Согласно современным представлениям, ОП – один из вариантов изменения костного обмена. В основе его формирования лежат процессы ремоделирования.
Для облегчения понимания патогенеза ОП необходимо предварительно рассмотреть биохимию и метаболизм костной ткани.
Костная ткань по степени дифференцировки делится на зрелую или пластинчатую и незрелую; последняя – формирует скелет в эмбриогенезе. Отличительная черта зрелой костной ткани заключается в низкой клеточной плотности и упорядоченном расположении коллагеновых фибрилл, образующих пластинки. Выделяют кортикальную и трабекулярную костную ткань. Кортикальная кость выполняет в основном механическую и защитную функцию, а трабекулярная губчатая – метаболическую функцию.
Клетки костной ткани подразделяются на две группы:
- клетки остеобластного ряда (преостеобласты, остеобласты, остеоциты);
- клетки моноцитарного ряда (остеокласты).
Клетки костной ткани принадлежат к разным клеточным линиям, не имеющим во взрослом организме общих предшественников. Каждая из этих линий снабжена собственными стволовыми клетками – стволовыми гемопоэтическими и стволовыми остеогенными клетками соответственно.
Остеобласты представляют собой крупные клетки с базофильной цитоплазмой, основной фермент этих клеток – щелочная фосфатаза. Остеокласты – гигантские многоядерные клетки, их основной фермент – кислая фосфатаза.
Выделяют следующие функциональные свойства каждого вида клеток:
- преостеобласты служат источником остеобластов;
- остеобласты синтезируют основную массу органического матрикса;
- остеоциты формируют единую сеть костного органа, по которой осуществляется перемещение регуляторов, ионов, метаболитов и т.д.;
- остеокласты резорбируют костный матрикс.
Кость состоит из небольшого количества клеточных элементов и значительного по объему межклеточного вещества или костного матрикса, имеющего органическую и минеральную составляющие.
Большую часть органического матрикса составляют коллагеновые белки. Кроме того, здесь присутствуют неколлагеновые матриксные белки – остеонектин, остеокальцин, Gla-протеин и ростовые факторы – инсулиноподобный фактор роста I и II, фактор роста тромбоцитов, являющиеся позиционными регуляторами, и протеогликаны, которые влияют на метаболизм и дифференцировку клеток костной ткани (Holland P. et al., 1987). Поэтому органический матрикс выполняет не только опорную, но и регуляторную роль.
Минеральный матрикс составляет около 65% массы костной ткани. Его основными компонентами являются кристаллический гидроксиапатит и аморфный фосфат кальция. Минеральный матрикс служит основным депо кальция и фосфора в организме, в нем также содержится магний, натрий и другие микроэлементы.
Макроструктура костного матрикса высокостабильна. Однако в рамках существующей макроструктуры костной ткани протекают выраженные регенеративные процессы ее обновления. Таким образом, костная ткань представляет собой динамическую систему. На протяжении всей жизни человека в ней протекают процессы физиологической регенерации, представляющие собой процессы разрушения старой кости и образования новой, что составляет цикл ремоделирования. Один полный цикл ремоделирования костной ткани занимает приблизительно 100 дней. В норме количество новообразованной костной ткани эквивалентно количеству разрушенной. В отличие от этого при ОП разрушение кости не компенсируется ее формированием.
Ремоделирование костной ткани – многоуровневый процесс. Остеоцитарное ремоделирование обеспечивает перестройку костного матрикса только в окружающем остеоцит окололакунарном пространстве, а остеобластно-остеокластное – всего костного матрикса, структуры костного органа, его размеров и формы (Аврунин А.С. и др., 1998).
Зона активного ремоделирования возникает в области гибели остеоцитов в результате местных расстройств кровообращения в костном органе, обусловленных физическими нагрузками, а также нарушением нейроэндокринной регуляции. При нарушении микроциркуляции происходит количественное и качественное изменение спектра поступающих в остеоцит веществ и гуморальных регуляторов, а также неполное удаление шлаков, секретируемых клеткой, из околоклеточного пространства. Гибель остеоцитов создает условия для развития остеобластноостеокластного ремоделирования, поскольку в зоне гибели остеоцитов начинается дифференцировка моноцитов в остеокласты. Необходимым условием для дифференцировки клетки является контакт наружной мембраны моноцитов с костным матриксом. После контакта с костной тканью остеокласты начинают секретировать гидролитические лизосомальные ферменты (кислую и щелочную фосфатазу, лизоцим и др.), которые разрушают основную субстанцию костного органа и коллагеновые фибриллы. Этот процесс активируют металлопротеиназы; также процессом резорбции управляют сами продукты распада костного матрикса (Ca++, детрит органического матрикса и др.). Некоторые фрагменты деградации костного матрикса (непереваренные внутриклеточно фрагменты разрушения коллагена I типа и лизосомальные ферменты) выделяются в кровоток и экскретируются почками.
Затем в полость резорбции мигрируют клетки-предшественники, дифференцирующиеся в остеобласты. Последние синтезируют компоненты органического матрикса (остеокальцин, гликозоаминогликаны и молекулы коллагена), которые заполняют образовавшееся пространство. На образованном органическом матриксе начинает формироваться органический матрикс. В основе этого процесса лежит локальное увеличение концентрации остатков фосфорных кислот вследствие их отщепления от гексозофосфатов или глицерофосфатов основным ферментом остеобластов – щелочной фосфатазой.
Исследования последних лет, касающиеся открытия новых факторов некроза опухоли, их лигандов и рецепторов, позволили существенно расширить представления о развитии, дифференцировке и активности остеокластов. Речь идет об открытии группы факторов, имеющих важнейшее значение для нормального костеобразования. Трансмембранный лиганд – активатор костной резорбции, экспрессируемый на поверхности остеобластов (RANKL – лиганд активатора рецептора ядерного фактора транскрипции каппа В – receptor activation of NFkappaВ-ligand), связывается с рецептором (RANK-рецептором), находящимся на поверхности кроветворных клеток предшественников остеокластов. Следствием данного взаимодействия является индукция дифференцировки и созревания остеокластов. Показано, что экспрессия RANK чрезвычайно важна для нормального развития остеокластов. Третьим важнейшим фактором нормального развития остеокласта является остеопротегерин (OPG), гликопротеин, экспрессирующийся в различных тканях. Кроме того, остеопротегерин вырабатывается остеобластами (Leeuwn H.V. et al., 2009). ОРG подавляет остеокластогенез. Он выполняет роль ложного рецептора, с которым связывается RANKL, и, таким образом, ингибируется образование зрелых остеокластов, следовательно, подавляется костная резорбция. В экспериментальных исследованиях показано, что у мышей с отсутствующим геном OPG наблюдалось раннее развитие ОП, у взрослых мышей – переломы позвонков, кальцификация аорты и почечных артерий, что и служило причиной смерти (Торопцова Н.В., 2008).