На главную Написать письмо редактору сайта Поиск по сайту
 
 
информационный стоматологический сайт
 
Главная
Новости
Новинки
Статьи
 Ортопедическая
 Терапевтическая
 Зуботехническая
 Имплантология
 Менеджмент
Фотогалерея
Форумы
Конкурс
База
Гостевая
Статистика
Вакансии
Резюме
Запись на прием
СтоматТоп
Справочник
Юмор
Рекламодателям
Поиск по сайту
Контакты
Эксперимент
ДентаВики
Каталог книг
Меценатам
Карта



Новая возможность
- чтобы быть в курсе последних обновлений, Вы можете подписаться на новости нашего сайта.
Подписаться:
E-mail:
 


Рейтинг@Mail.ru





Моделирование и ремоделирование в костной ткани.

Автор: Ronald Ruimerman.

Перевод:

Костюкова В.В. - врач-стоматолог


Уханов М.М.- врач-стоматолог, мнс ЦНИИС.
E-mail: uhanov1@yandex.ru

Глава 1

Введение

Костная ткань, формирующая скелет, является поразительным материалом. Микроскопически различают два разных типа. Первый – кортикальная или компактная кость, которая является очень плотной, несмотря на то, что она пронизана кровеносными сосудами, проходящими через сеть канальцев. В основном, она образует тело длинных костей. Второй тип – трабекулярная или губчатая кость. Она пористая и в основном обнаруживается вблизи суставных поверхностей, на конце длинных костей и внутри позвонков. Она имеет сложную трехмерную структуру, состоящую из распорок и пластинок (рис. 1).

Рис. 1. Продольный разрез проксимальной части бедренной кости демонстрирует трабекулярную кость, покрытую кортикальной.

Уже в 1892 году Вольф обнаружил, что ориентация трабекул совпадает с направлением траектории давления. Он предположил, что костная нагрузка, тем или иным образом, ощущается, и кость соответственно адаптирует свою структуру. Этот принцип функциональной адаптации известен как «Закон Вольфа» (Wolff, 1892). Такой феномен наблюдается при отсутствии нагрузки: например, во время покоя, космическом полете и долгом пребывании на постельном режиме, когда кость уменьшается (Bauman et al., 1999; Vico et al., 2000; Zerwekh et al., 1998), и при перегрузке, которая вызывает увеличение костной массы (Suominen, 1993). Это также встречается во время роста, когда утонченная трабекулярная кость в детстве меняется на морфологически грубую в зрелости (Tanck et al., 2000), после заживления перелома (Wolff, 1892), и в связи с установкой имплантанта (Guldberg et al., 1997). Способность кости адаптироваться к механическим нагрузкам реализуется путем постоянной костной резорбции и образования кости. Если эти процессы происходят в различных участках, то изменяется морфология кости. Фрост назвал это моделированием костной ткани (Frost, 1990a). В гомеостатическом равновесии резорбция и образование сбалансированы. В этом случае, старая кость непрерывно замещается новой тканью. Это гарантирует, что механическая целостность кости сохранится, не вызывая глобальных изменений в морфологии. Фрост дал этому определение - как ремоделирование костной ткани (Frost, 1990b).

Остеопороз – это состояние уменьшения массы кости и повышения ее хрупкости. Патология остеопороза недостаточно понятна, но он явно вызван нарушенными процессами моделирования и ремоделирования. Остеопороз может выражаться переломами кости от минимальной травмы. Они особенно часто происходят в области бедра, нижнего отдела предплечья и в телах позвонков, где находится трабекулярная кость. Сразу после наступления менопаузы женщины переносят выраженную фазу ускоренной потери костной ткани, что делает их более подверженными остеопорозу, чем мужчин. Более 30 % женщин старше 50 лет проживающих в западной части мира имеют остеопороз (Melton et al., 2001). Риск возникновения переломов у женщин 50 лет и старше составляет 40%, а у мужчин – 13% (Melton et al., 1992). В этом возрасте перелом кости может стать катастрофическим событием. Уровень летальности за год от переломов бедра составляет 25%, а вероятность восстановления прежнего уровня функционирования после перелома бедра у пожилых пациентов менее, чем 30 % (Magaziner et al., 1989; Chrischilles et al., 1991; Cooper et al.,1993). Можно ожидать, что с увеличением среднего возраста жизни остеопороз станет существенной проблемой для общества.

Правильное понимание морфологической дегенерации в процессе остеопороза требует знания процессов (ре) моделировния. Эти процессы выполняются специализированными клетками: резорбирующими кость – остеокластами, и клетками, образующими костную ткань – остеобластами. Деятельность этих клеток довольно подробно описана и рассмотрена в следующей главе. Однако механизм, который контролирует их деятельность, в значительной мере не известен.

Костное (ре) моделирование остеокластами и остеобластами.

Процессы моделирования и ремоделирования мало отличаются друг от друга на клеточном уровне. Они основаны на отдельных действиях клеток, резорбирующих кость – остеокластов, и клеток, образующих костную ткань – остеобластов. Процесс ремоделирования начинается на неактивной поверхности кости и связан с появлением остеокластов. Это многоядерные клетки, образованные путем слияния одноклеточных предшественников из кроветворных органов (Vaananen & Horton,1995). Остеокласты присоединяются к матриксу костной ткани и формируют гофрированную границу на поверхности раздела кость/остеокласт, которая полностью окружена «герметизированной» зоной. Таким образом, остеокласт создает изолированную микросреду. Впоследствии, остеокласт окисляет микросреду и растворяет органический и неорганический матрикс кости (Vaananen et al, 2000). Сразу после остановки процесса резорбции, на том же месте появляются остеобласты. Остеобласты берут свое начало из мезенхимальных стволовых клеток, находящихся в костном мозге, периосте и мягких тканях. Они откладывают остеоид и минерализуют его, таким образом, действительно образуя костную ткань. Некоторые из остеобластов инкапсулируются в остеоидный матрикс и дифференцируются в остеоциты. Оставшиеся остеобласты продолжают синтезировать костную ткань, пока они, в конце концов, не остановятся и трансформируются в неактивные выстилающие клетки, которые полностью покрывают поверхность вновь образованной костной ткани. Эти выстилающие клетки тесно связаны с остеоцитами матрикса кости с помощью сети канальцев (Lian & Stein, 2001).

Получается, что остеокласты и остеобласты работают совместно в процессе ремоделирования, что называется «Основной мультиклеточной единицей» (“Basic Multicellular Unit”), или BMU. Это означает, что между процессами формирования и резорбции должен существовать взаимосвязанный механизм (Frost, 1964). Природа этого взаимосвязанного механизма, тем не менее, не известна. Организация BMU в кортикальной и трабекулярной костной ткани различна, но эти различия в большей степени морфологического характера, а не биологического. В кортикальной кости BMU образует цилиндрическую трубку примерно 2000 мкм в длину и 150-200 мкм в ширину. Трубка постепенно зарывается в кость со скоростью 20-40 мкм в день. На верхушке, около 10 остеокластов роют циркулярный туннель (режущий конус) в главном направлении приложения усилия (Petrtyl et al., 1996). За ними следуют несколько тысяч остеобластов, которые заполняют туннель (замыкающий конус), для того чтобы создать (вторичный) остеон обновленной костной ткани (Parfitt, 1994). Таким образом, около 2% - 5 % кортикальной кости ремоделируется каждый год. Процесс ремоделирования в трабекулярной кости преимущественно поверхностный. Вследствие, превалирования площади над объемом, ремоделирование здесь происходит намного активнее, чем в кортикальной костной ткани, примерно до 10 раз активнее (Lee & Einhorn, 2001). Опять же остеокласты вовлекаются в этот процесс первыми. Они проникают через трабекулярную поверхность со скоростью примерно 25 мкм в день, прорывая траншею, больше чем туннель, с глубиной 40-60 мкм. Как и в кортикальной костной ткани за остеокластами следуют остеобласты, образуюшие кость. Активные ремоделируемые участки покрывают площади различных размеров: от таких маленьких как 50?20 мкм до 1000?1000 мкм (Mosekilde, 1990). Трабекулярная BMU может рассматриваться как половина кортикальной. В результе, сформированная структура называется трабекулярный остеон или геми-остеон (Frost, 1986; Eriksen and Kassem, 1992).

Клеточная деятельность остеокластов и остеобластов в моделировании в основном такая же, как и в ремоделировании. Тем не менее, в этом случае образование и резорбция несбалансированны, что служит причиной изменений в микроархитектуре. Может даже происходить и такое, что деятельность остеокластов и остеобластов полностью разобщена. Действительно, полное отсутствие нагрузки может вызвать резорбцию, не сопровождающуюся последующим образованием кости (Mosekilde, 1990). Также образование костной ткани не обязательно следует за резорбцией: такой вывод можно сделать из наблюдения за тем, как выстилающие клетки на поверхности кости могут трансформироваться обратно, в образующие кость остеобласты (Dobnig and Turner, 1995; Chow et al., 1998).

Как механические силы отражаются на активности остеокластов и остеобластов?

Это очевидно, что механические силы оказывают значительное влияние на процессы моделирования и ремоделирования кости, как в кортикальной, так и в трабекулярной костной ткани, т.к. их воздействия на костную морфологию заметны (Wolff, 1892). Пути влияния механических усилий на активность остеокластов и остеобластов в настоящее время являются одной из наиболее нерешенных тем в механобиологии кости. Современная концепция заключается в том, что архитектура кости контролируется локальным регуляторным механизмом. Эта идея зародилась у Roux (1881), который предположил, что костное ремоделирование является самоорганизующимся процессом. Frost использовал эти концепции в своей «механостатической» теории (Frost, 1964, 1987). Предполагается, что локальные нагрузки регулируют костную массу. Если уровни напряжения превышают так называемый механический «порог», то в таком случае образуется новая костная ткань. А если они ниже заданного, то происходит ее уменьшение. Это качественная теория, но она формирует теоретическую основу для некоторых математических и вычислительных теорий, которые были разработаны для изучения костной адаптации (Cowin and Hegedus, 1976; Huiskes et al., 1987; Beaupre et al., 1990; Weinans et al., 1992; Mullender and Huiskes, 1995; Adachi et al.,2001).

Механостат не определяет механизмы на клеточном уровне, отвечающие за процессы (ре) моделирования. Другими словами, теория не описывает, как обнаруживаются локальные механические сигналы, и как они преобразуются в образование кости или резорбцию. Остеоциты могут играть здесь важную роль. Некоторые исследования показали, что эти клетки отвечают на механическую стимуляцию (Skerry et al., 1989; Klein-Nulend et al., 1995). Вместе с выстилающими клетками они образуют систему, которая кажется хорошо оснащенной для сигнального преобразования (Cowin et al., 1991). Возможно такое, что механически индуцированные сигналы от остеоцитов перемещаются через канальцы к поверхности кости, где они контролируют деятельность остеокластов и остеобластов (Burger and Klein-Nulend, 1999). Но это еще требует доказательств.

План тезиса

Моделирование и ремоделирование кости были объектами обширных исследований во многих областях науки. Большинство этих исследований для того, чтобы проникнуть в суть биологии клеток кости, основывались на редукции, т.е. изоляции различных компонентов, чтобы разгадать их индивидуальное поведение ( и часто очень комплексное). Однако, поведение само-организующихся систем похожих на кость, не обязательно полностью понимать, когда наименьшие составные элементы разоблачены. Объектом наших исследований было раскрытие: как механические силы ощущаются костью, и как эти механические силы превращаются в структурную адаптацию внутренней архитектуры ткани. С этой целью мы попытались развить когерентную теорию для моделирования и ремоделирования кости, модулированных механическими силами. В этой диссертации мы применили компьютерные симуляции для изучения затронутых процессов. Такой подход годится для исследования само-организующейся системы, но требует абстракции из деталей. Применение компьютерных симуляций для изучения адаптации кости стало популярным в девяностых. Первые модели были эмпирическими. Они полностью отдалились от лежащих в основе клеточных процессов, но связывали изменения плотности в кости непосредственно с величинами локальной нагрузки. Такие модели были способны прогнозировать распределение плотности кости, как результат воздействия механических нагрузок. Впоследствии расчетные теории стали более совершенными, т.е. они стали более механо-биологически ориентированными. Мы опубликовали теорию моделирования и ремоделирования кости, в которую были включены большинство важных взаимосвязей механобиологических клеточных процессов (Huiskes et al., 2000; Ruimerman et al., 2001). Она предполагает, что остеоциты и механочувствительные клетки способны контролировать резорбцию и образование трабекулярной поверхности. На оновании этой схемы регуляции, применяя 2D компьютерные симуляции, мы доказали, что структуры, похожие на трабекулы, образуются, выравниваясь по направлению механической нагрузки. Следовательно, эта теория дает качественное объяснение моделирования и ремоделирования трабекулярной кости под контролем механических сил. В главе 2 мы описываем развитие наиболее ранних эмпирических моделей по отношению к нашей сегодняшней теории.

Исследование, представленное в главе 3, выполнялось для того, чтобы подтвердить теорию морфологическими данными реальной трабекулярной кости. С этой целью мы разработали 3D компьютерную симулирующую модель, и исследовали: действительно ли теория предсказывает развитие и сохранение 3D трабекулярных костных структур с реальными характеристиками с точки зрения морфологии и метаболической активности.

Основное допущение в нашей теории – это то, что остеоциты реагируют на механическую стимуляцию. В исходной теории мы предположили, что анаболические сигналы остеоцитов вызываются изменениями локальной механической нагрузки, которую они испытывают непосредственно. Однако, такие сигналы остеоцитов могут запускаться током жидкости в сети остеоцитов, как предположили другие исследователи (Klein-Nulend et al., 1995; Burger & Klein-Nulend,1999). Это может оказать значимый эффект на работу теории, т.к. распространение тока жидкости и деформации значительно различаются. Мы обсуждаем этот вопрос в главе 4, в которой мы описываем действия различных изменений механических нагрузок на морфологические прогнозы нашей компьютерной модели.

Остеопороз после менопаузы, встречающийся у женщин, вызывается дефицитом эстрогенов. Это приводит к повышенным темпам ремоделирования, т.е. и остеокласты и остеобласты становятся более активны, и уменьшается объем кости, из-за потери трабекулярного соединения. Толщина оставшейся трабекулы в основном сохраняется, или даже слегка увеличивается (Aaron et al., 1987; Barger-Lux and Recker, 2002). Очевидно, что сниженные уровни эстрогенов нарушают регулирование процесса ремоделирования. В главе 5 мы применили нашу теорию (ре)моделирования для того, чтобы найти пути, по которым дефицит эстрогена может влиять на процесс ремоделирования, и становится причиной феномена, который типичен для остеопороза после менопаузы.

Кортикальная и трабекулярная кость испытывают один и тот же цикл активации, резорбции и образования. Это предполагает, что сходные клеточные пути коммуникации контролируют активность остеокластов и остеобластов и у кортикального и у трабекулярного BMU (Frost 1986, Eriksen et al, 1986, Parfitt, 1994). В главе 6 мы уточнили нашу расчетную теорию для того, чтобы исследовать: могут ли предполагаемые регуляторные механизмы также объяснить активность остеокластов и остеобластов при ремоделировании ими одиночной BMU. В частности, мы изучали: объясняет ли теория то, что остеокласты в режущем конусе резорбируют кость в направлении доминантной нагрузки, и что остеобласты, следуют в том же направлении скоординировано.

Список литературы:

Aaron JE, Makins NB, Segreiya K: The microanatomy of trabecular bone loss in normal aging men and women. Clin Orthop 215, pp 260-271, 1987

Adachi T, Tsubota K, Tomita Y & Hollister SJ: Trabecular surface remodeling simulation for cancellous bone using microstructural voxel finite element models. J. Biomech. Eng. 123, 403-409, 2001.

Barger-Lux MJ and Recker RR: Bone microstructure in osteoporosis: transilial biopsy and histomorphometry. Top Magn Reson Imaging 13(5) pp 297-305, 2002.

Bauman WA, Spungen AM, Wang J, Pierson RN Jr, Schwartz E: Continuous loss of bone during chronic immobilization: a monozygotic twin study, Osteoporos Int, 10 pp 123-7, 1999.

Beaupre GS, Orr TE & Carter DR: An approach for time dependent bone modeling and remodeling-Application: A preliminary remodeling simulation. J. Orthop. Res. 8, pp 662-670, 1990.

Burger EH & Klein-Nulend J: Mechanosensory transduction in bone – role of the lacuno-canalicular network. FASEB J. 13, S101-S112, 1999.

Chow JW, Wilson AJ, Chambers TJ & Fox SW: Mechanical loading stimulates bone formation by reactivation of bone lining cells in 13-week-old rats. J Bone Miner Res 13, pp 1760-1767, 1998.

Chrischilles EA, Butler CD, Davis CS, Wallace RB. A model of lifetime osteoporosis impact. Arch. Intern. Med. 151: 2026-32, 1991.

Cooper C, Atkinson EJ, Jacobsen SJ, O'Fallon WM, Melton LJ, III. Population-based study of survival after osteoporotic fractures. Am. J. Epidemiol. 137: 1001-5, 1993.

Cowin SC & Hegedus DH: Bone remodeling I: theory of adaptive elasticity. J. Elast. 6, pp 313-326, 1976.

Cowin SC, Moss-Salentijn L & Moss ML: Candidates for the mechanosensory system in bone. J. of Biomech. Eng. 113, pp 191-197, 1991.

Dobnig H & Turner RT: Evidence that intermittent treatment with parathyroid hormone increases bone formation in aged rats by activation of bone lining cells to osteoblasts. Endocrinology 136, pp 3632-3638, 1995.

Eriksen EF: Normal and pathological remodeling of human trabecular bone: three dimensional reconstruction of the remodeling sequence in normals and in metabolic bone disease. Endocr Rev. 7, pp 379-408, 1986.

Eriksen EF & Kassem M: The Cellular basis of bone remodeling. In: Triangle 31 Sandoz J.of Med.Sc., The changing architecture of the skeleton. pp 45-57, 1992.

Frost HM: Dynamics of bone remodeling. In: Frost HM (ed) Bone Biodynamics. Littel, Brown, Boston, pp 315-333, 1964.

Frost HM: Intermediary Organization of the Skeleton. CRC Press, Boca Raton, 1986.

Frost HM: Bone "mass" and the "mechanostat": a proposal. Anat.Rec., 219:1-9, 1987.

Frost HM: Skeletal structural adaptations to mechanical usage (SATMU): 1. Redefining Wolff’s Law: the bone modelling problem. Anat. Rec. 226, pp 403-413, 1990a.

Frost HM: Skeletal structural adaptations to mechanical usage (SATMU): 2. Redefining Wolff’s Law: the remodeling problem. Anat. Rec. 226, pp 414-422, 1990b.

Guldberg RE, Richards M, Caldwell NJ, Kuelske CL & Goldstein SA: Mechanical stimulation of tissue repair in the hydraulic bone chamber. J. Bone Miner. Res. 12, pp 1295-1302, 1997.

Huiskes R, Weinans H, Grootenboer HJ, Dalstra M, Fudula B & Slooff TJ: Adaptive Bone-Remodeling theory applied to Prosthetic-Design Analysis. J. Biomechanics 20, pp 1135-1150, 1987.

Huiskes R, Ruimerman R, van Lenthe GH & Janssen JD: Effects of mechanical forces on maintenance and adaptation of form in trabecular bone. Nature 405, pp 704-706 June 8, 2000.

Klein-Nulend J, Van der Plas A, Semeins CM, Ajubi NE, Frangos JA, Nijweide PJ & Burger EH:Sensitivity of osteocytes to biomechanical stress in vitro. FASEB J. 9, pp 441-445, 1995.

Lee CA & Einhorn T: In: Osteoporosis, edited by Marcus, Feldman & Kelsey, pp. 3-20, 2001.

Lian J & Stein G: In: Osteoporosis, edited by Marcus, Feldman & Kelsey, pp. 21-71, 2001.

Magaziner J, Simonsick EM, Kashner TM, Hebel JR, Kenzora JE. Survival experience of aged hip fracture patients. Am.J.Public Health 79, pp 274-8, 1989.

Melton LJ, III, Chrischilles EA, Cooper C, Lane AW, Riggs BL. Perspective. How many women have osteoporosis? J.Bone Miner.Res. 7, pp 1005-10, 1992.

Melton LJ, Cooper C. Magnitude and Impact of Osteoporosis and Fractures. In: Marcus R, Feldman D, Kelsey J, eds. Osteoporosis. San Diego: Academic Press, pp 557-67, 2001

Mosekilde L: Consequences of the remodeling process for vertebral trabecular bone structure: A scanning electron microscopy study (uncoupling of unloaded structures). Bone Miner 10, pp 13-35, 1990.

Mullender MG & Huiskes R: A proposal for the regulatory mechanism of Wolff’s law. J. Orthop. Res. 13, pp 503-512, 1995.

Parfitt AM: Osteonal and Hemi-Osteonal Remodeling: Spatial and Temporal Framework for signal traffic in adult human bone. J. of Cellular Biochemistry 55, pp 273-286, 1994.

Petrtyl M, Hert J, Fiala P: Spatial organization of the haversian bone in man. J Biomech. 29, pp 161-169, 1996.

Roux W: Der Kampf der Teile im Organismus. Engelmann, Leipzig, 1881.

Ruimerman R, Huiskes R, van Lenthe GH & Janssen JD: A Computer-simulation Model Relating Bonecell Metabolism, to Mechanical Adaptation of Trabecular Bone. Comp Meth in BioMech & BioMed Eng. 4, pp 433-448, 2001.

Skerry TM, Bitensky L, Chayen J & Lanyon LE: Early strain-related changes in enzyme activity in osteocytes following bone loading in vivo. J. Bone Miner. Res. 4, pp 783-788, 1989.

Suominen H: Bone mineral density and long term exercise. An overview of cross-sectional athlete studies. Sports Med. 16, pp 316-330, 1993.

Tanck E, Homminga J, van Lenthe GH & Huiskes R: Increase in Bone Volume Fraction Precedes Architectural Adaptation in Growing Bone. Bone 28, pp 650-654, 2001.

Vaananen HK & Horton M: The osteoclast clear zone is a specialized cell-extracellular matrix adhesion structure. J Cell Sci. 108, pp 2729-2732, 1995.

Vaananen HK, Zhao H, Mulari M & Halleen, JM: The cell biology of osteoclast function. J.Cell Sci., 113, pp 377-381, 2000.

Vico L, Collet P, Guignandon A, Lafage-Proust MH, Thomas T, Rehaillia M, Alexandre C: Effects of long-term microgravity exposure on cancellous and cortical weight-bearing bones of cosmonauts, Lancet 355, pp 1607-1611, 2000.

Weinans H, Huiskes R & Grootenboer HJ: The behavior of adaptive bone remodeling simulation models. J. Biomechanics., 25, pp 1425-1441,1992

Wolff J: Das Gesetz der Transformation der Knochen. Berlin A. Hirchwild (1892) Translated as: The Law of Bone Remodeling. Maquet P. & Furlong R., Springer-Verlag, Berlin, 1986.

Zerwekh JE, Ruml LA, Gottschalk F & Pak CYC: The effects of twelve weeks of bed rest on bone histology, biochemical markers of bone turnover, and calcium homeostasis in eleven normal subjects. J.Bone Min. Res. 13, pp 1594-1601, 1998.

Обсуждение на форуме сайта Dental-revue

Copyright by Dental-revue © 2001