Антистарение

...молодость - это надолго

  • Увеличить размер
  • Размер по умолчанию
  • Уменьшить размер

Остеопороз

Экспериментальный остеопороз
В. В. Фролькис, академик НАН и АМН Украины;
В. В. Поворознюк, д. м. н., профессор, заведующий отделом
клинической физиологии и патологии опорно-двигательного аппарата;
О. А. Евтушенко, Институт геронтологии АМН Украины, г. Киев

Экспериментальное моделирование патологических процессов играет большую роль в изучении механизмов развития различных заболеваний. Следует сказать, что любая экспериментальная модель патологии не исчерпывает всей сложности патогенетических связей, метаболических и функциональных нарушений, возникающих при этом заболевании. Вместе с тем, экспериментальные модели имеют троякое значение: во-первых, экспериментальное воспроизведение патологии в модели позволяет говорить о существовании определенного патогенетического пути развития данной патологии; во-вторых, в условиях экспериментальной модели исследователь может, используя современные методы, изучать молекулярные, клеточные и системные изменения, что невозможно при клиническом исследовании пациента, и, наконец, в-третьих, экспериментальная модель патологического состояния является важным объектом для оценки терапевтических возможностей лекарственных препаратов при данном виде патологии. Все это доказывает важность и необходимость воспроизведения в экспериментальной модели столь распространенного заболевания, каким является остеопороз.

Остеопороз — системное заболевание скелета, характеризующееся низкой костной массой и микроструктурными повреждениями костной ткани, которые приводят к повышению хрупкости кости и увеличивают риск переломов.

За последние десятилетия проблема остеопороза приобрела особую окраску вследствие двух тесно связанных демографических процессов: резкого увеличения популяции старых людей и количества женщин в постменопаузальном периоде жизни. Остеопоротические переломы существенно влияют на заболеваемость и смертность. Переломы бедра приводят к снижению средней продолжительности жизни на 12-15%. После перелома бедра около половины пациентов не могут передвигаться без посторонней помощи, а треть утрачивают возможность самообслуживания. Риск остеопоротических переломов в возрасте 50 лет составляет 39,7% у женщин и 13,1% у мужчин. Каждую четвертую из десяти женщин подстерегает один или более остеопоротических переломов в течение жизни. Приведенные данные свидетельствуют о большой распространенности остеопороза. Вместе с тем, старение населения, увеличение количества людей пожилого и старческого возраста, изменение способа жизни указывают на то, что социально-экономические последствия остеопороза будут усугубляться. По предварительным оценкам, через 60 лет общее число остеопоротических переломов бедра возрастет с 1,6 млн. (сейчас) до 6 млн. случаев.

Различают два вида остеопороза: первичный и вторичный. О первичном остеопорозе говорят в тех случаях, когда неизвестны причины его развития. Вторичный остеопороз возникает при заболеваниях других органов и систем (желудочно-кишечного тракта, мочевыводящей системы и других), малигнизации, гипеpпаратиpеозе, ранней овариоэктомии, гипогонадизме у мужчин, гемипарезе, длительной иммобилизации, при влиянии остеотропных агентов (медикаментозных препаратов — глюкокортикоидов, тироксина, гепарина, антиконвульсантов, баpбитуpатов и других), токсических веществ, радионуклидов (стронция, цезия).

В большинстве случаев остеопороз неразрывно связан с возрастом, вот почему ряд исследователей относят его к возрастзависимой патологии, наряду с такими основными заболеваниями человека, приводящими к смерти, как атеросклероз, рак, сахарный диабет и другие.

Экспериментальные модели остеопороза

Благодаря прогрессу молекулярной биологии в настоящее время можно анализировать действие множества факторов, влияющих на костную ткань и минеральный метаболизм, как in vitro, так и in vivo. С начала текущего десятилетия наблюдается тенденция к преимущественному использованию экспериментального моделирования на животных. Благодаря новым техническим средствам, стал возможен количественный анализ костной ткани и в экспериментальных моделях, и у человека. Определены биомеханические концепции, отработаны надежные тесты оценки прочности костной ткани в различных участках скелета у малых лабораторных животных. Вместе с тем, следует обратить внимание на один парадокс экспериментальных моделей. Многие патологические процессы (атеросклероз, болезнь Альцгеймера, рак, остеопороз) чаще возникают в пожилом возрасте, а моделируются в подавляющем большинстве случаев не на старых, а на взрослых животных.

Остеопороз у человека подразделяют на локальный и системный, в зависимости от патогенетических факторов выделяют различные формы заболевания. В экспериментальных исследованиях in vivo воспроизведены практически все известные виды остеопороза.

Локальный остеопороз у лабораторных животных наиболее часто вызывается нарушениями кровообращения, например венозного оттока при длительной иммобилизации конечности. Он также может быть смоделирован в одной из парных конечностей после ампутации другой или при перегрузке конечности после нарушения функции другой; вследствие расстройства кровообращения вокруг искусственно созданного патологического очага, а также при экспериментальных переломах, невритах, пересечении магистральных нервных стволов, искусственных ожогах и обморожениях.

Системный остеопороз в экспериментальных моделях может быть вызван влиянием разнообразных агентов на обмен веществ в организме животных. Смоделированы сенильный, алиментарный, гормональный, иммобилизационный, вторичный остеопороз при многих заболеваниях.

Естественная модель сенильного остеопороза

Не только у человека, но и у животных с возрастом возникают остеопоротические изменения, что обусловлено снижением формирования и увеличением резорбции костной ткани. Считается, что инволюционные трофические расстройства в костной ткани развиваются у крыс после первого года жизни. Средняя продолжительность жизни крыс — 2-2,5 года, белых мышей — 1-1,5 года, хомяков — 2-3 года, морских свинок — 6-7 лет, кроликов — 4-8 лет. По мнению большинства исследователей, остеопороз развивается у многих видов старых животных, но модель естественного сенильного остеопороза целесообразнее изучать на крупных животных: коровах, овцах, обезьянах и других. Старые животные сами по себе являются удачной моделью для изучения остеопороза. При анализе частоты выявления остеопороза у животных с разной видовой продолжительностью жизни привлекает внимание одно важное обстоятельство. Оказывается, у долгоживущих животных (коровы, овцы, обезьяны и другие) в старости остеопороз выражен больше, чем у короткоживущих животных. В свое время было выдвинуто представление о хроно- и онтобиологических изменениях в процессе старения (В. В. Фролькис, 1997). Хронобиологическими считаются те процессы, которые коррелируют с астрономическим временем, продолжительностью жизни, а онтобиологическими — с биологическим возрастом. Судя по всему, остеопороз в большей мере — хронобиологический признак, до которого надо дожить. Поэтому у долгоживущих животных он выражен больше, чем у короткоживущих.

Вместе с тем, довольно широко используются экспериментальные модели короткоживущих животных, ускоренно стареющих. Среди естественных моделей сенильного остеопороза особого внимания заслуживает SAM (senescence accelerated mouse) — модель ускоренно стареющих мышей. Такие мыши выведены исследователями Киотского университета (Япония, 1970). Путем продолжительной селекции семейных скрещиваний акселератов и патологических фенотипов мышей породы АКR/J получены гомозиготные линии, которых сейчас известно двенадцать; из них девять (SAM/P: 1, 2, 3, 6, 7, 8, 9, 10, 11) имеют ускоренное старение, три (SAM/P: 4, 5, 12) — резистентны к старению.

Характерной особенностью инбредных линий SAM/P: 1, 2, 3, 6, 7, 8, 9, 10, 11 является раннее ускоренное и необратимое старение после укороченного периода нормального развития. У таких животных наблюдается утрата нормального поведения, уменьшается способность переносить нагрузку, изменяется общий вид: появляются разнообразные поражения кожи, увеличивается кифолордоз. Во всех органах и системах проявляются возрастные изменения. В опорно-двигательном аппарате нарушаются структура и минерализация костной ткани, суставных и межпозвоночных хрящей, что приводит к уменьшению прочности скелета.

Патофизиологические особенности чистых гомозиготных линий SAM позволяют выделить многочисленные фенотипы патологических состояний у старых крыс, среди которых SAM/P6 — фенотип сенильного остеопороза, проявляющийся преждевременной дистрофией и атрофией соединительной ткани. При этом наблюдается потеря костной ткани во всех отделах скелета; в одинаковой степени поражается как губчатая, так и кортикальная костная ткань. Мыши линии SAM/P6 характеризуются низким пиком костной массы и переломами в более позднем периоде. К сожалению, модели SAM в нашей стране для исследований остеопороза еще не используются.

Таким образом, остеопороз — общебиологический процесс, характерный для животных различных видов, и его проявления при старении являются как бы функцией времени. Важно подчеркнуть, что ускоренное старение способствует более ранним проявлениям остеопороза, что еще раз подчеркивает неразрывную связь остеопороза со старением. Естественно, сенильный остеопороз, возникший у животных, живущих в неволе, принимая во внимание ограничение их двигательной активности, не может представлять собой чистую модель.

Роль экспериментальных моделей в доклинических исследованиях эффективности антиостеопоротических средств

Важной формой моделирования остеопороза на животных является создание патологического процесса с целью испытания новых врачебных препаратов и изучения механизмов костного ремоделирования. Несомненно, результат исследования любого нового антиостеопоротического средства на моделях экспериментальных животных относителен, конечным должен быть результат клинического исследования.

Как отмечено в руководстве ВОЗ по проведению доклинических и клинических исследований новых антиостеопоротических препаратов, доклиническая оценка — один из наиболее важных компонентов испытания фармацевтических средств. Цель доклинической оценки: изучение метаболизма, фармакодинамики, безопасности и токсичности обязательно для любого нового средства, а также специфическое отношение к метаболизму костной ткани. Главные задачи доклинических исследований по остеопорозу следующие:

  • установление зависимости между влиянием лекарственного средства на костную массу и прочностью костной ткани. В исследовании необходимо определить, насколько данное средство повышает прочность или способствует профилактике потери костной массы, формируя новую костную ткань с нормальной архитектоникой, увеличивая или сохраняя прочность кости;
  • изучение механизма действия лекарственного средства и доказательство возможности его использования у людей;
  • влияние лекарственного средства на костную ткань в соответствующих экспериментальных моделях остеопороза;
  • определение влияния длительного применения средства на качество костной ткани;
  • исследование влияния изучаемых лекарственных средств на консолидацию перелома.

 

При выборе экспериментальной модели остеопороза для изучения лекарственных средств необходимо обращать внимание на следующие положения:

  • надежность модели, то есть использование именно тех животных, которые наиболее пригодны для изучения того или иного средства. Например, стимуляторы костного обмена целесообразно исследовать на моделях с замедленным костеобразованием, а антирезорбенты — на моделях с усиленным разрушением костной ткани;
  • особенность выполнения опыта: хирургическое удаление паращитовидних желез у крыс не вызывает заметного падения уровня кальция в крови, поэтому такая модель не подходит для испытания кальцийсодержащих препаратов;
  • возможность стандартизации генетических, экологических (аналогичные условия содержания и кормления), морфологических и других характеристик модели. Для изучения методов лечения остеопороза чаще используют линейных животных, которых разводят на основе тесного инбридинга;
  • возможная быстрая репродукция модели — за несколько месяцев жизни животного можно проследить за ответом на лечение антиостеопорозным препаратом, который больные должны принимать годами;
  • стоимость модели.

Механизмы развития возрастного остеопороза

Множество существующих экспериментальных моделей остеопороза подтверждают вывод о многофакторности этой патологии. В конечном итоге, патогенез остеопороза образно может быть представлен в виде воронки с широким входом — раструбом и узким выходом. На входе — множество факторов (нейрогуморальные влияния, рефлекторные воздействия, потребление, всасывание и выведение кальция, стрессовые ситуации, двигательная активность, действие токсических веществ и другие); на выходе — соотношение количества и активности остеобластов и остеокластов, структурные изменения коллагена, связывание кальция. Все перечисленные экспериментальные модели остеопороза, в конечном итоге, основываются на влиянии на то или иное звено регуляции метаболизма и ремоделирования костной ткани. Количество работ по остеопорозу растет, как снежный ком, одновременно с этим — и противоречия. Спорят по таким, казалось бы, прописным истинам, как роль эстрогенов, происхождение остеокластов и остеобластов, регуляция гомеостазиса кальция и другим.

Как указывалось выше, к первичному остеопорозу относят постменопаузальный и сенильный. В конечном итоге, оба они относятся к возрастной патологии, так как постменопаузальные изменения также являются возрастными. Эта группа составляет около 80% случаев остеопороза, и при характеристике его развития следует исходить из общих механизмов старения и развития возрастной патологии с учетом специфики костной ткани.

Большинство авторов объединяют постменопаузальный и сенильный остеопороз в одну группу инволюционного остеопороза. Вместе с тем, термин «инволюция» не приемлем к возрастным изменениям (инволюция — обратное развитие), так как при остеопорозе (по качественным и количественным параметрам) в костной ткани не наблюдается обратного развития.

Развитие остеопоротических изменений — общебиологический феномен. В различной степени (об этом свидетельствует группа естественных моделей остеопороза) он возникает у животных разных видов. Обобщая данные разных работ, можно прийти к выводу, что чем больше видовая продолжительность жизни, тем реальнее и более выражены остеопоротические изменения. Это очень важная линия экспериментальных исследований, которую следует определить как филоэтагенетическую. В. В. Фролькис под этим понимал характер изменений этагенеза, возрастного развития в филогенезе. Экспериментальные данные подтверждают, что возрастзависимый остеопороз можно отнести к так называемым хронобиологическим изменениям, коррелирующим со временем (чем дольше, тем больше), играющим различную роль в общей системе старения животных разных видов.

Чрезвычайно сложно разделить возрастные и патологические изменения. В одних случаях это — количественные изменения, в других — качественные, в третьих — и те, и другие. Старение может трансформироваться в патологию, стать основой этой патологии, изменить течение патологического процесса, так как его развитие связано с нейрогуморальными и генорегуляторными изменениями, с экстраоссальными и интраоссальными факторами.

При старении ослабляется нейротрофический контроль над многими тканями. Остеопороз моделируется пересечением симпатического нерва. Причем, в связи с предшествующим ослаблением нервных влияний, существующими нарушениями трофики костной ткани, остеопоротические изменения у старых животных более выражены. Следовательно, ослабление нервного контроля, в том числе нейротрофического, — важный фактор развития возрастного остеопороза.

Большое значение не только в развитии постменопаузальных изменений в различных органах и тканях имеют возрастные сдвиги гормональной регуляции. Овариоэктомия моделирует многие проявления остеопороза, чему способствует не только снижение уровня женских половых гормонов, но и тестостерона. Это связано с их анаболическим действием, активацией биосинтеза белка, изменяющимися в зависимости от концентрации гормонов в крови. Следует обратить внимание на закономерную последовательность нейрогормональных сдвигов при развитии менопаузы, старении организма: снижение гормональной активности яичников, уменьшение концентрации эстрогенов в крови и, по принципу обратной связи, активация синтеза в гипоталамусе соответствующих рилизинг-факторов, образование гонадотропных гормонов, которые могут способствовать развитию остеопороза, угнетению образования остеобластов. Ко всему этому следует добавить изменение с возрастом соотношения в синтезе кальцитонина (КТ) и паратиреоидного гормона (ПТГ).

В последние годы большое внимание уделяется остеопорозу, вызываемому у людей длительным применением глюкокортикоидов (глюкокортикоидиндуцированный остеопороз). Более того, эта группа гормонов моделирует остеопороз и у животных. Глюкокортикоиды в большом количестве выбрасываются в кровь при стрессе. По мнению ряда исследователей, длительный стресс может быть одной из причин, способствующих развитию остеопороза. Кроме того, остеопороз в эксперименте моделируется иммобилизацией, которая сама по себе является чуть ли не самой распространенной моделью стресса. В.В. Фролькис (1991) показал, что изменения, наступающие при старении, во многом напоминают сдвиги при стрессе у взрослых животных и людей в разных звеньях нейрогормональной регуляции — это повышение уровня АКТГ, кортизола, снижение содержания половых гормонов. Можно утверждать, что стресс-возраст-синдром, возникающий при старении и длящийся годами, — возрастной, длительный, хронический стресс — является одним из механизмов развития возрастзависимого остеопороза. По нашему мнению, остеопороз — одно из проявлений стресс-возраст-синдрома. Костная ткань — одно из звеньев системы саморегуляции организма, неизбежно реагирует на существенные регуляторные изменения. И, вместе с тем, важнейшие механизмы развития возрастного остеопороза связаны с генорегуляторными изменениями.

В 1997 году В. В. Фролькис выдвинул теорию единого механизма развития различных видов возрастной патологии. Дело в том, что первичные механизмы старения связаны с изменениями в регуляторных генах. В зависимости от типа нарушений регуляторных генов изменяются процесс транскрипции и синтез тех или иных белков, развиваются различные патологические процессы: при нарушении генов, кодирующих инсулин, — диабет; кодирующих аполипопротеины, — атеросклероз, при раке — онкогены и онкобелки, при болезни Альцгеймера — синтез амилоидного белка. Можно полагать, что в основе многих изменений при возрастном остеопорозе также лежат генорегуляторные механизмы. Доказательство этого — формирование нейрогормональных изменений, запускающих постменопаузальный остеопороз. С возрастом в геноме яйцеклеток нарастает число мутаций, ведущих, как известно, к резкому увеличению наследственной патологии у потомков. Это обусловливает синтез факторов, изменяющих состояние гипоталамогонадной оси, приводит к потере репродуктивной способности, имеющей адаптивное значение.

Регуляторные изменения генов с возрастом имеют отношение и к процессам в костной ткани, ведущим к возникновению остеопороза. До сих пор нет единого мнения о происхождении остеобластов и остеокластов. Произошли ли они от единой полипотентной мезенхимальной клетки, или же остеокласты берут свое начало от кроветворной стволовой клетки, а остеобласты — от стромальной стволовой клетки? Как бы то ни было, и остеобласты, и остеокласты связаны с процессами деления и дифференцировки. Основные клеточные свойства определяются регуляцией генома, экспрессией и репрессией генов. Нарушения этих механизмов регуляции при старении определяют изменение количества этих клеток, развитие остеопении, остеопороза. Именно на фибробластах (предшественниках остеобластов и остеоцитов) показаны лимит Hayflick’a, ограничение возможного числа делений, старение клеток. Этот лимит связан во многом с длиной теломер, с активностью теломеразы. Прямо показано, что введение в фибробласт гена теломеразы удлиняет длительность лимита Hayflick’a.

Существенное значение в ремоделировании кости имеет состояние внеклеточных структур коллагена. Существуют различные типы коллагенов, в костной ткани преимущественно — I тип. При старении, благодаря генорегуляторным нарушениям, может изменяться синтез различных полипептидных цепей, и появляются коллагены других типов. Это изменяет упаковку коллагена, что приводит к нарушению минерализации костной ткани.

Особое значение в развитии остеопороза имеют кальциевые механизмы, существенно изменяющиеся при старении. Известно, что в человеческом организме содержится приблизительно 1000 мг кальция, 99% его в форме гидроксиапатита — в костной ткани, 1% — во внеклеточной жидкости и мягких тканях. В сыворотке крови кальций находится в трех фракциях: ионизированный (50% от общего количества); кальций, связанный с белками (40%); кальций, соединенный с цитратными и фосфатными ионами (10%). Широко распространено представление о том, что возрастные изменения кости не имеют приспособительного значения: кость разрушается и деминерализуется во имя всего кальциевого гомеостаза, спасения жизненно важных клеток, для которых кальций имеет огромное значение. Обычно по следующей схеме: снижение уровня ионизированного кальция в крови — активация синтеза паратиреоидного гормона — активизация остеокластов — резорбция костной ткани — высвобождение кальция из костного депо. По всей вероятности, это важный механизм, но роль его в возрастных изменениях структуры костной ткани при старении гиперболизируется. Во-первых, данные о концентрации кальция и ПТГ в крови при старении противоречивы, что особенно важно, концентрация ионизированного кальция в крови на несколько порядков выше, чем в клетках (к примеру, в крови в 10000 раз больше, чем в нейронах). Это создает надежность тока кальция через каналы в клетку. Один из важнейших механизмов старения клеток состоит в том, что с возрастом нарушается регуляция кальциевого гомеостаза клеток, увеличивается содержание внутриклеточного кальция. Существует даже такое выражение «кальциевая смерть нейронов». Однако изменения содержания кальция в крови, если они возникают, могут изменять так называемый поверхностный потенциал клетки и влиять тем самым на ее функцию.

Известно, что в минерализации кости существенное значение имеют матриксные пузырьки, фосфопротеины. При старении, благодаря нарушению экспрессии и репрессии генов, изменяется структура плазматических мембран, из которых и формируются матриксные пузырьки. Имеют значение такие экстраоссальные факторы, как уровень потребления кальция в рационе питания, его всасывание и выведение из организма, метаболизм витамина D.

Развитие возрастзависимого остеопороза как постменопаузального, так и сенильного, определяется сложным комплексом экстраоссальных и интраоссальных факторов. Особое значение приобретают генорегуляторные изменения, определяющие в конечном итоге сдвиги в соотношении клеточного и межклеточного вещества, в процессах минерализации. В проведенных 15 лет назад в Институте геронтологии исследованиях остеопороз у взрослых и старых крыс вызывали пересечением симпатического нерва. Оказалось, что одновременное введение РНК-азы влияет на реализацию генетической информации, ослабляет проявление остеопороза. Позже было показано, что тетрациклин, блокирующий синтез белка в рибосомах, также ослабляет проявления экспериментального остеопороза. В связи с этим, следует сослаться на работы В.В. Фролькиса и соавторов, показавших, что вещества, блокирующие передачу генетической информации, вызывают развитие и другой возрастной патологии — экспериментального атеросклероза. Этот вид воздействия, влияющий на экспрессию и репрессию генов, мы назвали генорегуляторной терапией.

Множественность экстраоссальных и интраоссальных факторов регуляции метаболизма костной ткани определяет множество возможных причин потери костной массы с возрастом. Ревелл предполагает такие теоретически возможные варианты разрежения кости с возрастом:

  • резорбция и костеобразование постоянны в процессе старения;
  • резорбция возрастает, костеобразование остается постоянным;
  • резорбция постоянна, костеобразование уменьшается;
  • резорбция и костеобразование уменьшаются, но неодинаково;
  • резорбция и костеобразование возрастают, но неодинаково;
  • резорбция возрастает, костеобразование уменьшается.

Нам представляется, что эта мультивариантность причин развития остеопороза может быть объяснена с позиций выдвигаемой нами гипотезы: экстраоссальные и интраоссальные механизмы нарушения регуляции кости — основа развития остеопороза или, другими словами, регуляторная гипотеза развития возрастного остеопороза (В. В. Фролькис, В. В. Поворознюк, 1999).

Материал, представленный выше, взят из статьи авторов, опубликованной в "Медичній газеті "Здоров'я України" (health-ua.com), №86, 2004 г.

Последнее обновление 27.02.10 21:39  

Опрос

Какова роль низкомолекулярных (небелковых) антиоксидантов в организме?
 
Сейчас на сайте находятся:
 11 гостей 

Самое популярное



ВАЛЕОЦЕНТР имени Н.А. Бобрышева ГЕНЕТИЧЕСКАЯ И РЕГЕНЕРАТИВНАЯ МЕДИЦИНА: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ Применение омега-3 полиненасыщенных жирных кислот в медицине V НАЦИОНАЛЬНЫЙ КОНГРЕСС ГЕРОНТОЛОГОВ И ГЕРИАТРОВ УКРАИНЫ - ПРОГРАММА Омега-3-ненасыщенные жирные кислоты Онтогенетические часы. Гипотеза Элевационная теория старения Менопауза та її наслідки Проблемы гипобиоза и продления жизни Новые технологии в регенеративной медицине: мировой опыт клинического применения стволовых клеток список участников октябрьского конгресса Жанна Луиза Кальман Основные теории старения Институт геронтологии НАМНУ Теории старения Конференция им.В.В.Фролькиса Препараты против старения Болезнь Альцгеймера Болезнь Паркинсона Онкопатология Возрастзависимая патология Остеопороз Конференции по старению и омоложению Ресвератрол Semagacestat Омега-3-ненасыщенные жирные кислоты Способы омоложения и достижения долголетия Методы исследований в геронтологии Жанна Луиза Кальман Функциональные диеты для омоложения

Последние публикации

Введите логин для входа