HIERARCHICALLY ORGANIZED MODEL OF INTERCONNECTED CELLULAR AND TISSUE MECHANISMS OF CALCIUM EXCHANGE BETWEEN BONE AND BLOOD

Full Text

Участие костной ткани в процессах регуляции содержания кальция в крови общепризнано [54, 61, 67, 73], но роль отдельных ее механизмов продолжает оживленно дискутироваться [12, 54, 61]. Главное в этих дискуссиях — возможность «мгновенной» коррекции содержания кальция в крови путем его перемещения из костей в кровь и обратно, без активации остеокласто-остеобластного ремоделирования (ООР) [45, 46, 52, 54]. В этой связи необходимо подчеркнуть, что если 30–40 лет назад ведущую роль в поддержании кальциевого гомеостаза большинство участников дискуссии отводили ООР [3], то в настоящее время акценты сместились и все больше внимания уделяется роли остеоцитов в этом процессе [29, 71]. Это вызвано появлением новых фактов, позволяющих утверждать, что остеоциты, инициируя процесс механотрансдукции, контролируют пространственновременную активность большинства известных механизмов перестройки архитектуры скелета (ООР, моделирование, остеоцитарное ремоделирование и др.), т. е. разрушение и формирование минерального матрикса на всех уровнях его иерархической организации [2, 12, 29–33, 57]. Тем самым эти клетки одновременно контролируют обмен кальция между костью и кровью. Возникновение в процессе филогенеза у остеоцитов таких контролирующих и регулирующих функций вызвано тем, что они инкорпорированы в лакунарно-канальцевую систему (ЛКС). В результате жизнеспособность остеоцитов зависит от конвекционного потока жидкости, обеспечивающего поступление к ним веществ и удаление шлаков. Производительность же конвекционного механизма определяется двумя факторами: деформируемостью костных структур и пропускной способностью ЛКС (поперечным сечением ее составных частей) [4, 17, 22, 61, 77]. Поэтому остеоциты имеют механосенсорные рецепторы, позволяющие им контролировать как величину деформаций костных структур, возникающих при циклических нагрузках на скелет [27], так и сдвиг напряжения потока жидкости в ЛКС [15, 49]. При отклонении значений механических сигналов за пределы физиологических порогов остеоциты осуществляют процесс механотрансдукции, переводя механические сигналы в химические [15, 27, 38, 39]. Другими словами, остеоциты могут не только ощущать изменения окружающей их механической среды, но и регулировать активность механизмов ее реорганизации в каждом локусе скелета [12, 28–31, 33, 78], обеспечивая, тем самым, с одной стороны, свои функциональнометаболические потребности, а с другой — поддержание гомеостатических параметров кальция в организме. В контексте настоящей работы взаимосвязанное функционирование рассматриваемых метаболических систем предполагает, что механизмы обмена кальция организованы так же, как и механизмы перестройки архитектуры скелета — иерархически [4, 12, 33, 45, 77]. С учетом положений теории систем [5, 9], из этого следует, что ни один из известных механизмов обмена кальция, в том числе ООР, не может быть основным или второстепенным. На каждом иерархическом уровне организации скелета существует свой механизм его реорганизации [4] и каждый из этих механизмов, с одной стороны, меняет характеристики механометаболической среды, окружающей остеоциты, а с другой — поддерживает стабильность параметров кальциевого гомеостаза организма. Цель настоящей работы — на основании результатов собственных исследований и данных литературы предложить иерархически организованную модель взаимосвязи морфологических механизмов с учетом биохимических основ обмена Са2+ между костью и кровью. Элементы иерархической организации механизмов обмена Са2+ между кровью и костью. В настоящее время есть все основания утверждать, что существуют, как минимум, 3 иерархических уровня механизмов этого обмена. На первом, начальном, уровне обмен происходит на линии раздела кость–кровь, без разрушения костного матрикса, путем [54, 61, 69]: 1) энергонезависимой парацеллюлярной диффузии Са2+ из крови в кость; 2) энергозависимого трансцеллюлярного перемещения Са2+ из кости в кровь. На втором уровне обмен Са2+ обеспечивается механизмами остеоцитарного ремоделирования путем резорбции или формирования матрикса стенок ЛКС [1, 4, 22, 33]. Этот обмен происходит на линии раздела костный матрикс — внутрикостная межклеточная жидкость. Третий иерархический уровень включает в себя механизмы ООР, действующие на линии раздела кость—кровь. Эти механизмы обеспечивают растворение минерального матрикса остеокластами и быструю минерализацию вновь отложенного остеобластами органического матрикса [4, 61]. В настоящее время известны и другие механизмы минерального обмена, включенные в эту иерархически организованную структуру [4], однако их роль в поддержке параметров гомеостаза кальция неотчетлива. Первый иерархический уровень обмена Са2+ Энергонезависимая парацеллюлярная диффузия Са2+ из кровеносных сосудов в межклеточную жидкость кости вызвана высоким градиентом концентрации кальция между плазмой крови и межклеточной жидкостью — 1,5 и 0,5 ммоль/л соответственно. Эта разница является движущей силой, определяющей кинетику пассивной, ненасыщаемой диффузии направленных потоков Са2+ вдоль электрохимических и химических градиентов [8, 54, 67]. Ионы Са2+ первоначально поступают из кровеносных сосудов в окружающую их соединительную ткань и достигают слоя клеток, выстилающих кость (bone-lining cells). Между последними имеются пространства шириной около 2 нм. Эти заполненные микрофибриллами пространства пропускают ионы Са2+, которые затем пересекают расположенный под слоем клеток остеоид толщиной 3–4 мкм и проникают через открытые канальцы в межклеточную жидкость ЛКС. Средняя плотность отверстий канальцев находится в пределах от 9,4 до 12,6 на 100 мкм2 [55, 61, 68]. Биологическая целесообразность возникновения в процессе филогенеза упомянутых выше межклеточных пространств связана не только с необходимостью обеспечить свободную диффузию ионов Са2+. Данные пространства, по нашему мнению, выполняют еще одну важнейшую функцию, а именно, предохраняют клетки, выстилающие кость, от механической травмы, вызванной конвекционным потоком жидкости. Как известно, последние в ЛКС, возникающие под влиянием циклических механических нагрузок, в этой зоне проявляются попеременным выдавливанием и всасыванием жидкости через открытые канальцы ЛКС. Колебательные движения жидкости в зоне остеоида вызывают, в свою очередь, аналогичные изменения давления этой жидкости на слой клеток, выстилающих кость. Именно межклеточные пространства, по нашему мнению, обеспечивают свободное движение жидкости за пределы клеточного слоя, предотвращая, тем самым, механическую травму клеток и их отслоение от остеоида. Суммируя изложенное выше, можно заключить, что структура между кровеносным сосудом и костной тканью, представляющая собой костно-гематический барьер [7] и имеющая высокую пропускную способность для ионов Са2+ в направлении из крови в кость, по сути, обеспечивает постоянную фильтрацию Са2+ плазмы крови через костные образования. Подтверждением рассматриваемого феномена являются высокая скорость удаления радиоактивного Ca2+ из кровотока и инкорпорация данного остеотропного маркера в костную ткань. Выведение радиоактивного Ca2+ из кровотока и его обмен с тканями организма детально исследованы [20, 58, 75, 40–42, 43]. Установлено, что инкорпорация в зрелые костные структуры скелета этого остеотропного маркера, введенного парентерально кроликам, в основном завершается через 1 ч после инъекции, а радиоактивность плазмы 10-кратно снижается в течение 24 ч. У собак бóльшая часть изотопа фиксируется в этих структурах уже в течение первых 30 мин после инъекции [18]. Процесс удаления радиоактивного Ca2+ из кровотока описывается экспонентой [75]: K3t С(t)=A1eK1t+ A2eK2t+ A3e , где A1=14,4±2%; A2=3,51±4%; A3=4,38±4%; K1=–2,0±2,5%; K2=–0,115±4%; K3=–0,006±5%. По мнению R. W.S. Tomlinson и соавт. [75], в этой формуле функция первой степени в основном детерминирована ионами Са2+, первоначально выходящими через сосудистую стенку и уравновешивающимися с Са2+ внескелетных тканей. После достижения балансового равновесия начинает доминировать более медленный обмен Са2+ между кровью и костью. Каждый из этих периодов перераспределения ионов Са2+ — результат активности многочисленных клеток, что и описывается приведенным статистическим распределением нелинейного типа [75]. Рассмотрим теперь, что происходит с Са2+ после его диффузии из крови в межклеточную жидкость кости. Судьба Са2+, поступившего из кровотока в кость, реализуется двумя путями: 1) ионы Са2+ инкорпорируются в минеральный матрикс [66]; 2) ионы Са2+ удаляются обратно в кровоток сетью костных клеток энергозависимым трансцеллюлярным путем [54]. Равновесие между этими двумя процессами контролируют остеоциты, а его нарушение проявляется специфическими структурными изменениями. Например, в случае локальной гибели остеоцитов ионы Са2+ перестают удаляться трансцеллюлярно обратно в кровоток, и поэтому начинает преобладать формирование нерастворимой фазы фосфата кальция. В результате минерал откладывается в канальцах и лакунах, которые перестают определяться микроскопически. H. M. Frost назвал этот феномен «микропетроз» [48]. Противоположный вариант нарушения равновесия инициируется паратгормоном и проявляется резким расширением ЛКС с одновременной гипертрофией и гиперреактивностью остеоцитов [25]. Основные морфологические типы инкорпорации Ca2+, поступившего из кровотока в минеральный матрикс, охарактеризованы авторадиографически [65, 66]: 1) «горячие зоны», т. е. участки максимального накопления радиоактивного маркера в местах формирования остеонов; 2) диффузное распределение (у половозрелых животных после однократного введения радиоактивного изотопа кальция диффузный вариант включения в костный матрикс составляет половину от общей массы инкорпорированного элемента [65, 66]). «Горячие зоны» возникают в участках формирования минерального матрикса новых остеонов с участием механизмов быстрой минерализации. В этих локусах отложенные радиоактивные ионы отчетливо видны и через 40 лет после их поступления в организм [65, 66]. Следовательно, эти зоны не являются резервуаром быстро обмениваемого кальция [44, 65, 66]. Диффузное распределение, по сути, является интегральной морфологической характеристикой включения радиоактивного Ca2+ в костный матрикс и формируется пространственным наложением нескольких морфологических типов распределения изотопа в костных структурах. При этом только часть из них можно дифференцировать авторадиографически. В этом контексте крайне важно подчеркнуть, что количественная авторадиография показала наибольший обмен кальция между кровью и поверхностными слоями кости, т. е. в зонах, непосредственно контактирующих с циркулирующими жидкостями: поднадкостничные, эндостальные и трабекулярные поверхности, а в пределах компактной кости — стенки полостей резорбции и каналов остеонов [65, 66]. К зонам наибольшего обмена кальция относятся также и стенки ЛКС, внимание к которым в последние годы прогрессивно нарастает [14, 46]. Резюмируя изложенное, можно утверждать, что диффузное распределение изотопа формируется наложением следующих зон интеграции Ca2+ в минеральный матрикс: 1) на границе каналов остеонов скопления радиоактивного маркера («ореолы» при авторадиографии), в возникновении которых определенную роль играет также и направленная по градиенту концентрации диффузия Ca2+ [56]; 2) поднадкостничные, эндостальные и трабекулярные поверхности; 3) стенки ЛКС; 4) глубоко расположенные минеральные структуры межклеточного матрикса. Этот процесс связан с действием механизмов медленной минерализации, которые необходимо рассматривать как один из элементов иерархической организации обмена кальция [4, 8]. «Ореолы» гиперминерализации остеонов. На основании наличия остеоида [44] и расположенного под ним участка с избирательным включением радиоактивного Ca2+ в минеральный матрикс, можно предположить, что клетки, выстилающие кость, контролируют этот процесс. Другими словами, с одной стороны, они «блокируют» формирование минеральных компонентов в структурах остеоида, а с другой — инициируют высокую обменную активность на поверхности минерального матрикса. Гипотетически контроль этих процессов может осуществляться клетками, в том числе путем изменения состава формируемого ими органического матрикса. Подтверждением этой гипотезы являются данные R. T. Ingram и соавт. [51], согласно которым остеокальцин, секретируемый остеобластами и имеющий высокую аффинность к кальцию и гидроксиапатиту, избирательно включается в состав зон раздела. Авторы иммуногистохимически показали, что у части нормальных добровольцев присутствие остеокальцина имеет избирательный характер. Его концентрация выше в зонах, возникающих в периоды прекращения активного отложения матрикса остеобластами [51]. Формирование участков повышенной адгезии ионов Ca2+ на поднадкостничных, эндостальных и трабекулярных поверхностях, по нашему мнению, также находятся под контролем клеток, выстилающих кость, т. е. описанный выше механизм формирования «ореола» может играть аналогичную роль в формировании зон обмена на этих поверхностях. Обмен кальция между стенками ЛКС и межклеточной жидкостью. Структура этих стенок отличается от смежных участков межклеточного матрикса менее плотной организацией. Кроме того, коллагеновые волокна в этой зоне тоньше и имеют иную ориентацию [23, 62]. Показано, что контроль метаболизма кальция в области стенок ЛКС осуществляют остеоциты, в том числе, через синтез молекул DMP1 (dentin matrix protein 1), MEPE (matrix — extracellular phosphoglycoprotein) и ASARM (acidic, serine- and aspartic acid-rich motif), облицовывающих эти стенки. ASARM (ингибитор минерализации) является продуктом расщепления MEPE [14, 46]. DMP1, синтезируемый остеоцитами под влиянием механических нагрузок, наоборот, вызывает минерализацию в той же самой зоне. Этот богатый серином кислый белок имеет многочисленные участки потенциального фосфорилирования, что и позволяет ему инициировать формирование минерала [46]. По нашему мнению, данная зона обеспечивает еще одну физиологически важную функцию — затрудняет миграцию ионов Ca2+ в глубокие участки межклеточного матрикса, предотвращая его быструю гиперминерализацию, ведущую соответственно к необратимому снижению деформируемости костной ткани под действием механической нагрузки. Это, вызывая снижение производительности конвекционного механизма, ухудшает, тем самым, метаболические условия среды, окружающей остеоциты. Затруднение диффузии Ca2+ в глубокие участки обеспечивается высокой аффинностью элементов, образующих стенки ЛКС, к этому иону. Инкорпорация ионов Са2+ в костный матрикс между канальцами после его диффузии возможна путем включения [6]: 1) в дефекты кристаллической решетки ранее сформированных минералов; 2) в состав растущих минералов, что ведет к увеличению минерализации матрикса до максимально возможного уровня — почти 95% [19]. Энергозависимое трансцеллюлярное движение Са2+ из кости в кровеносные сосуды происходит против электрохимических и химических градиентов и обеспечивается сетью костных клеток [54, 68, 77]. Остеоциты поглощают Ca2+ из межклеточной жидкости и транспортируют его через щелевые соединения в направлении клеток, выстилающих кость [54, 60]. Последние выделяют ионы Ca2+ в межклеточное пространство на границе с кровеносными сосудами, создавая, тем самым, условия для поступления этих ионов в систему кровообращения. Другими словами, сеть костных клеток имеет энергозависимую систему транспорта Ca2+ со специфической полярностью. Одним из экспериментальных доказательств правомочности данной схемы является подавление in vitro транспорта Ca2+ цианидами, а также отсутствие его в кости с мертвыми клетками [54]. Согласно результатам морфологических исследований, в основе описанной выше полярности трансцеллюлярного движения Ca2+ лежат особенности структурной организации сети костных клеток. В первую очередь, это асимметричное расположение цитоплазматических отростков остеоцитов. С сосудистой стороны отростки, направленные к остеобластам и контактирующие с ними, более многочисленны, намного длиннее и тоньше, чем идущие в противоположную сторону [31, 55, 60]. Эта структурная асимметрия сопровождается функциональной асимметрией. Показано, что в ответ на механическую нагрузку движение Ca2+ от остеоцитов к остеобластам более выражено, чем в противоположном направлении. Данный тип асимметричной коммуникации позволяет предположить, что функциональная адаптация костных клеток хорошо скоординирована на морфологической основе [11–13, 31]. Способность перекачивать Ca2+ против бóльшего градиента его концентрации обеспечивают механизмы, связанные с деятельностью Ca2+ATФазы [72]. Поглощенный клеткой Ca2+ в дальнейшем или возвращается в экстацеллюлярную среду, или храниться интрацеллюлярно в органеллах [50, 70, 72]. Используя электронную спектроскопию и масс-спектрометрию, C. Bordat и соавт. [35] показали in vitro, что увеличение концентрации Са2+ в цитозоле ведет к его накоплению в митохондриях и формированию окруженных отложениями кальция соединений между митохондриями и эндоплазматической сетью. Концентрация кальция в клетке в этих условиях составляет около 100 ммоль/кг сухой массы клеток [35]. Второй иерархический уровень обмена Са2+ На этом уровне, как отмечено выше, обмен кальция связан с остеоцитарным ремоделированием. Фаза растворения минерала стенок ЛКС. Процесс инициируют органические кислоты (лимонная, молочная и др.), выделяемые остеоцитами. Под их влиянием происходит локальный сдвиг рН межклеточной жидкости в кислую сторону, что ведет к повышению растворимости солей кальция [23, 24, 36, 37, 59, 63, 64]. Секреция этих кислот увеличивается, в том числе под влиянием паратгормона, одного из системных регуляторов обмена этого элемента [59, 69]. Сдвиг метаболической активности остеоцитов под действием паратгормона запускает метаболический каскад, элементами которого являются увеличение выделения клетками органических кислот и растворение минерала стенок ЛКС. Соответственно растет поперечное сечение составных элементов этой системы полостей и повышается их пропускная способность для конвекционного потока жидкости. В результате увеличиваются и поступление к остеоцитам продуктов питания, и удаление шлаков. Одновременно эти клетки, удаляя избыток Са2+ из межклеточной жидкости и транспортируя его трансцеллюлярно в кровоток, участвуют в регуляции обмена кальция. Фаза формирования стенок ЛКС исследована с использованием иммунохимических, цитохимических и генетических методов и в результате установлено, что остеоциты продуцируют коллаген I типа, фибронектин, остеопонтин, остеонектин, остеокальцин, костный сиалопротеин, витронектин, тромбоспондин, дентин матриксный кислый фосфопротеин 1, костные морфогенные белки 2 и 4, матриксный экстрацеллюлярный фосфогликопротеин и фибриллины-1 и -2, а также другие компоненты матрикса [10, 16, 33, 34, 47, 53]. Взаимодействие этих молекул, происходящее экстрацеллюлярно, приводит к формированию органического матрикса на стенках ЛКС [23, 62], который в последующем минерализуется [14, 46], образуя зону повышенного обмена кальция. Третий иерархический уровень обмена кальция OOP представляет собой механизм обмена кальция третьего уровня и обеспечивает разрушение или формирование микроколичеств костной ткани на линии раздела кость — кровь. Как отмечено выше, и в настоящее время продолжают доминировать представления, что именно выделившиеся в процессе резорбции ионы Са2+ поступают в кровоток и играют ведущую роль в поддержании параметров гомеостаза [58, 73]. Остеокластная резорбция. В контексте настоящей работы необходимо отметить, что резорбция костного матрикса остеокластами происходит в зоне герметично закрытого компартмента, формирующегося прикреплением интегринов α плазмолеммы клетки к матриксу кости v β3 [74]. Выделяющиеся при этом протоны подкисляют среду в эрозионной лакуне, инициируя растворение минерала. В целом, механизмы ионного обмена остеокластов обеспечивают электрохимический баланс клетки во время резорбции. Этот баланс достигается скоординированной деятельностью ионных насосов, ионных каналов и нейтральных ионообменников, поддерживающих pH цитоплазмы и трансмембранный электрический потенциал в узком физиологическом диапазоне [21]. Используя сканирующую электронно-химическую микроскопию, C. E. M. Berger и соавт. [26] установили, что резорбтивная активность остеокласта продолжается, несмотря на присутствие чрезвычайно высокого содержания Ca2+ в пределах эрозионной лакуны. Исследования в режиме реального времени показали, что остеокласт действует как трубопровод для непрерывного освобождения Ca2+, концентрация которого в эрозионной лакуне составляет менее 2 ммолей. Увеличение содержания Ca2+ в среде, окружающей клетку вне лакуны, регулирует ее резорбтивную активность по принципу отрицательной обратной связи [26]. Как же в описанную выше систему направленной миграции ионов Са2+ вдоль электрохимических и химических градиентов включаются ионы, выделившиеся в результате резорбции остеокластами костных структур? По нашему мнению, существуют 2 варианта их направленной диффузии. Первый реализуется, когда концентрация Са2+ над остеокластом превышает ее значения в крови. В этих условиях ионы диффундируют в направлении кровеносных сосудов. Если же концентрация Ca2+ ниже, то он включается в потоки ионов, двигающихся от кровеносных сосудов в направлении кости. По-видимому, в условиях in vivo имеют место оба варианта, но роль каждого из них требует дальнейших исследований. Кроме того, нельзя исключить существование в зоне между сосудистой стенкой и клетками, покрывающими кость, гипотетического энергозависимого механизма переноса ионов Са2+ в направлении кровотока. Описанная выше иерархически организованная система механизмов обмена кальция между костью и кровью позволяет теоретически обоснованно рассчитать массу кальция, находящегося в состоянии постоянного обмена между костью и кровью в организме человека. Масса обменного пула кальция ранее была рассчитана R.E Rowland [66] на основании данных авторадиографии. Автор исходил из того, что у человека глубина обменного слоя составляет около 200 нм, а площадь поверхности каналов остеонов и питающих каналов совместно — 3 м2 и трабекул — 9 м2 [77]. На основании этих данных, расчетная масса обменного кальция находится в диапазоне 5–6,5 г [66]. Однако автор не учитывал площадь поверхности ЛКС, которая в скелете взрослого мужчины достигает 1200 м2 [77]. При проведении вычислений мы исходили из факта, что суммарная площадь каналов остеонов и питающих каналов, трабекул и ЛКС составляет 1212 м2 или 1212×104 см2. Используя данные о глубине обменного слоя, представленные R. E. Rowland [66] (200 нм или 2×10–5 см), получили, что объем костного матрикса, в котором кальций находится в состоянии постоянного обмена, составляет: 1212×104 см2×2×10–5 см = 242,4 см3. При дальнейшем расчете мы исходили из того, что масса костной ткани компактного вещества определяется приблизительно на 70% минералом (гидроксиапатит), 22% белками (90% коллаген I типа) и 8% воды. По объему минеральная и органическая фазы занимают по 40%, остальной объем занимает вода [76]. Следовательно, объем минерала равняется: 242,4 см3×0,4=97,0 см3. По нашему мнению, в зоне постоянного обмена структура минерального компонента ближе к аморфному фосфату кальция, т. е. CaHPO4 2H2O — дикальцийфосфат дигидрат (брушит) с удельной массой 2,32 г/см3 [6]. Отсюда масса минерала составляет: 97 см3 × 2,32 г/см3 = 225,04 г, а доля кальция в ней согласно формуле: 41/157×100 = 26%. Это позволяет рассчитать массу быстро обмениваемого кальция: 225,04 г × 0,26 = 58,5 г. Полученная нами величина более чем в 11 раз выше, чем представлено в литературе [66]. В этой связи необходимо отметить, что чем больше кальция находится в состоянии обмена, тем выше устойчивость этой обменной системы, а значит стабильность параметров кальциевого гомеостаза. Таким образом, в настоящей работе показано, что остеоциты, контролируя пространственновременную активность большинства известных механизмов перестройки архитектуры скелета (ООР, моделирование, остеоцитарное ремоделирование и др.), т. е. разрушение и формирование минерального матрикса, тем самым осуществляют контроль обмена кальция между костью и кровью. Механизмы этого обмена имеют не только иерархическую организацию, но и разъединены пространственно: первый уровень — обмен происходит на линии раздела между костью и кровью, без разрушения костного матрикса, путем энергонезависимой парацеллюлярной диффузии Са2+ из крови в кость и энергозависимого трансцеллюлярного перемещения Са2+ из кости в кровь; второй уровень — обмен Са2+ происходит на линии раздела костный матрикс — межклеточная жидкость путем остеоцитарного ремоделирования при резорбции или формировании матрикса стенок ЛКС; третий уровень — включает в себя механизмы ООР, действующие на линии раздела кость — кровь путем резорбции костного матрикса остеокластами и его отложения остеобластами.

About the authors

A. S. Avrunin

R. R. Vreden Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopedics

Email: a_avrunin@mail.ru

L. K. Parshin

St. Petersburg State Polytechnical University

Email: kafedra@ksm.spbstu.ru

References

Supplementary files