ткани нередко образуются еще особые системы скреп. В результате каждая кость имеет строение, наиболее соответствующее тем функциональным условиям, в которых она находится , причем кривые растяжения или сжатия могут составлять в нескольких смежных костях одну общую систему. Таким образом, структура и функция кости взаимно обусловливают друг друга; это взаимодействие легко обнаруживается при изучении архитектуры губчатого вещества, каждая перекладина которого имеет свое специальное назначение. При изменении условий расположение перекладин меняется, все ненужное, излишнее уничтожается (рассасывается),развиваются системы новых пластинок, примером чему может служить изменение внутреннего строения костей при заживлении перелома.
При микроскопическом изучении строения костной ткани можно обнаружить, что компактное костное вещество состоит из тесно рас-положенных костных пластинок и пронизано многочисленными га-версовыми каналами, которые идут большей частью параллельно длинному разрезу кости, многократно между собой анастомозируясь. Различают пластинки трех родов:общие гаверсовы и промежуточные. Главная масса кости построена из гаверсовых пластинок, которые образуют концентрические наслоения вокруг каналов того же названия и в целом представляют собой ряд цилиндров разного диаметра, вложенных друг в друга. Пространства между отдельными гаверсовыми системами выполнены вставочными или промежуточными пластинками. Общие или главные пластинки составляют самые наружные и самые внутренние (ограничивающие костномозговой канал) слои кости.
В каждой пластинке пучки фибрилл идут преимущественно по одному определенному направлению, притом так, что в соседних пластинках эти направления пересекаются между собой.
Гаверсовы каналы содержат, кроме нежной соединительной ткани, кровеносные сосуды, питающие кость.
Отдельные перекладины губчатого вещества состоят из костных пластинок, не имеющих такого правильного расположения, как в плотном веществе; гаверсовы каналы там почти не встречаются.
Гистологическое строение костной ткани трубчатых костей передних и задних конечностей у лошади, как показали исследования проф. Н. Ф. Богдашева, находится в прямой зависимости от их физиологической функции. Характерным отличием для пястной кости лошади является сравнительно редкое расположение гаверсовых каналов с большими площадями, занятыми промежуточными пластинками.
В компактном же веществе плюсневой кости гаверсовы системы расположены гуще, но с меньшим количеством промежуточных пластинок. Установлена зависимость микроструктуры кости от толщины ее стенки; степень развития их находится в зависимости от неодинаковой функциональной нагрузки, падающей на разные участки поперечного сечения трубки. У жеребят до 2-3-месячного возраста гистоструктура костной ткани трубчатых костей идентична. Однако в старшем возрасте, по мере диференциации формы самих трубчатых костей, начинают появляться функциональные отличия в гистологическом строении трубчатых костей. Уже в 2- 3-летнем возрасте у лошадей, по данным проф. Н. Ф. Богдашева, «хорошо заметно, что волярный участок стенки всегда имеет значительно гуще расположенные гаверсовы каналы по сравнению с другими участками. В то же время толщина волярной стенки к этому возрасту становится значительно тоньше». На дорзальной стенке в этом возрасте отмечается ее утолщение и наиболее редкое расположение гаверсовых каналов; между ними хорошо выделяются поля , занятые промежуточными пластинками.
Химический состав костной ткани. Бесструктурное костное вещество в своей основе состоит из слизеподобного и белковоподобного органических веществ, находящихся в тесном соединении с минеральными веществами, главным образом с фосфорнокислыми солями. Волокнистая часть костной ткани состоит из клейдагощих коллаге-новых волокон. Известно, что коллагены являются главной составной частью основного вещества рыхлой соединительной ткани, сухожилий, фасций, связок, оссеина костей и хрящей. Коллаген нерастворим ни в воде, ни в слабых кислотах и щелочах; при кипячении с водой он переходит в клей (глютин, желатина).
Коллагены по своему составу характеризуются повышенным содержанием азота (18%) и пониженным содержанием углерода (49%). Они содержат очень большое количество гликоколя, протеина и оксипролина и совсем не содержат цистина, тирозина и триптофана, являясь, таким образом, неполноценным белком.
Волокнистое вещество вместе со слизеподобным и белковоподобным образует органическую основу костной ткани - оссеин (или костный хрящ). Соединение оссеина с неорганическим веществом (солями извести) создает необходимые физические свойства - упругость и прочность костной ткани. Химический анализ трубчатых костей у лошадей, по данным проф. Н. Ф. Богдашева, содержит: воды - 9,18%, органических веществ-28,58%. золы - 62,24%, в том числе окиси кальция - 34,37%.
Нормальное количественное соотношение между оссеином и неорганическим веществом под влиянием различных физиологических и патологических причин может измениться. Как известно, в молодом возрасте кости бывают гораздо беднее минеральными солями и отличаются повышенной своей гибкостью и меньшей твердостью по сравнению с костями взрослого животного. В старом возрасте, наоборот, уменьшается количество содержащегося в костях оссеина, вследствие чего кости этих животных менее устойчивы к механическому воздействию и больше подвержены переломам.
Физические свойства костной ткани. Соединение оссеина с неорганическим веществом создает необходимые физические свойства для костной ткани. Упругость костной ткани превосходит упругость дубового дерева. По своей прочности (крепости) костная ткань прочнее гранита и приближается к некоторым металлам - чугуну и железу.
Физиологические свойства костей находятся в некоторой зависимости от их удельного веса. По данным проф. Н. Ф. Богдашева, удельный вес компактного вещества воздушно-сухих костей пясти и плюсны лошади в среднем равен 1,985, причем им отмечено, что удельный вес пястных костей несколько больше удельного веса костей плюсны. Так, например, удельный вес пясти равен 1,995, а удельный вес костей плюсны у той же лошади - 1,976.
Механические свойства (крепость) трубчатых костей у животных находятся в некоторой зависимости от содержания в них кальция. Наличие известковых солей в костной ткани увеличивает ее сопротивляемость более чем в 6 раз. По данным проф. Н. Ф. Богдашева, образцы из пястных костей лошадей от 4 до 16-летнего возраста разрушаются лишь при нагрузке от 1840 до 2805 кг/см2, кости жеребят до 2-летнего возраста выдерживают груз всего лишь от 1300 до 1510 кг/aw2.
Сопоставляя различную механическую устойчивость при сжатии тех или иных участков из стенок трубчатых костей с их микроструктурой, можно заключить, что самые устойчивые, разрушающиеся при наибольшей нагрузке участки кости - волярная стенка МС3, которая имеет в строении наиболее густо расположенную сеть гаверсовых каналов. Дорзо-медиальные стенки пястных костей, имеющих более редкое расположение гаверсовых систем, с большими просветами гаверсовых каналов и значительными полями промежуточных пластинок, отличаются меньшей сопротивляемостью сжатию.
Отсюда следует, что количество и качество гаверсовых систем и костных полостей на дорзо-медиальной и волярной стенках костей пясти, с одной стороны, и степень устойчивости соответствующих участков при разрушении их, с другой, представляют собой определенную закономерность, которая, по всей вероятности, характерна для анатомо-гистологического строения костной ткани вообще.
Сопротивляемость трубчатых костей излому в дорзо-каудальном направлении значительно ниже сопротивляемости в медиально-латеральном направлении. Это положение согласуется с анатомической формой пястных костей, у которых поперечный диаметр трубок больше продольного диаметра их. Отсюда можно сделать вывод, что при жизни лошади допустима большая возможность перелома костей пясти в дорзо-волярном направлении, чем в латерально-медиальном, если в этих направлениях будет действовать одна и та же механическая сила.
Строение надкостницы и ее роль в физиологии и патологии костной ткани
Вся наружная поверхность кости, за исключением тех мест, где расположен суставной хрящ , и мест прикреплений сухожилий и связок, покрыта надкостницей. Она представляет собой довольно крепкую соединительнотканную пленку бледнорозового цвета, богатую нервами, кровеносными и лимфатическими сосудами. Надкостница плотно удерживается на поверхности кости, благодаря существованию особых прободающих тонких соединительнотканных пучков или так называемых шарпеевских волокон, которые, отделяясь от надкостницы, проникают в костную ткань и залегают в ней в особых канальцах.
198
Надкостница очень чувствительна ко всякого рода раздражителям, от нее зависит питание прилегающих слоев костной ткани и рост кости в толщину.
Микроскопически можно обнаружить, что надкостница состоит из трех слоев - наружного адвентициального слоя (tunica adven-titia), среднего фиброзно-эластического слоя (tunica fibroblastica) и внутреннего остеобластического слоя (tunica osteoblastica). Наружный, или поверхностный, слой надкостницы построен из более грубых коллагеновых пучков. В нем заложено большое количество нервных волокон, кровеносных сосудов и лимфатических щелей, питающих костную ткань. Средний слой содержит много эластических волокон, но мало сосудов.
Внутренний, или глубокий (остеогенный), слой более нежен и беден сосудами. Он состоит из рыхлой соединительной ткани и клеток камбиального слоя. В этом остеобластическом слое находятся многочисленные камбиальные клеточные элементы, сохраняющие способность давать поколения образующих кость остеобластов. У молодых животных с растущей костью, так же как и во время эмбрионального развития, остеобласты и дающие им начало индиферентные скелетогенные клетки в этом слое особенно многочисленны и образуют на поверхности кости особую прослойку, называемую костным камбием или просто камбиальным слоем, которым надкостница и обеспечивает рост кости.
При росте кости остеобласты энергично размножаются, вырабатывают промежуточную субстанцию костной ткани и одна за другой превращаются в настоящие костные клетки вновь сформированных костных пластов.
У старых животных остеобласты расположены в надкостнице уже не сплошным слоем, как у молодых индивидуумов, а отдельными участками. Отсюда у них темпы регенеративных процессов в костной ткани при переломах бывают относительно замедленными.
Таким образом, при повреждении костей их восстановление идет главным образом со стороны надкостницы, которая, будучи обильно снабженной кровеносными сосудами, доставляет приток крови в толщу костной ткани. Известно, что кость, оголенная от надкостницы на значительном участке, отмирает из-за отсутствия притока питательных веществ.
При механических, химических или биологических повреждениях в надкостнице развивается патологический процесс, характеризующийся в зависимости от причины серозным, гнойным, фиброзным или оссифицирующим воспалением.
Костный мозг и его значение в физиологии"и патологии костной ткани
Костный мозг заполняет костномозговой канал и костномозговые полости губчатого вещества. Он представляет собой очень нежную красного цвета массу , богатую кровеносными сосудами, основу которой составляет ретикулярная ткань; в петлях последней помещаются зрелые элементы крови, молодые формы их и особые гигантские клетки.
Физиологическое значение красного мозга очень велико и разносторонне. Прежде всего он относится к числу кроветворных органов, причем у молодых животных кроветворение происходит по всему костному мозгу, тогда как у взрослых и старых животных оно осуществляется только в известной части костного мозга. Остальная же часть замещается жировой тканью, имеющей желтовато-красноватую окраску и называющейся желтым костным мозгом. Кроме того, кровеносные сосуды мозга обильно питают внутренний слой кости. Красный мозг играет важную роль в развитии и росте костной ткани. Остеобласты принимают такое же участие, как и надкостница, в формировании новой костной ткани, а остеокласты рассасывают и уничтожают избыточную костную ткань. Благодаря этой диаметрально противоположной работе остеобластов и остеокластов кость имеет возможность до глубокой старости перестраивать свою архитектонику соответственно механическим условиям сжатия, растяжения или скручивания.
В старческом возрасте желтый мозг превращается в студенистый или желатинозный костный мозг. Он также появляется у истощенных животных в молодом возрасте при голодании, различных xpo-i(нических заболеваниях (кахексии). Атрофия красного мозга и преждевременное замещение его желтым в молодом возрасте имеют место при тяжелых расстройствах питания, инфекции и интоксикации, а также возможны при остеосклерозе и развившихся новообразованиях.
При травмах и переломах костей в костном мозгу наблюдаются кровоизлияния от мелких, тёмнокрасных точек и пятен до кровоизлияний значительной величины с разрушением костномозговой ткани.
Воспаление костного мозга может наступить при многих инфекционных, токсических и травматических заболеваниях. Наиболее частая форма воспаления - это серозный остеомиэлит, характеризующийся гиперемией и серозной отечностью мозга. При геморрагическом остеомиэлите заметны сильная гиперемия, геморрагические инфильтраты и выраженная отечность мозга. Гнойный остеомиэлит характеризуется развитием в костном мозгу мелких или более крупных абсцессов или более разлитой, гнойной инфильтрации костного мозга.
Продуктивное воспаление костного мозга наблюдается при хроническом фиброзном остеомиэлите, сопровождающемся, как известно, разращением ретикуло-эндотелиальной ткани с последующим фиброзным уплотнением костного мозга.
Кровоснабжение костей конечностей лошади
Громадное значение васкуляризации в физиологии и патологии костной ткани у животных неоспоримо. Отрадно отметить, что приоритет в изучении этого важного для ветеринарии вопроса принадлежит советским авторам. Рентгенографическим методом исследования установлено, что общим для всех костей, независимо от их формы и типа, является наличие периостальных и интраоссальных сосудов, причем периостальиые сосуды питают главным образом костную ткань , а интраоссальные - костный мозг. Обе сосудистые системы костей соединяются громадным количеством анастомозов через многочисленные каналы компактного и губчатого веществ. Сосуды надкостницы и костного мозга анастомозируются через перфорирующие каналы Фолькмана.
Неподатливость стенок каналов Фолькмана ограничивает диаметр лежащих в них сосудов, что может служить при некоторых заболеваниях причиной тромбообразования. Кроме того, через сосуды этих каналов распространяется воспалительный процесс с периоста на костный мозг и обратно.
Периостальная сосудистая сеть, благодаря множеству анастомозов, имеет мелкопетлистое строение, иногда в виде очень красивого кружевного узора. Сети этих сосудов своими ветвями соединяются с крупными магистралями кости и с сосудами подкожной клетчатки.
Интраоссальные сосуды костей конечности подразделяются на три основных типа. Первый тип сосудов свой питающих эпифизы и метафизы, колеблется, особенно за счет добавочных ветвей, тогда как диафиз всегда имеет один доственен всем коротким костям, которые имеют несколько питающих сосудов, входящих в.кость через все прикрепляющие поверхности, свободные от сочленений. Второй тип - сосуды, располагающиеся в длинных трубчатых костях, в которых четко выступают три сосудистые области: сосуды эпифизов, метафизов и диафиза. Число довольно крупный сосуд, проникающий в кость. К третьему типу сосудов относится своеобразное построение артериальной системы копытной кости.
Лимфообращение в костной ткани
Анатомия лимфатической системы костей и, в частности, анатомия отводящих лимфатических сосудов надкостницы костей и их компактного и губчатого костного вещества, а также костного мозга, как справедливо на это указывает проф. Д. А. Жданов, «принадлежит к наиболее трудным разделам учения о глубокой лимфатической системе». Литературные данные об анатомии лимфатической системы костей у животных, к сожалению, очень незначительны и притом противоречивы; они основаны по преимуществу на отдельных, далеко не полных и не всегда безупречных опытах. Между тем актуальность изучения этой проблемы неоспорима. Иногда вопросы этиологии и патогенеза в патологии и терапии кост-J ной ткани, нам кажется, могли бы найти свое объяснение в разрешении этой проблемы.
Наблюдениями некоторых авторов установлено, что костные полости своими отростками (канальцами), проникающими сквозь костные пластинки, соединяются с периваскулярными лимфатическими пространствами гаверсовых каналов, которые в свою очередь переходят в периостальные лимфатические сети.
Баум (1912) инъицировал контрастную жидкость уколом в толщу | кости отводящих лимфатических сосудов костей крупных домашних животных и установил две группы отводящих лимфатических сосудов костей: 1) входящие в места с кровеносными сосудами из питательных отверстий, преимущественно трубчатых костей, и 2) происходящие из субпериостальной лимфатической сети.
Г. М. Иосифов (1927) уколом в надкостницу большеберцовой кости инъицировал массу Герота в отводящие лимфатические сосуды, идущие к глубокому коллатеральному лимфатическому стволу, сопровождающему малоберцовую артерию. Через укол в надкостницу наружной лодыжки он инъицировал указанную массу в лимфатические сосуды, впадающие в поверхностные лимфатические коллекторы конечности.
[В. П. Гуков (1937) инъицировал суспензии туши в костный мозг бедра живой собаке и констатиров"ал распространение этой туши по гаверсовым каналам , а также поглощение ее костными клетками и их отростками, заполняющими костные канальцы.
|Д. А. Жданов (1940) инъицировал контрастную жидкость в надкостничные лимфатические сосуды большеберцовой кости и наблюдал, что начальная надкостничная лимфатическая сеть открывается с большим трудом только у краев инъекционного пятна. Яснее наполняются сосуды в верхних слоях надкостницы на медиальной и латеральной поверхностях кости. По его данным, лимфатические сосуды идут в трех направлениях: одни у переднего гребня и медиального края кости переходят, прободая фасцию, в медиальную группу подкожных коллекторов голени; другие направляются, пересекая латеральную поверхность кости, к передней большеберцовой артерии и вступают в сопровождающий ее путь глубоких лимфатических коллекторов; третьи у медиального края кости уходят под фасцию и идут к задней большеберцовой артерии и с нею в направлении к подколенной ямке.
Из приведенного литературного обзора видно, что в вопросе периваскуляризации лимфатических пространств компактной кости.
Нет противоречивых мнений. Однако остались невыясненными взаимоотношения периваскулярных пространств с настоящими оформленными лимфатическими сосудами. Некоторые авторы отрицают существование в костных полостях щелевидных пространств вокруг остеоцитов, а также сомнительно и наличие соковых щелей вокруг островков костных клеток в канальцах, пронизывающих костные пластинки. Нет ясности в анатомии отводящих лимфатических сосудов костей у животных вообще и у лошади в частности. Не решен вопрос о наличии или отсутствии лимфатических сосудов в костному мозгу.
Совершенно не выяснена роль и значение костной лимфатической системы при патологии и терапии костной ткани. Все эти вопросы требуют своего ближайшего разрешения путем проведения экспериментальных и клинических исследований.
Кости занимают строго определенное место в организме человека. Как и любой орган, кость представлена разными видами тканей, основное место среди которых занимает костная ткань, являющаяся разновидностью соединительной ткани.
Кость (os) имеет сложное строение и химический состав. В живом организме в составе кости взрослого человека присутствует до 50 % воды, 28,15 % органических и 21,85 % неорганических веществ. Неорганические вещества представлены соединениями кальция, фосфора, магния и других элементов. Мацерированная кость на 1/3 состоит из органических веществ, получивших название «оссеин», на 2/3 - из неорганических веществ.
Прочность кости обеспечивается физико-химическим единством неорганических и органических веществ и особенностями ее конструкции. Преобладание органических веществ обеспечивает значительную упругость, эластичность кости. При увеличении доли неорганических соединений (в старческом возрасте, при некоторых заболеваниях) кость становится ломкой, хрупкой. Соотношение неорганических веществ в составе кости у разных людей неодинаково. Даже у одного и того же человека оно изменяется на протяжении жизни, зависит от особенностей питания, профессиональной деятельности, наследственности, экологических условий и др.
Большинство костей взрослого человека состоит из пластинчатой костной ткани. Из нее образовано компактное и губчатое вещество, распределение которых зависит от функциональных нагрузок на кость.
Компактное вещество (substantia compacta) кости образует диафизы трубчатых костей, в виде тонкой пластины покрывает снаружи их эпифизы, а также губчатые и плоские кости, построенные из губчатого вещества. Компактное вещество кости пронизано тонкими каналами, в которых проходят кровеносные сосуды, нервные волокна. Одни каналы располагаются преимущественно параллельно поверхности кости (центральные, или гаверсовы, каналы), другие открываются на поверхности кости питательными отверстиями (foramina nutricia), через которые в толщу кости проникают артерии и нервы, а выходят вены.
Стенки центральных (гаверсовых) каналов (canales centrales) образованы концентрическими пластинками толщиной 4-15 мкм, как бы вставленными друг в друга. Вокруг одного канала от 4 до 20 таких костных пластинок. Центральный канал вместе с окружающими его пластинками называют остеоном (гаверсова система) . Остеон является структурно-функциональной единицей компактного вещества кости. Пространства между остеонами заполнены вставочными пластинками. Наружный слой компактного вещества сформирован наружными окружающими пластинками, являющимися продуктом костеобразующей функции надкостницы. Внутренний слой, ограничивающий костно-мозговую полость, представлен внутренними окружающими пластинками, образующимися из остеогенных клеток эндоста.
Губчатое (трабекулярное) вещество кости (substantia spongiosa) напоминает губку, построенную из костных пластинок (балок) с ячейками между ними. Расположение и размеры костных балок определяются нагрузками, которые испытывает кость в виде растяжения и сжатия. Линии, соответствующие ориентации костных балок, называют кривыми сжатия и растяжения. Расположение костных балок под углом друг к другу способствует равномерной передаче на кость давления (мышечной тяги). Такая конструкция придает кости прочность при наименьшей затрате костного вещества.
Вся кость, кроме ее суставных поверхностей, покрыта соединительнотканной оболочкой - надкостницей. Надкостница (periosteum) прочно срастается с костью за счет соединительнотканных прободающих (шарпеевых) волокон, проникающих в глубь кости. У надкостницы выделяют два слоя. Наружный фиброзный слой образован коллагеновыми волокнами, придающими особую прочность надкостнице. В нем проходят кровеносные сосуды и нервы. Внутренний слой - ростковый, камбиальный. Он прилежит непосредственно к наружной поверхности кости, содержит остеогенные клетки, за счет которых кость растет в толщину и регенерирует после повреждения. Таким образом, надкостница выполняет не только защитную и трофическую, но и костеобразующую функции.
Изнутри, со стороны костно-мозговых полостей, кость покрыта эндостом. Эндост (endost) в виде тонкой пластинки плотно прилежит к внутренней поверхности кости и также выполняет остеогенную функцию.
Кости отличаются значительной пластичностью. Они легко перестраиваются под действием тренировок, физических нагрузок, что проявляется в увеличении или уменьшении количества остеонов, изменении толщины костных пластинок компактного и губчатого веществ. Для оптимального развития кости предпочтительны умеренные регулярные физические нагрузки. Сидячий образ жизни, малые нагрузки способствуют ослаблению и истончению кости. Кость приобретает крупноячеистое строение и даже частично рассасывается (резорбция кости, остеопороз). Профессия также оказывает влияние на особенность строения кости. Существенную роль, помимо внешнесредовых, играют также наследственно-половые факторы.
Пластичность костной ткани, ее активная перестройка обусловлены образованием новых костных клеток, межклеточного вещества на фоне разрушения (резорбции) имеющейся костной ткани. Резорбция обеспечивается деятельностью остеокластов. На месте разрушающейся кости формируются новые костные балки, новые остеоны.
Костная ткань отличается рядом весьма своеобразных качеств, резко выделяющих ее среди всех других тканей и систем человеческого организма и ставящих ее на обособленное место. Основной и главной особенностью костной ткани является ее богатство минеральными солями.
Если принять вес тела взрослого человека в среднем за 70 кг, то костный скелет весит 7 кг, а вместе с костным мозгом - 10 кг (мышцы - „мясо” - весят 30 кг). Сами кости по весу состоят из 25% воды, 30% органического вещества и 45% минералов. Содержание воды и, стало быть, относительное содержание и других ингредиентов колеблется. Количество воды сравнительно очень велико в эмбриональной жизни, оно убывает в детском возрасте и постепенно уменьшается по мере роста и развития ребенка, отрока и зрелого человека, достигая в старости наименьшего отношения к общему весу. Кости с возрастом можно сказать буквально высушиваются.
Органический состав костей формируется главным образом из белков - протеинов, преимущественно оссеина, но в сложную органическую часть костной ткани входят и некоторые альбумины, мукоидные и другие вещества весьма непростого химического строения.
Каков же больше всего нас интересующий минеральный состав костного вещества? 85% солей составляет фосфорнокислая известь, 10,5% углекислый кальций, 1,5% фосфорнокислая магнезия, а остальные 3% - это натрий, калий, примеси хлора и некоторых редких для человеческого организма элементов. Фосфорнокислый кальций, стало быть составляющий 19/20 содержимого всего солевого костного вещества, образует 58% общего веса костей.
Фосфорнокислые соли имеют кристаллическое строение, и кристаллы располагаются в кости правильно, закономерно. Весьма тщательное изучение минерального остова костного вещества, произведенное в 30-х годах при помощи наиболее совершенных методов, в первую очередь путем рентгенологического структурного анализа, показало, что неорганическое костное вещество человека имеет строение фосфатита-апатита, а именно гидроксил-апатита. При этом интересно, что апатит в костях (и в зубах) человека близок или даже подобен естественному минеральному апатиту в мертвой природе. На это тождество апатита человеческого костного и горнорудного происхождения указывает также их сравнительное исследование в поляризационном свете. Человеческий костный апатит отличается еще содержанием незначительного количества галоида хлора или фтора. Некоторые специалисты по структурному анализу стоят на той точке зрения, что в человеческих костях апатит еще связан с другими химическими соединениями, т.е. что кристаллы неорганической костной субстанции - это смесь двух неорганических химических веществ, одна из которых близка к апатиту. Считают, что наиболее правильно физико-химическая структура костного апатита расшифрована венгерским ученым Сент Нарай-Сабо (St. Naray-Szabo). Наиболее вероятна такая формула строения неорганического состава кости: ЗСА 3 (РO 4) 2 . СаХ 2 , где X - это или Cl, F, ОН, V2O, 1 / 2 SO 4 , 1 / 2 СO 3 и т. д. Есть также указания, что апатит состоит из двух молекул - CaF. Са 4 (РO 4) 3 или СаС1. Са 4 (РO 4) 3 .
Чрезвычайно интересны указания Райнольдса (Reynolds) и др. на то, что при некоторых патологических процессах кости теряют свое нормальное химическое апатитовое строение. Это имеет место, например, при гиперпаратиреоидной остеодистрофии (болезни Реклингхаузена), в то время как при болезни Педжета апатитовая структура кристаллов полностью сохраняется.
Костная ткань - это пусть и весьма древняя по филогенезу, но вместе с тем высоко развитая и исключительно тонко и детально дифференцированная, крайне сложная по всем своим жизненным проявлениям мезенхимальная соединительная ткань.
Изменения в костях при различных патологических процессах бесконечно разнообразны; при каждом отдельном заболевании, в каждой отдельной кости, в каждом отдельном случае патологоанатомическая и патофизиологическая, а следовательно, и рентгенологическая картина имеет свои особенности. Все это громадное разнообразие болезненных явлений сводится, однако, в конечном итоге лишь к некоторым не столь уж многочисленным элементарным качественным и количественным процессам.
Болезнь - это, как известно, не только извращенная арифметическая сумма единичных нормальных явлений, при патологических условиях в целом организме и в отдельных органах и тканях возникают специфические качественные изменения, для которых не существует нормальных прообразов. Глубокий качественный метаморфоз претерпевает и болезненно измененная кость. Надкостница, например, образуя на месте диафизарного перелома мозоль, начинает выполнять новую, в норме ей не свойственную функцию, она вырабатывает хрящевую ткань. Опухоль кости связана с развитием, например, эпителиальных, миксоматозных, гигантоклеточных и других образований, столь же чуждых нормальной кости гистологически, сколь химически для нее необычны отложения холестерина при ксантоматозе или керазина при болезни Гоше. Костный аппарат при рахите или педжетовской перестройке приобретает совершенно новые физические, химические, биологические и прочие качества, для которых в нормальной кости мы не в состоянии подыскать количественные критерии для сравнения.
Но эти качественные свойства, специфические для патологических процессов в костной субстанции, к сожалению, сами по себе не могут быть непосредственно определены рентгенологически, они проявляются на рентгенограммах лишь в виде косвенных, вторичных симптомов. Не в их распознавании и изучении сила рентгенологии. Лишь когда качественно измененная ткань в своей количественной определенности дошла до степени возможного обнаружения, вступает в свои права рентгенологический метод исследования. При помощи безупречных экспериментальных исследований Полина Мек (Mack) доказала, что из различных составных частей костной ткани поглощение рентгеновых лучей происходит на 95% за счет минерального состава (80% лучей задерживается кальцием и 15% - фосфором), и только в пределах до 5% теневое изображение костей обусловлено органическим „мягким” ингредиентом костной ткани. Поэтому в силу самой природы рентгенологического исследования в рентгенодиагностике заболеваний костей и суставов на первый план выступает оценка количественных изменений костной ткани. Нельзя весами измерять расстояние. Рентгенолог при помощи своего исключительно ценного, ’Но все же одностороннего метода в настоящее время еще вынужден ограничиться анализом преимущественно двух основных количественных процессов жизнедеятельности кости, а именно созидания кости и ее разрушения.
В компактной кости: 20% - органический матрикс, 70% - неорганические вещества, 10% - вода. В губчатой кости: более 50% - органические компоненты, 33 – 40% - неорганические соединения, 10% - вода.
Неорганический состав костной ткани . В организме человека ~ 1 кг кальция, 99% его находится в костях и зубах. Большая часть Са в костях постоянно обновляется: за сутки кости скелета теряют и опять получают ~ 700 – 800 мг Са. Неорганические компоненты костной ткани представлены:
кристаллами гидроксиапатита Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 , которые имеют форму пластин или палочек;
аморфным фосфатом Са – Са 3 (РО 4) 2 , который считается лабильным резервом ионов Са и Р.
В раннем возрасте преобладает Са 3 (РО 4) 2 , а в зрелой кости – гидроксиапатит.
Na + , Mg 2+ , K + , Cl - и др.
Органический матрикс костной ткани: ~95% - коллаген типа I. В нем много свободных ε-NH 2 -групп Лиз и оксилизина, а также связанных с остатками Сер фосфатов. Количество протеогликанов в зрелой плотной кости невелико. Среди гликозамингликанов преобладает хондроитин-4-сульфат и меньше содержится хондроитин-6-сульфата, кератансульфата и гиалуроновой кислоты; они участвуют в оссификации. Много цитрата (до90% от общего количества в организме): возможно, цитрат образует комплексные соединения с солями Са и Р и тем самым повышает концентрацию их в ткани до такого уровня, при котором начинается кристаллизация и минерализация.
В течение всей жизни организма продолжается постоянная перестройка костной ткани. Считают, что костная ткань скелета человека почти полностью перестраивается каждые 10 лет. Метаболизм костной ткани, поступление, депонирование и выведение Са и Р регулируются паратирином, кальцитонином, кальцитриолом (1,25(ОН) 2 -Д 3) (повторить!). Паратирин активирует остеокласты, минеральные (в 1-ую очередь Са) и органические компоненты поступают в кровь. Кальцитонин подавляет активность этих клеток, и скорость формирования кости растет. При недостатке витамина Д , участвующего в синтезе Са-СБ, замедляется формирование новых костей и ремоделирование (обновление) костной ткани. Хронический избыток вит.Д ведет к деминерализации костей. Вит.А : при недостаке прекращается рост костей из-за, вероятно, нарушения синтеза хондроитинсульфата; при гипервитаминозе – резорбция кости и переломы. Вит.С нужен для гидроксилирования Про и Лиз; при недостатке: 1) образуется ненормальный коллаген, процессы минерализации нарушаются; 2) нарушается синтез гликозамингликанов: содержание гиалуроновой кислоты в костной ткани повышается в несколько раз, а синтез хондроитинсульфата замедляется.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗУБА.
Твердая часть зуба представлена эмалью, дентином и цементом. Полость зуба выполнена рыхлой соединительной тканью – пульпой.
Эмаль –
самая твердая ткань в организме человека, что обусловлено высоким содержанием в ней неорганических веществ (до 97%). Здоровая эмаль содержит 1,2% органических веществ и до 3,8% воды, которая может быть свободной и связанной (в виде гидратной оболочки кристаллов апатитов).
Минеральную основу составляют кристаллы апатитов:
гидроксиапатит – 75%,
карбонатапатит – 19%,
хлорапатит – 4,4%,
фторапатит – 0,66%,
неапатитные формы – менее 2%.
Общая формула апатитов: А 10 (ВО 4)Х 2 , где
А – Ca, Cr, Ba, Cd, Mg;
B – P, As, Si;
X – F, OH, Cl, CO 3 2- .
Кристаллы разных зубов неодинаковы; кристаллы эмали ~ в 10 раз больше кристаллов дентина и кости. Состав апатитов может меняться. “Идеальный” апатит - Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 , т.е. десятикальциевый, где отношение Са/Р = 1,67. Это отношение может меняться от 1,33 до 2,0, т.к. возможно протекание реакций замещения:
Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 + Mg 2+ → Са 9 Mg(РО 4) 6 (ОН) 2 + Cа 2+
Такое замещение является неблагоприятным, т.к. снижает резистентность эмали. Другое замещение, наоборот, к образованию вещества с большей резистентностью к растворению:
Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 + F - → Са 10 (РО 4) 6 F(ОН) + ОН -
гидроксифторапатит
Однако при воздействии высоких концентраций F на гидроксиапатит реакция идет по-другому:
Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 + 20 F - → 10 СаF 2 + 6 РО 4 3- + 2 ОН -
Образовавшийся фторид Са быстро исчезает с поверхности зубов.
В кристаллической решетке гидроксиапатитов могут быть вакантные места, что повышает способность кристаллов к поверхностным реакциям. Н-р, если десятикальциевый гидроксиапатит имеет общий нейтральный заряд, то восьмикальциевый гидроксиапатит заряжен отрицательно: (Са 8 (РО 4) 6 (ОН) 2) 4- и способен связывать противоионы.
Каждый кристалл гидроксиапатита покрыт гидратной оболочкой (~1 нм). Проникновение различных веществ в кристалл гидроксиапатита идет в 3 стадии:
1 стадия – ионный обмен между раствором, омывающим кристалл, и гидратной оболочкой, в которой в результате могут накапливаться фосфат, карбонат, цитрат, Са, Sr. Некоторые ионы (К + , Cl -) могут легко входить в гидратный слой и покидать его, другие ионы (Na + , F -), наоборот, проходят в кристалл гидроксиапатита. 1-ая стадия – очень быстрый процесс, длится несколько минут, в основе – процесс диффузии;
2 стадия – обмен ионами между гидратной оболочкой и поверхностью кристалла гидроксиапатита. Протекает медленнее (несколько часов). Поверхностно расположенные ионы кристалла отрываются, уходят в гидратную оболочку, на их место встают другие, из гидратного слоя. В поверхность кристалла гидроксиапатита проникают фосфат, Са, F, карбонат, Sr, Na;
3 стадия – внедрение ионов с поверхности вглубь кристалла, т.е. внутрикристаллический обмен. Внутрь кристалла могут проникнуть Са, Sr, фосфат, F. Течет долго, дни – месяцы.
Т.о., кристаллы гидроксиапатита нестабильны, их состав и свойства изменяются в зависимости от раствора, омывающего кристалл. Это используется в практической стоматологии.
Большая часть кристаллов гидроксиапатита в эмали определенным образом ориентирована и упорядочена в виде более сложных образований – эмалевых призм, каждая из которых состоит из тысяч и миллионов кристаллов. Эмалевые призмы собраны в пучки.
Органические вещества эмали представлены белками, пептидами, свободными аминокислотами (Гли, Вал, Про, Опр), жирами, цитратом, углеводами (галактоза, глюкоза, манноза, глюкуроновая кислота, фукоза, ксилоза).
Белки эмали делят на 3 группы:
I – водорастворимые белки; молекулярная масса – 20000, не свзываются с минеральными веществами;
II – кальций-связывающий белок (Са-СБ): молекулярная масса 20000; 1 моль Са-СБ может связывать 8 – 10 ионов Са и образовывать в нейтральной среде нерастворимый комплекс с Са 2+ по типу ди-, три- и тетрамеров массой 40 - 80 тыс. В образовании агрегатов Са-СБ с Са участвуют фосфолипиды. В кислой среде комплекс распадается;
III – белки, не растворимые в ЭДТА и HCl (даже в 1N р-ре). Нерастворимые белки эмали по аминокислотному составу похожи на коллаген, но не идентичны ему: в белке эмали меньше, чем в коллагене, Про и Гли, почти нет Опр, но много связанных с ним углеводов.
Роль белка : 1) окружая апатиты, белок предотвращает контакт кислоты с ними или смягчает ее влияние, т.е. задерживают деминерализацию этого слоя;
2) являются матрицей для минерализации и реминерализации (в механизме биологического обызвествления).
Предложена функционально-молекулярная модель строения эмали , в соответствии с которой молекулы Са-СБ, соединенные между собой кальциевыми мостиками, формируют трехмерную сетку; Са при этом может быть свободным или входить в структуру гидроксиапатита. Эта сетка через Са крепится к остову (каркасу, мягкому скелету эмали), который формируется нерастворимым белком. Функциональные группы Са-СБ, способные связать Са, а это фосфат в составе или фосфосерина или фосфолипидов, связанных с белком; СООН-группы Глу, Асп, аминоцитрата, служат центрами (точками) нуклеации при кристаллизации. Т.о., белки обеспечивают ориентацию в ходе кристаллизации, строгую упорядоченность, равномерность и последовательность формирования эмали. Степень минерализации зависит от саливации, кровоснабжения, пересыщенности Са 2+ и фосфатом, от рН среды и т.д.
Дентин
составляет основную массу зуба. (Коронковая часть зуба покрыта эмалью, корневая – цементом). Состав: до 72% - неорганические вещества (главным образом, фосфат, карбонат, фторид кальция), ~ 28% - органические вещества (коллаген) и вода. Дентин построен из основного вещества и проходящих в нем трубочек, в которых находятся отростки одонтобластов и окончания нервных волокон, проникающих из пульпы. Основное вещество содержит собранные в пучки коллагеновые волокна и склеивающее вещество, в котором имеется большое количество минеральных солей. Процесс образования дентина происходит в течение всего периода функционирования зуба при наличии жизнеспособной пульпы. Дентин, образующийся после прорезывания зуба, называют вторичным. Он характеризуется меньшей степенью минерализации и большим содержанием коллагеновых фибрилл. По дентинным трубочкам может циркулировать дентинная жидкость и поступать питательные вещества. Межканальцевое вещество представлено кристаллами гидроксиапатита, имеет высокую плотность и твердость. В цитоплазме одонтобластов много фибрилл, есть свободные рибосомы, липидные гранулы.
Вестн. Ом. ун-та. 2015. № 4. С. 39-44.
УДК 54.062, 543.544.5.068.7
С.А. Герк, О.А. Голованова
Проведено сравнительное исследование микро- и макроэлементного состава костных тканей человека в «норме» с содержанием элементов в костных образцах, поврежденных вследствие коксартроза, а также в физиогенных (дентин и эмаль зуба) и в патогенных (слюнные, зубные и почечные камни) биоминералах. Показано, что в «норме» костная ткань по минеральному составу наиболее близка к дентину и к зубным камням. Установлено, что в костных тканях человека при коксартрозе изменяется величина атомного соотношения Са/Р и содержание элементов: меди, олова, железа, марганца, стронция и хрома (в ряде случаев). Выявлена взаимосвязь концентрационных рядов микроэлементов Zn > Sr > Fe пораженной костной ткани с рядами для зубных и почечных камней.
Ключевые слова: элементный состав, физиогенная и патогенная минерализация, кости, коксартроз, спектроскопия. * 2
Введение
Костная ткань относится к высокоспециализированным физиогенным биоминералам и представляет собой биохимическую систему с многокомпонентным составом и сложным строением. Благодаря такой структурной организации данный органо-минеральный агрегат (далее - ОМА) обеспечивает нормальное течение обмена веществ (метаболизма) в организме человека в целом. При этом, находясь в постоянном контакте с биологическими жидкостями, костная ткань является местом депонирования макро- и микроэлементов . Известно, что элементы не синтезируются в организме, а поступают с пищевыми продуктами, водой, воздухом и выполняют важную роль при костном ремоделировании . Так, обобщая литературные данные о роли и степени участия микроэлементов в костеобразовании, их можно разделить на пять групп : 1) активаторы костной минерализации - Cu, Mn, F, Si, V;
2) ингибиторы костной минерализации - Sr, Cd, Be, Fe; 3) активаторы костной резорбции - Mg, Zn, Ba; 4) элементы, принимающие участие в синтезе органических веществ - Zn, Be, Cu, Mn, Si; 5) активаторы костных клеток и ферментов - Mg, Zn, Be и их ингибиторы - Mo. Изменение содержания элементов в костной ткани (избыток или недостаток), прежде всего кальция и фосфора, приводит к нарушению метаболических процессов и является причиной различных костно-суставных заболеваний, патологий зубов и патогенного минералообразования - формирования слюнных, зубных, почечных и других камней . Однако, несмотря на значительное количество работ, в которых описана роль макро- и микроэлементов в физиологических процессах, до сих пор остаются дискуссионными данные по элементному составу костных тканей, в том числе в условиях развития патологии.
Актуальность данной проблемы возрастает и в связи с сохраняющейся сложной экологической обстановкой природных объектов (источников поступления элементов в организм человека) промышленных городов-мегаполисов, а именно: чрезмерным выбросом в атмосферу промышленных отходов, усиленной эксплуатацией почв, нерациональным использованием природных ресурсов и загрязнением водных источников. Так, на сегодняшний день вода многих рек России стала практически не пригодной для питья из-за превышающего ПДК содержания органических веществ синтетического происхождения (СПАВ, ПАУ, диоксины), нефти, нефтепродуктов и солей тяжелых металлов .
Цель работы: изучить особенности элементного состава костной ткани человека в «норме» по сравнению с патогенными ОМА и при костных заболеваниях (на примере коксартроза).
* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке совета по грантам Президента Российской Федерации, проект № СП-933.2015.4, Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 15-29-04839 офи_м).
© С.А. Герк, О.А. Голованова, 2015
С.А. Герк, О.А. Голованова
Объекты и методы исследования
Работа является продолжением исследования коллекции головок бедренных костей мужчин и женщин Омского региона в возрасте от 30 до 79 лет, удаленных вследствие коксартроза. В качестве контрольных проб костной ткани использованы непораженные образцы, которые извлекались в соответствии с Приказом Министерства здравоохранения СССР от 21 июля 1978 г. № 694 «Об утверждении инструкции о производстве судебно-медицинской экспертизы, положения о бюро судебно-медицинской экспертизы и других нормативных актов по судебно-медицинской экспертизе» (п. 2.24), федеральными законами от 12 января 1996 г. № 8-ФЗ «О погребении и похоронном деле» (п. 3) и от 31 мая 2001 г. № 73-ФЗ «О государственной судебно-экспертной деятельности в Российской Федерации» (п. 14, 16). Для изучения динамики заболевания из бедренных головок получали по три горизонтальных среза: верхний, средний и нижний (порядок чередования приведен в направлении гиалиновый хрящ - бедренная кость), которые в дальнейшем анализировали в виде сухих порошкообразных проб. Усредненный состав разных пораженных пластинок сравнивали между собой и с контрольными образцами.
мощью следующих спектральных методов анализа: ионов кальция - метод атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС) на спектрометре AAS 1N по ГОСТ 26570-95 ; общий фосфор - спектрофотометрический метод на автоматизированной линии «Contiflo» (ГОСТ 26657-97) ; остальные элементы -метод масс-спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) на спектрофотометре ELAN 9000. Концентрации ионов элементов рассчитывали по градуировочным кривым с использованием стандартных растворов. Пределы обнаружения элементов методами спектрофотомерии и ААС составляли 10-6 масс. %, для ИСП-МС - 10-9 -10--13 масс. %.
Статистическую обработку полученных данных проводили методом Стьюдента для доверительной вероятности Р = 0,95, исходя из предположения об их распределении по нормальному закону (программный пакет Statistic Soft 2006).
Результаты и их обсуждение
Анализ литературных источников показал, что данные по количественному содержанию элементов в костной ткани достаточно противоречивы , что обусловлено спецификой состава разных костей, их типом (табл. 1), возрастными особенностями человека (табл. 2), условиями среды проживания (климат, техногенное воздействие), характером питания и т. д.
Таблица 1
Исследуемая кость Mn Al Си Ti V
Малоберцовая 0,173 ± 0,030 0,113 ± 0,017 0,086 ± 0,030 0,062 ± 0,006 0,006 ± 0,004
Большеберцовая 0,184 ± 0,024 0,106 ± 0,024 0,084 ± 0,022 0,063 ± 0,006 0,006 ± 0,0007
Бедренная 0,220 ± 0,048 0,117 ± 0,034 0,040 ± 0,012 0,078 ± 0,010 0,006 ± 0,001
В среднем 0,192 ± 0,031 0,112 ± 0,016 0,070 ± 0,020 0,068 ± 0,008 0,006 ± 0,001
Таблица 2
Микроэлементы Возраст костной ткани
эмбрионы от 16-17 до 21 недели от одного дня до 19 лет от 20 до 40 лет от 50 до 83 лет
Fe 215,8 146,2 132,8 119,3
Si 23,8 25,3 22,4 16,4
Al 5,96 6,45 7,42 8,09
Pb 4,48 3,03 7,09 1,04
Cu 2,86 1,64 1,42 1,24
Sr 1,27 2,73 1,48 6,78
Ti 1,01 1,13 1,02 1,25
Mn 0,99 1,08 1,17 1,24
Сравнительное исследование литературных и экспериментальных данных позволило установить, что основными макроэлементами кости, содержание которых составляет больше 10-3 % от массы тела, выступают кальций, фосфор, натрий, калий, магний; к элементам с массовым составом от 10-3 до 10-6 % относятся цинк, марганец, медь, никель и другие (табл. 3 и 4). Видно, что физиогенные ОМА (кости, зубы) по макроэлементному составу значительно отличаются от патогенных конкрементов фосфатного типа, встречающихся наиболее часто в
организме человека (зубные, слюнные и почечные камни). Интервал варьирования элементов в костной и зубной ткани более узкий, очевидно, вследствие закономерного характера формирования физиогенных биоминералов и меньшего влияния эндогенных факторов на данный процесс. Условно можно отметить, что костная ткань по минеральному составу (Са, Р, Na, К, Mg) наиболее близка к физиогенному ОМА - дентину и к патогенным биоминералам -зубным камням, что может указывать на сходство составов минералообразующих сред и/или механизмов их образования .
Элементный состав костной ткани человека в норме и при патологии
Таблица 3
Макроэлементный состав физиогенных (костной ткани, эмали и дентина зуба) и патогенных (зубных, слюнных, почечных камней) ОМА фосфатного типа, масс. %
Компонент Костная ткань Эмаль Дентин Зубные камни 9; 25] Слюнные камни Почечные камни г
«норма» при коксартрозе
Ca/P 1,37 1,77 - 0,89 ± 0,04 1,81 ± 0,01 1,63 1,6-1,69 1,61 1,64-1,65 1,49-2,04 1,49-1,79 - 1,67
Na 0,70 0,90 0,50 0,44 ± 0,02 0,46 ± 0,14 0,50-0,90 0,25-0,90 0,60 0,7 0,37-0,88 0,28-0,95 0,1-2,43 -
Mg 0,55 0,72 0,30 0,19 ± 0,007 0,22 ± 0,01 0,07-0,44 0,25-0,56 1,23 0,8-1,0 0,32-0,50 0,20-0,24 1,5-84,58 -
K 0,03 0,03 0,20 0,058 ± 0,013 0,028 ± 0,013 0,001-0,008 0,05-0,30 0,05 0,02-0,04 0,11-0,13 0,03-0,12 0,07-4,05 -
Примечание: «-» - данные отсутствуют.
Таблица 4
Элементный состав физиогенных (костной ткани, эмали, дентина зуба) и патогенных (зубных, слюнных, почечных камней) ОМА фосфатного типа, -10-4 масс. %
Элемент Костная ткань Эмаль Дентин Зубные камни Слюнные камни Почечные камни
1; . Возможно, доминирующей заменой ионов в структуре костного апатита в данном случае является анионное замещение фосфатных тетраэдров, что является одной из причин снижения окристалли-зованности гидроксилапатита костных тканей .
Как и в случае макроэлементного состава, содержание микроэлементов в костной ткани значительно отличается от патогенных ОМА (табл. 4). В состав патогенных биоминералов входит наибольшее число микроэлементов, что в очередной раз подтвер-
ждает спонтанный и физиологически неконтролируемый механизм их образования. Все элементы в патогенных конкрементах содержатся в меньшем количестве, чем в костях. В отличие от других физиогенных минералов, костная ткань по содержанию Pb, Si, Zn, Sr, Ag уступает только эмали. При этом в ней содержится больше меди (в 13 раз) и бария (в 5 раз). По сравнению с дентином данный биоминерал наиболее богат практически всеми микроэлементами, за исключением цинка и серебра.
Ряды ранжирования микроэлементов, содержание которых составляет 0,0050,2 масс. %, по увеличению их концентраций выглядят следующим образом (табл. 4) : для костной ткани - Fe > > Cu > Ba > Pb > Si > Zn > Sr > Ni > Al > Mn; зубных камней - Zn > Sr > Fe > Ti > Cr; для слюнных камней - Ti > V > Cr > Fe > I; для почечных камней - Sr > Zn > Fe. Видно, что по сравнению с костной тканью в патогенных биоминералах число элементов в ряду, содержание которых в ОМА не менее 0,005 масс. %, уменьшается в 2 раза (для слюнных и зубных камней) и в 3 раза (для почечных камней). Остальные элементы в патогенных агрегатах представлены в меньшем количестве, чем в кости. Во всех рядах присутствует железо, в почечных и зубных образованиях в больших количествах содержится также Sr и Zn, а в слюнных и почечных появляются новые элементы Cr и Ti. Приведенные данные указывают на разную степень участия элементов в патогенной и физиогенной минерализации. Первостепенная роль в минерализации разного характера принадлежит железу, стронцию и цинку. В патогенных ОМА принимают участие микроэлементы, такие как Cr и Ti.
Головки бедренных костей исследуемой нами коллекции, в отличие от литературных данных, содержат микроэлементы в малых количествах (табл. 4). Так, концентрационные ряды элементов, содержание которых превышает 0,005 масс. %, состоят из двух и трех элементов: в «норме» - Zn > Sr и при коксартрозе - Zn > Sr > Fe. Такая последовательность элементов при повреждении костной ткани коррелирует с рядами для зубных и почечных камней, что может указывать на патологическое течение процесса минерализации костной ткани при коксартрозе.
Выявлено, что в пораженных верхних срезах костных тканей лиц первой и второй возрастных групп (30-49 и 50-59 лет) по сравнению с контрольными пробами повышено содержание ионов меди в 3 раза, олова в 4 раза, железа в 11 раз, марганца в 17 раз и хрома (в ряде образцов) в 18 раз (рис. 2). Также в отличие от «нормы» в поврежденных пробах можно отметить незначительное уменьшение количества ионов стронция.
Элементный состав костной ткани человека в норме и при патологии
Следовательно, полученные результаты свидетельствуют о нарушении процессов костного ремоделирования при коксартрозе. С одной стороны, возрастает содержание элементов, оказывающих активирующее действие на костную минерализацию (Cu и Mn), с другой, изменяется количество микроэлементов, ускоряющих скорость костной резорбции (Fe и Sn). Завышенные концентрации токсичного элемента хрома в ряде образцов также указывают на разрушающий (дегенеративный) характер метаболизма при данном заболевании. Роль олова в костном обмене в настоящее время не изучена.
В образцах костных тканей лиц третьей и четвертой категорий (60-69 и 70-79 лет) определенных закономерностей по изменению содержания микроэлементов при патологии установить не удалось, что может быть связано с процессами старения костной ткани и наличием сопутствующих заболеваний в данном возрастном интервале.
Таким образом, в работе установлено, что при заболеваниях, обусловленных нарушением Са/Р обмена веществ, таких как коксартроз, в костных тканях человека изменяется содержание следующих элементов: меди, олова, железа, марганца, стронция и хрома (в ряде случаев). При данном повреждении выявлено увеличение значения Са/Р-коэффициента, в основном за счет уменьшения содержания общего фосфора.
В состав костной ткани, в отличие от патогенных ОМА, входит меньшее количество микроэлементов, содержание которых зависит от степени минерализации костного об-
разца. Выявлена взаимосвязь концентрационных рядов микроэлементов Zn > Sr > Fe пораженной костной ткани с рядами для зубных и почечных камней, что может указывать на патологическое течение костной минерализации.
Показано, что в условиях физиологической «нормы» костная ткань по минеральному составу наиболее близка к физиогенному ОМА - дентину и к патогенным биоминералам - зубным камням.
Полученные данные могут быть использованы при изучении процессов костной минерализации в модельных условиях с целью разработки эффективных лечебных и профилактических методов восстановления костных тканей при костно-суставных заболеваниях.
ЛИТЕРАТУРА
Авицын А. П., Жаворонков А. А., Риш М. А., Строчкова Л. С. Микроэлементы человека. М., 1991. 496 с.
Зацепин С.Т. Костная патология взрослых. М., 2001. 640 с.
Лунева С. Н. Биохимические изменения в тканях суставов при дегенеративно-дистрофических заболеваниях и способы биологической коррекции: дис. ... д-ра биол. наук. Тюмень, 2003. 297 с.
Ерохин А. Н., Исаков Б. Д., Накоскин А. Н. Особенности микроэлементного состава костной ткани при чрескостном дистракционном остеосинтезе методом Илизарова в условиях высокогорья (экспериментальное исследование) // Саратовский научно-медицинский журнал.
2014. № 10 (1). С. 119-123.
Новиков М. И. Динамика накопления биогенных макро- и микроэлементов в костной ткани собак в постнатальном онтогенезе и в условиях чрескостного дистракционного остеосинтеза: дис. ... канд. биол. наук. Н. Новгород, 2008. 137 с.
Лемешева С. А. Химический состав, свойства костного апатита и его аналогов: дис. ... канд. хим. наук. М., 2010. 177 с.
Прохончуков А. А., Жижина Н. А., Тигранян Р. А. Гомеостаз костной ткани в норме и при экстремальных условиях. М., 1984. 200 с.
Голованова О. А., Борбат В. Ф. Почечные камни. М., 2005. 171 с.
Голованова О. А. Биоминералогия мочевых, желчных, зубных и слюнных камней из организма человека: дис. ... д-ра геол.-минерал. наук. Томск, 2009. 240 с.
Александрова Т. В., Нахаева В. И. Генотоксический анализ водных проб естественного источника питьевой воды из реки Омь на генные и хромосомные мутации // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. URL: http://www.science-education.ru/120-15369.
ГОСТ 26570-95. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения кальция. М., 2000.
ГОСТ 26657-97. Корма, комбикорма, комбикормовое сырьё. Метод определения содержания фосфора. М., 2000.
С.А. Герк, О.А. Голованова
Накоскин А. Н. Возрастные изменения и половые различия биохимического состава костной ткани человека: дис. ... канд. биол. наук. Курган, 2004. 111 с.
Lundager Madsen H. E., Abbona F., Barrese E. Effects of cadmium on crystallization of calcium phosphates // Crystal Research and Crystal Technology. 2004. Vol. 39. № 3. P. 235-239.
Войнар А. О. Значение микроэлементов в организме человека и животных. М., 1955. 24 с.
Энока P. M. Основы кинезиологии: пер. с англ. Киев: Олимпийская литература, 1998. 399 с.
Гилинская Л. Г., Занин Ю. Н., Назьмов В. П. Типоморфизм парамагнитных радикалов CO2-, CO3- и CO33- в природных карбонатапатитах // Геология и геофизика. 2002. T. 43. № 3. С. 297303.
Матвеева Е. Л. Биохимические изменения в синовиальной жидкости при развитии дегенеративно-дистрофических процессов в коленном суставе: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. Тюмень, 2007. 24 с.
Вербова А. Ф. Состояние костной ткани и кальций-фосфорного обмена у рабочих фосфорного производства // Казанский медицинский журнал. 2002. Т. 83. № 2. С. 148-150.
Ньюман У, Ньюман М. Минеральный обмен кости / пер. с англ. О. Я. Терещенко, Л. Т. Туточ-киной; под ред. Н. Н. Демина. М., 1961.270 с.
Legeros R. Z. Calcium phosphates in oral biology and medicine. Karger, 1991. 221 p.
Корж А. А, Белоус А. М., Панов Е. Я. Репаративная регенерация кости. М., 1972. 215 с.
Пилат Т. Л. Зубной камень и его влияние на ткани пародонта // Стоматология. 1984. № 3. С. 88-90.
Ткаленко А. Ф. Влияние физико-химических характеристик слюны, слюнных и зубных отложений на исход лечения больных слюннокаменной болезнью: автореф. дис. . канд. мед. наук. М., 2004. 26 с.
Киселева Д. В. Особенности состава, структуры и свойств ряда фосфатных и карбонатных биоминералообразований: дис. ... геол.-минерал. наук. Екатеринбург, 2007. 197 с.
LeGeros R. Z. Formation and transformation of calcium phosphates: relevance to vascular calcification // Zeitschrift fur Kardiologie. 2001. Supplement Band 90. Р. 116-124.
Смолеговский А. М. История кристаллохимии фосфатов. М., 1986. 263 с.
Баринов С. М., Комлев В. С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М., 2005. 204 с.
Christoffersen M. R., Seierby N., Zunic T. B., Chris-toffersen J. Kinetics of dissolution of triclinic calcium pyrophosphate dehydrate crystals // Journal of Crystal Growth. 1999. Vol. 203. Р. 234-243.
