Журнал «Травма» Том 14, №6, 2013

Вступ

На сьогодні під недосконалим остеогенезом (НО) розуміють генетично зумовлене системне захворювання сполучної тканини, в основі якого лежать складні процеси порушення ремоделювання кістки з розвитком системного остеопорозу та виникненням патологічних переломів кісток, їх осьових деформацій, інвалідизації та соціальної дез­адаптації пацієнтів [1–3].

До етіологічних чинників та патогенетичних ланок НО відносять різноманітні мутації генів, що кодують колаген I типу та призводять до його спотвореного синтезу й порушення формування органічної основи кісткової тканини та її мінералізації. Сьогодні ідентифіковано понад декілька сотень різноманітних мутацій (точкові, делеції, інсерції тощо), що призводять до виникнення НО [4–7].

Ремоделювання кісткової тканини включає два різнонаправлені процеси: кісткоутворення та остеорезорбцію, що пов’язані між собою та відповідають за кількість та якість кісткової маси. На кількість кісткової маси впливає баланс між остеорезорбцією та кісткоутворенням в середині одиниці ремоделювання (ОР) та чисельність ОР, що активуються в даний час у відповідній ділянці кістки. Як установлено останніми дослідженнями, порушення саме цих фундаментальних основ ремоделювання кісткової тканини відіграє провідну роль у розвитку НО [2–4, 6].

Незважаючи на те, що науковці одностайно підтверджують факт порушення ремоделювання при НО, вони розходяться в думці щодо переваги тих чи інших процесів метаболізму кісткової тканини: деякі з них (Marini J.C., Bordenick S. et al., 1993) зауважують про зниження рівня кісткоутворення та остеорезорбції, інші (Braga V., Gatti D., Rossini M., 2004) вказують на нормальні показники. На глибинні порушення процесів формування кісткової тканини вказують і гістоморфометричні дослідження кісткової тканини канадських та російських учених, які свідчать, що більша частина остеобластів при НО має зменшену кількість ендоплазматичного ретикулуму на відміну від здорової кістки, цими дослідниками встановлена наявність дефектів в усіх трьох механізмах, що звичайно призводять до збільшення кісткової маси: моделювання розмірів та форми зовнішньої кістки, відновлення трабекулярної та енхондральної осифікації, потовщення трабекул [8–11].

На сьогодні нові знання, які здобула наукова спільнота при дослідженні етіології й патогенезу недосконалого остеогенезу, органічної та мінеральної основ кісткової тканини при цьому захворюванні, у тому числі структури колагена I типу і дериватів його метаболізму та нові можливості застосування сучасного біохімічного (кісткових маркерів III та IV покоління) та гістоморфометричного арсеналу наштовхують дослідників на пошуки нового погляду на процеси ремоделювання кісткової тканини та її метаболізм [12–15].

В аспекті усього вищевикладеного ми вважали за доцільне провести дослідження процесів ремоделювання кісткової тканини та її метаболізму в пацієнтів із НО з використанням усього спектра кісткових маркерів III та IV покоління та відповісти на такі питання: чи є зміненою швидкість кісткового ремоделювання? І якщо це так, то наскільки ця зміна виражена? Наскільки кісткоутворення та остеорезорбція є порушеними: зниженими або посиленими та чи існує між ними в умовах кісткової тканини, що патологічно утворюється, дисбаланс, наскільки він виражений, та який з основних процесів ремоделювання переважає над іншим? Чи страждає при НО утворення лише колагену I типу і якщо ні, то яке в цих складних процесах місце займає порушення утворення інших білків, наприклад неколагенових? Також доцільним є встановлення порушень анаболізму та катаболізму колагену I типу і ступінь порушення мінералізації органічної основи кісткової тканини.

Відповідь на поставлені питання, на наш погляд, дозволить впритул підійти до створення патогенетично обґрунтованої медикаментозної терапії порушень структурно-функціонального стану кісткової тканини в пацієнтів із НО та в подальшому хірургічної корекції ортопедичної патології.

Матеріал та методи

Під нашим спостереженням у ДУ «ІТО НАМНУ» з 2009 по 2013 рік були 34 хворі з НО, у яких в умовах відділу біохімії досліджувалось ремоделювання кісткової тканини та її метаболізм за допомогою вимірювання маркерів III покоління, та 22 пацієнти, яким проводили дослідження кісткового метаболізму за допомогою маркерів IV покоління. Розподіл за типами НО проводили лише пацієнтам, у яких досліджували маркери IV покоління: 7 хворих — із І типом НО, 13 — із ІІІ, 2 — із ІV типом НО за D. Sillence (1982).

У сиpоватцi кpовi пацієнтів із НО, у яких досліджували маркери III покоління, визначали активнiсть колагенази та лужної фосфатази, у сечі — фракцiї гiдpоксипpолiну. Для їх визначення були викоpистанi такі методики: метод S. Lindy, J. Halme (1973) дозволив визначати активність колагенази шляхом вимірювання кількості оксипpоліну, відщепленого від субстpату під дією колагенази сироватки кpові. Інкубацію проводили пpи +37 °С за наявності іонів кальцію і pН 7,54. Активність колагенази виpажали у мікромолях оксипpоліну на літр за годину. Як субстрат використовували колаген вітчизняного виробництва [16]. Визначення лужної фосфатази в сиpоватцi кровi проводили за методом А. Бодански [17]. Метод заснований на здатностi феpменту гiдpолiзувати ефipний зв’язок у b-глiцеpофосфатi із звiльненням неоpганiчного фосфоpу, кiлькiсть якого свідчить пpо активнiсть феpменту; фpакції гідрокcипpоліну виділяли за методом S. Frey (1965), а визначали їх за методом H.J. Stegemann (1952). Метод заснований на визначенні оптичної щільності червоного хpомогену в pезультаті окислення й декаpбоксилювання вільної амінокислоти і конденсації пpодуктів окислення паpадиметиламінобензальдегідом. Гідроксипpолін окислювали хлоpаміном Б. Концентpацію виpажали в мкмоль/л [18, 19].

Дослідження ремоделювання кісткової тканини за допомогою маркерів кісткового обміну IV покоління проводили згідно з рекомендаціями Міжнародної організації остеопорозу (International Osteoporosis Fundation) шляхом імуноферментного аналізу на аналізаторі Elecsys фірми Roche в умовах лабораторії відділу клінічної фізіології та патології опорно-рухового апарату ДУ «Інститут геронтології НАМН України». Маркери кісткового ремоделювання вивчали шляхом використання хемілюмінесцентного методу на аналізаторі Eleсsys 2010 (Roche Diagnostics, Німеччина) за допомогою тест-систем cobas. Також досліджували рівень 25(ОН) вітаміну D як маркера гормональної ланки ремоделювання кісткової тканини та рівня Са сироватки крові. Серед маркерів кісткоутворення визначали пропептиди проколагену І типу (P1NP), стан остеорезорбції відображав рівень СТх у сироватці крові. Рівень остеокальцину (ОС) визначали з метою оцінки швидкості ремоделювання кісткової тканини.

Результати та обговорення

Дослідження маркерів кісткового обміну III покоління встановлювали, що активнiсть колагенази в пацієнтів із НО сягає 122 % порівняно з нормою, що в абсолютних цифрах становило 3,84 ± 0,10 мкмоль/л • год, норма — 3,14 ± 0,04 мкмоль/л•год (табл. 1, рис. 1).

Поряд із підвищенням активності колагенази, ферменту, що бере участь у катаболічній фазі метаболізму колагену, дещо збільшилися вміст вільної фракції гідроксипроліну (біохімічного маркера розпаду білка колагену) та його білковозв’язаної фракції (маркера синтетичної фази метаболізму колагену), що становило 108 і 103 % відповідно (табл. 1, рис. 2, 3). Підвищення рівня колагенази, на наш погляд, може свідчити про посилення процесів остеорезорбції та «бажання» організму посилити деградацію неякісного колагену.

Підвищення рівня вільного гідроксипроліну також свідчить на користь посилення процесів остеорезорбції, хоча воно є і некритичним порівняно зі змінами маркера остеорезорбції CTx (IV покоління), що є підвищеним у деяких випадках у 3 рази (табл. 2, рис. 7).

Ми все ж таки віддаємо перевагу в оцінці остеорезорбції результатам аналізу CTx, бо достеменно відомо, що вільний гідроксипролін є неспецифічним маркером та відображає лише незначний відсоток резорбції кісткового колагену, тому що він наявний і в колагенах інших типів.

Вивчення активності лужної фосфатази в сироватці крові пацієнтів із НО встановило її значне зниження (0,86 ± 0,02 мккат/л) порівняно з нормою (1,89 ± 0,32 мккат/л), що становило 45 % (табл. 1, рис. 4).

Стосовно кісткової фракції лужної фосфатази потрібно зауважити, що сьогодні вона вважається ферментом, який відповідає за мінералізацію кісткової тканини та впливає на функцію остеобластів, і, на наш погляд, значне зниження її рівня (майже у 2 рази) свідчить про погіршення формування органічної основи та процесів її мінералізації і пояснюється тим, що потреба в мінералізації повноцінної кістки знижена у зв’язку зі зменшенням кількості останньої.

Таким чином, біохімічні дані, отримані при дослідженні сироватки крові хворих із НО, свідчать про метаболічні порушення в синтезі основного білка кісткової тканини — колагену I типу. Це підтверджують як активність ферментів, що беруть участь у метаболізмі колагену, — колагенази, так і рівень лужної фосфатази, що визначає функцію остеобластів та мінералізацію кісткової тканини (знижено більше ніж у 2 рази порівняно з фізіологічною нормою). Біохімічні маркери синтетичної та катаболічної фаз колагену також свідчать про порушення норм його фізіологічного метаболізму.

Дослідження маркерів кісткового обміну IV покоління (табл. 2) довело у всіх випадках значне підвищення усіх показників кісткового обміну: швидкості ремоделювання — остеокальцину; кісткоутворення — P1NP та кісткової резорбції — b-CrossLaps або СТх, проте рівень кісткоутворення завжди переважав над остеорезорбцією. При цьому слід зазначити, що ступінь зростання показників напряму залежав від типу НО та тяжкості ураження.

Так, нами встановлено, що інтенсивність кісткового обміну була значно підвищена та залежала від типу НО, рівень ОК при І та ІІІ типах був змінений суттєво, він коливався від 44,49 до 285,40 нг/мл та відповідав у середньому при І типі 101,28 нг/мл та при ІІІ — 169,07 нг/мл, що перевищувало норму у 2,2 та 4,2 раза відповідно (табл. 2, рис. 5).

Тільки у хворої віком 34 роки швидкість кісткового обміну зросла незначно (остеокальцин — 34 нг/мл), це пояснюється віковим сповільненням кісткового метаболізму. Рівень остеокальцину при ІV типі збільшувався та був вищим від нормативних показників у 2,5–3 рази.

Нами встановлено, що найбільш значимо підвищувався рівень P1NP; при І типі (272,42 нг/мл) у 2,7 раза, а при ІІІ (442,50 нг/мл) — майже в 5 разів, при ІV (528,95 нг/мл) — більше ніж у 5 разів (табл. 2, рис. 6).

Інтенсивність остеорезорбції за даними рівня Стх при І та ІІІ типах НО коливалася від 0,703 до 1,02 нг/мл та від 0,985 до 2,52 нг/мл і становила в середньому при І типі 1,152 нг/мл та при ІІІ — 1,333 нг/мл (табл. 2, рис. 7). Ці показники відповідали підвищенню рівня Стх при І та ІІІ майже у 2,5 раза від норми, при ІV типі дані були сумнівними у зв’язку з малою кількістю обстежень, але потрібно зауважити, що у 2 хворих із цим типом, які були обстежені, підвищення рівня резорбції було незначним — в 1,1 раза (табл. 2, рис. 7), що, мабуть, пов’язане із доброякісним варіантом клінічного перебігом цього типу захворювання.

Цікаві дані було отримано при визначенні рівня вітаміну D₃. Так, у 10 випадках рівень останнього був зниженим незначно — 10,0–42,35 нмоль/л, тоді як у другій половині обстежених рівень вітаміну D₃ був значно зниженим, особливо у пацієнтів із ІІІ типом (табл. 2, рис. 8). Зниження рівня вітаміну D₃ можливо пояснити знерухомленням пацієнтів та, відповідно, скороченим терміном їх знаходження на сонячному світлі. Також відомо, що рівень Са в сироватці крові пацієнтів із НО є нормальним, що свідчить про неушкодженість гормональної системи регулювання його рівня (паратгормон, кальцитонін) та опосередковано підтверджує той факт, що основна причина розбалансування метаболізму та порушень мінералізації кісткової тканини криється саме в генетичному ушкодженні процесів формування її органічної основи.

Таким чином, відмічається залежність ступеня підвищення рівня кісткоутворення, остеорезорбції та швидкості ремоделювання кісткової тканини від типу НО зі значно вираженим зростанням кісткоутворення. Зміни при доброякісних (І та ІV типи) типах НО були менш вираженими, ніж при злоякісному типі недосконалого остеогенезу (ІІІ тип). На нашу думку, отримані зміни можливо пояснити «бажанням» організму сформувати більшу кількість кісткової тканини у відповідь на її структурну та функціональну неповноцінність, проте на формування збільшеної кількості неякісної кісткової тканини організм відповідає посиленою остеорезорбцією цієї тканини. Зрозуміло, що всі ці зміни призводять до посилення швидкості ремоделювання кісткової тканини, відображенням якої є підвищення рівня остеокальцину при усіх типах НО, що свідчить також і про залучення до патогенезу недосконалого остеогенезу неколагенових білків.

Незважаючи на те, що отримані дані дещо супе­речать висновкам досліджень деяких закордонних фахівців, ми вважаємо, що в пацієнтів із НО наявні значні порушення та розбалансування кісткового метаболізму, а ступінь цих порушень прямо залежить від типу НО. Спільними рисами метаболічних змін для усіх типів є прискорення швидкості ремоделювання та підвищення рівня процесів кісткоутворення й остеорезорбції.

Висновки

1. Зміни біохімічних маркерів III покоління в пацієнтів із недосконалим остеогенезом вказують на порушення ремоделювання кісткової тканини, а саме кісткоутворення та остеорезорбції, розлади у фізіологічних процесах метаболізму колагену I типу, його катаболічної та синтетичної фази.

2. Підвищення рівня колагенази в сироватці крові у 1,22 раза свідчить про метаболічні порушення деградації основного білка кісткової тканини — колагену I типу, а зниження активності кісткової фракції лужної фосфатази майже у 2 рази в сироватці крові вказує на погіршення функціонування остеобластів та мінералізацію кісткової тканини.

3. Високий рівень маркера IV покоління остеокальцину при всіх типах захворювання в декілька разів у сироватці крові свідчить як про прискорення кісткового ремоделювання, так і про залучення до патогенезу недосконалого остеогенезу неколагенових білків.

4. Виявлене при всіх типах недосконалого остеогенезу у сироватці крові підвищення рівня маркера IV покоління P1NP у 5 разів свідчить про посилення процесів кісткоутворення, а підвищення рівня маркера IV покоління b-CrossLap у 2,5 раза про посилення процесів остеорезорбції.

5. Установлено, що вираженість змін кісткових маркерів IV покоління прямо залежить від типу захворювання: при І та ІІІ типах вони були значними, при ІV типі — незначні, а підсилення процесів кісткоутворення завжди переважає над підсиленням процесів остеорезорбції.