Структурная организация и регенерация костной ткани

Вместе с коллагеном кристаллы гидроксиапатита формируют сложную прочную архитектуру костной ткани, обладающей огромной активной поверхностью, составляющей около 130-270 м2 на 1 г матрикса, площадь которой у взрослого человека может достигать 2000 км2. Микроэлементы выступают в роли катализаторов или активаторов ферментов, гормонов, витаминов с других биоактивных молекул. В костной ткани обнаружено свыше 30 микроэлементов. Так, магний и цинк являются активаторами щелочной фосфатазы. Избыток бериллия, алюминия, марганца и стронция приводит к развитию рахитоподобных состояний. Стронций конкурирует с кальцием за место в кристаллах ГАП. В губчатой кости стронция в 3 раза больше, чем в компактной. Магний, барий и кобальт могут встраиваться в структуру ГАП, изменяя его физико-химические и биологические свойства. Из этого можно заключить, что изменяя микроэлементный состав костной ткани, можно целенаправленно воздействовать на ее состояние (Касавина Б.С, Торбенко В.П., 1979; Корбридж Д., 1982).

Органическая часть костного матрикса состоит из коллагена (98%) и неколлагеновых белков (2%). Однако именно коллаген является основным строительным белком костной ткани, определяющим ее конструкцию, прочность, упругость, жесткость, устойчивость к нагрузкам и деформациям. Коллаген - сложный белок, состоящий из трех про-α-цепей. Длина спиралей около 300 нм, диаметр 1,5 нм. В настоящее время известно около 17 видов коллагенов, среди которых в костной ткани наиболее распространены I (около 90-95%) и V (около 5%) (Афанасьев Ю.И., Юрина Н.А., 1999; Данилов Р.К., 2006).

Тип I образует видимые фибриллы с периодичностью 67 нм. Волокна синтезируются остеобластами, фибробластами, гладкомышечными клетками, эпителием. Длительность секреции коллагена в остеобластах от момента начала сборки молекулы до включения его в структуру костного матрикса составляет около 35 часов. Молекулы проколлагена накапливаются в везикулах остеобластов и секретируются во внеклеточное пространство в виде тропоколлагена, молекулы которого при сборке фибрилл выстраивают параллельно расположенные цепи последовательно конец в конец и сторона к стороне таким образом, чтобы между головными и концевыми участками оставалась щель диаметром около 35 нм. Каждая молекула в цепи смещена относительно молекулы в соседней цепи на четверть ее длины, что морфологически определяется в виде поперечной исчерченности волокон. Этим достигается конструктивная прочность, упругость и эластичность соединения. Коллагеновая сеть, состоящая из многочисленных волокон, погружена в макромолекулярные агрегаты протеогликанов и тесно взаимодействует с межклеточным матриксом и кристаллическими молекулами гидроксиапатита, образуя прочную биомеханическую систему (Carneiro J., Leblond С. et al., 1959).

Необходимо отметить, что коллагеновые волокна в костной ткани имеют строго определенную ориентацию. В компактной части трубчатых костей коллагеновые волокна входят в состав концентрических костных пластинок остеона, вставочных пластин и костных трабекул. Как правило, в составе остеона коллагеновые волокна располагаются в виде концентрических слоев, расположенных под определенным углом друг к другу, что обеспечивает биомеханическую устойчивость системы (Хэм А., Кормак Д., 1983; Данилов Р.К., 2006; Аврунин с соавт., 2010).