Алюминий является важнейшим элементом в составе костной ткани
Кость, os, ossis, как орган живого организма состоит из нескольких тканей, главнейшей из которых является костная.
Химический состав кости и ее физические свойства.
Костное вещество состоит из двоякого рода химических веществ: органических (1/3), главным образом оссеина, и неорганических (2/3), главным образом солей кальция, особенно фосфорнокислой извести (более половины — 51,04 %). Если кость подвергнуть действию раствора кислот (соляной, азотной и др.), то соли извести растворяются (decalcinatio), а органическое вещество остается и сохраняет форму кости, будучи, однако, мягким и эластичным. Если же кость подвергнуть обжиганию, то органическое вещество сгорает, а неорганическое остается, также сохраняя форму кости и ее твердость, но будучи при этом весьма хрупким. Следовательно, эластичность кости зависит от оссеина, а твердость ее — от минеральных солей. Сочетание неорганических и органических веществ в живой кости и придает ей необычайные крепость и упругость. В этом убеждают и возрастные изменения кости. У маленьких детей, у которых оссеина сравнительно больше, кости отличаются большой гибкостью и потому редко ломаются. Наоборот, в старости, когда соотношение органических и неорганических веществ изменяется в пользу последних, кости становятся менее эластичными и более хрупкими, вследствие чего переломы костей чаще всего наблюдаются у стариков.
Строение кости
Структурной единицей кости, видимой в лупу или при малом увеличении микроскопа, является остеон, т. е. система костных пластинок, концентрически расположенных вокруг центрального канала, содержащего сосуды и нервы.
Остеоны не прилегают друг к другу вплотную, а промежутки между ними заполнены интерстициальными костными пластинками. Остеоны располагаются не беспорядочно, а соответственно функциональной нагрузке на кость: в трубчатых костях параллельно длиннику кости, в губчатых — перпендикулярно вертикальной оси, в плоских костях черепа — параллельно поверхности кости и радиально.
Вместе с интерстициальными пластинками остеоны образуют основной средний слой костного вещества, покрытый изнутри (со стороны эндоста) внутренним слоем костных пластинок, а снаружи (со стороны периоста) — наружным слоем окружающих пластинок. Последний пронизан кровеносными сосудами, идущими из надкостницы в костное вещество в особых прободающих каналах. Начало этих каналов видно на мацерирован-ной кости в виде многочисленных питательных отверстий (foramina nutricia). Проходящие в каналах кровеносные сосуды обеспечивают обмен веществ в кости. Из остеонов состоят более крупные элементы кости, видимые уже невооруженным глазом на распиле или на рентгенограмме, — перекладины костного вещества, или трабекулы. Из этих трабекул складывается двоякого рода костное вещество: если трабекулы лежат плотно, то получается плотное компактное вещество, substantia compacta. Если трабекулы лежат рыхло, образуя между собою костные ячейки наподобие губки, то получается губчатое, трабекулярное вещество, substantia spongiosa, trabecularis (spongia, греч. — губка).
Распределение компактного и губчатого вещества зависит от функциональных условий кости. Компактное вещество находится в тех костях и в тех частях их, которые выполняют преимущественно функцию опоры (стойки) и движения (рычаги), например в диафизах трубчатых костей.
В местах, где при большом объеме требуется сохранить легкость и вместе с тем прочность, образуется губчатое вещество, например в эпифизах трубчатых костей.
Перекладины губчатого вещества располагаются не беспорядочно, а закономерно, также соответственно функциональным условиям, в которых находится данная кость или ее часть. Поскольку кости испытывают двойное действие — давление и тягу мышц, постольку костные перекладины располагаются по линиям сил сжатия и растяжения. Соответственно разному направлению этих сил различные кости или даже части их имеют разное строение. В покровных костях свода черепа, выполняющих преимущественно функцию защиты, губчатое вещество имеет особый характер, отличающий его от остальных костей, несущих все 3 функции скелета. Это губчатое вещество называется диплоэ, diploe (двойной), так как оно состоит из неправильной формы костных ячеек, расположенных между двумя костными пластинками — наружной, lamina externa, и внутренней, lamina interna. Последнюю называют также стекловидной, lamina vftrea, так как она ломается при повреждениях черепа легче, чем наружная.
Костные ячейки содержат костный мозг — орган кроветворения и биологической защиты организма. Он участвует также в питании, развитии и росте кости. В трубчатых костях костный мозг находится также в канале этих костей, называемом поэтому костномозговой полостью, cavitas medullaris.
Таким образом, все внутренние пространства кости заполняются костным мозгом, составляющим неотъемлемую часть кости как органа.
Костный мозг бывает двух родов: красный и желтый.
Красный костный мозг, medulla ossium rubra (детали строения см. в курсе гистологии), имеет вид нежной красной массы, состоящей из ретикулярной ткани, в петлях которой находятся клеточные элементы, имеющие непосредственное отношение к кроветворению (стволовые клетки) и костеобразованию (костесозидатели — остеобласты и костеразруши-тели — остеокласты). Он пронизан нервами и кровеносными сосудами, питающими, кроме костного мозга, внутренние слои кости. Кровеносные сосуды и кровяные элементы и придают костному мозгу красный цвет.
Желтый костный мозг, medulla ossium flava, обязан своим цветом жировым клеткам, из которых он главным образом и состоит.
В периоде развития и роста организма, когда требуются большая кроветворная и костеобразующая функции, преобладает красный костный мозг (у плодов и новорожденных имеется только красный мозг). По мере роста ребенка красный мозг постепенно замещается желтым, который у взрослых полностью заполняет костномозговую полость трубчатых костей.
Снаружи кость, за исключением суставных поверхностей, покрыта надкостницей, periosteum (периост).
Надкостница — это тонкая, крепкая соединительнотканная пленка бледно-розового цвета, окружающая кость снаружи и прикрепленная к ней с помощью соединительнотканных пучков — прободающих волокон, проникающих в кость через особые канальцы. Она состоит из двух слоев: наружного волокнистого (фиброзного) и внутреннего костеобразующего (остеогенного, или камбиального). Она богата нервами и сосудами, благодаря чему участвует в питании и росте кости в толщину. Питание осуществляется за счет кровеносных сосудов, проникающих в большом числе из надкостницы в наружное компактное вещество кости через многочисленные питательные отверстия (foramina nutricia), а рост кости осуществляется за счет остеобластов, расположенных во внутреннем, прилегающем к кости слое (камбиальном). Суставные поверхности кости, свободные от надкостницы, покрывает суставной хрящ, cartilage articularis.
Читайте также: Сооружения из тканей пвх
Таким образом, в понятие кости как органа входят костная ткань, образующая главную массу кости, а также костный мозг, надкостница, суставной хрящ и многочисленные нервы и сосуды.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КОСТНОЙ ТКАНИ
Изучение химического состава костной ткани сопряжено со значительными трудностями, поскольку для выделения органического матрикса требуется провести деминерализацию кости. Кроме того, содержание и состав органического матрикса подвержены значительным изменениям в зависимости от степени минерализации костной ткани.
Известно, что при продолжительной обработке кости в разведенных растворах кислот ее минеральные компоненты растворяются и остается гибкий мягкий органический остаток (органический матрикс), сохраняющий форму интактной кости. Межклеточный органический матрикс компактной кости составляет около 20%, неорганические вещества – 70% и вода – 10%. В губчатой кости преобладают органические компоненты, которые составляют более 50%, на долю неорганических соединений приходится 33–40%. Количество воды сохраняется в тех же пределах, что и в компактной кости (Ю.С. Касавина, В.П. Торбенко).
По данным А. Уайта и соавт., неорганические компоненты составляют около 1 /4 объема кости; остальную часть занимает органический матрикс. Вследствие различий в относительной удельной массе органических и неорганических компонентов на долю нерастворимых минералов приходится половина массы кости.
Неорганический состав костной ткани. Более 100 лет назад было высказано предположение, что кристаллы костной ткани имеют структуру апатита. В дальнейшем это в значительной мере подтвердилось. Действительно, кристаллы кости относятся к гидроксилапатитам, имеют форму пластин или палочек и следующий химический состав – Са10(РО4)6(ОН)2. Кристаллы гидроксилапатита составляют лишь часть минеральной фазы костной ткани, другая часть представлена аморфным фосфатом кальция Са3(РО4)2. Содержание аморфного фосфата кальция подвержено значительным колебаниям в зависимости от возраста. Аморфный фосфат кальция преобладает в раннем возрасте, в зрелой кости преобладающим становится кристаллический гидроксилапатит. Обычно аморфный фосфат кальция рассматривают как лабильный резерв ионов Са 2+ и фосфата.
В организме взрослого человека содержится более 1 кг кальция, который почти целиком находится в костях и зубах, образуя вместе с фосфатом нерастворимый гидроксилапатит. Большая часть кальция в костях постоянно обновляется. Ежедневно кости скелета теряют и вновь восстанавливают примерно 700–800 мг кальция.
В состав минеральной фазы кости входит значительное количество ионов, которые обычно не содержатся в чистом гидроксилапатите, например ионы натрия, магния, калия, хлора и др. Высказано предположение, что в кристаллической решетке гидроксилапатита ионы Са 2+ могут замещаться другими двухвалентными катионами, тогда как анионы, отличные от фосфата и гидроксила, либо адсорбируются на поверхности кристаллов, либо растворяются в гидратной оболочке кристаллической решетки.
Органический матрикс костной ткани. Приблизительно 95% органического матрикса приходится на коллаген. Вместе с минеральными компонентами коллаген является главным фактором, определяющим механические свойства кости. Коллагеновые фибриллы костного матрикса образованы коллагеном типа 1. Известно, что данный тип коллагена входит также в состав сухожилий и кожи, однако коллаген костной ткани обладает некоторыми особенностями. Есть данные, что в коллагене костной ткани несколько больше оксипролина, чем в коллагене сухожилий и кожи. Для костного коллагена характерно большое содержание свободных ε-амино-групп лизиновых и оксилизиновых остатков. Еще одна особенность костного коллагена – повышенное по сравнению с коллагеном других тканей содержание фосфата. Большая часть этого фосфата связана с остатками серина.
В сухом деминерализованном костном матриксе содержится около 17% неколлагеновых белков, среди которых находятся и белковые компоненты протеогликанов. В целом количество протеогликанов в сформировавшейся плотной кости невелико.
В состав органического матрикса костной ткани входят гликозамино-гликаны, основным представителем которых является хондроитин-4-суль-фат. Хондроитин-6-сульфат, кератансульфат и гиалуроновая кислота содержатся в небольших количествах.
Принято считать, что гликозаминогликаны имеют непосредственное отношение к оссификации . Показано, что окостенение сопровождается изменением гликозаминогликанов: сульфатированные соединения уступают место несульфатированным. Костный матрикс содержит липиды, которые представляют собой непосредственный компонент костной ткани, а не являются примесью в результате недостаточно полного удаления богатого липидами костного мозга. Липиды принимают участие в процессе минерализации. Есть основания полагать, что липиды могут играть существенную роль в образовании ядер кристаллизации при минерализации кости.
Биохимические и цитохимические исследования показали, что остеобласты – основные клетки костной ткани – богаты РНК . Высокое содержание РНК в костных клетках отражает их активность и постоянную биосинтетическую функцию (табл. 22.1).
Своеобразной особенностью костного матрикса является высокая концентрация цитрата: около 90% его общего количества в организме приходится на долю костной ткани. Принято считать, что цитрат необходим для минерализации костной ткани. Вероятно, цитрат образует комплексные соединения с солями кальция и фосфора, обеспечивая возможность повышения концентрации их в ткани до такого уровня, при котором могут начаться кристаллизация и минерализация.
Кроме цитрата, в костной ткани обнаружены сукцинат, фумарат, малат, лактат и другие органические кислоты.
Читайте также: Дутый пуховик из ультралегкой ткани лапландия
Алюминий является важнейшим элементом в составе костной ткани
Алюминий занимает одно из ведущих мест среди важнейших металлов по уровню использования человеком [18]. На сегодняшний день алюминий относится к жизненно-важным микроэлементам, находящимся в организме в следовых количествах [21]. Суточная потребность организма человека составляет 35 — 49 мг алюминия [8].
Основными источниками поступления алюминия в организм являются пища, вода, атмосферный воздух, лекарственные препараты, возрастающее использование его соединений в пищевой промышленности — пищевые добавки, упаковочный материал, посуда [11].
В последнее время особую тревогу вызывает постоянно возрастающий уровень содержания алюминия и его соединений в окружающей среде, в том числе в питьевых источниках [16, 35]. Интерес изучения токсичности алюминия как металла обусловлен его широким распространением в земной коре (8,8 %), многообразием форм в биосфере, все более растущим антропогенным использованием в последнее время и разнообразностью патологических состояний, связанных с избыточным поступлением и дальнейшем его накоплением [1].
Результаты исследования
По данным ряда контролируемых научных исследований, концентрация алюминия в водных источниках находится в пределах от 2,5 до 121мкг/л [17]. Содержание металла и особенно его соединений в почвенных породах достигает 600 мг/кг и продолжающееся окисление этих пород способствует увеличению концентрации алюминия. Занимая третье место по распространенности в земной коре, алюминий содержится практически во всей воде природного происхождения. В естественных условиях, в воде возрастает его концентрация путем частичного растворении алюмосиликатов и глин, в результате антропогенной деятельности (авиационное, химическое, машиностроительное, нефтеперерабатывающее производство и т.д.), а также в атмосферных осадках и сточных водах [14].
На станциях водоочистки для коагуляции используют гидроксихлориды и сульфаты алюминия [28], а природные цеолиты зачастую применяют для фильтрации и конденционирования воды [13, 12]. Растущее окисление водоемов неуклонно ведет к уменьшению популяций гидробионтов. Одновременно происходит увеличение численности организмов, устойчивых к окислению. Таким образом, происходит нарушение всех уровней экосистемы — от первичных продуцентов и микроорганизмов до макроорганизмов, которые находятся в конечном звене трофической цепи [22, 7].
Все большее применение алюминий находит и в фармакологическом производстве, входя в состав антацидных препаратов, вакцин, а также наполнителей целого ряда нестероидных противовоспалительных препаратов, играя роль буфера [4].
По данным литературы, мнения разных авторов о влиянии алюминия на организм человека носят противоречивый характер. По сведениям одних, алюминий является абсолютно инертным металлом, тогда как другие приводят доказательства его токсичности. В 80-х годах прошлого столетия полагали, что алюминий абсолютно безвреден для человека, животных и растений. Предельно допустимая концентрация для организма может достигать 100 мг/кг, а для растений — до 250 мг/кг [11]. В исследованиях А. П. Кирющенкова и М. А. Тараховского (1990), принимаемые женщинами во время беременности во II-III триместрах, алюминий содержащие антациды, не оказывали негативного влияния на плод, а применение антацидов в период лактации не влияло отрицательно на ребенка [34]. Однако, несмотря на широкое использование, алюминий все же относится к токсическим металлам [40].
Токсичность алюминия и его соединений связывают с антагонизмом по отношению к кальцию [40] и магнию [23], фосфору, цинку и меди [27], а также со способностью образовывать соединения с белками и влиять на функции околощитовидных желез [41], накапливаться в почках, костной и нервной ткани [26].
Установлено, что в реакциях алюминия с ионами железа возникает конкурентное взаимодействие, посредством которого металл связывается с трансферрином, что позволяет в его составе проходить гематоэнцефалический барьер [43].
При изучении абсорбции хлорида алюминия в желудочно-кишечном тракте, выявлено, что наибольшее количество микроэлемента поглощается в толстом кишечнике при воздействии низких доз (в течение 4 месяцев по 0,2 ммоль/л), и в проксимальном отделе тонкого кишечника при воздействии цитрата в дозировке Al (0,2 ммоль/л) + цитрат (50 ммоль/л) [42].
Порядка 40 — 50 % всосавшегося микроэлемента, остается в организме. Выведение происходит в основном через кишечник (84-94%) и в меньшем количестве через почки (6-16%) [17]. Основными органами — мишенями в организме являются нервная ткань, кровь, костная система, почки, легкие, половая система, костный мозг и молочные железы [21].
На сегодняшний день обнаружено, что содержание алюминия в крови колеблется в пределах 0.024-0.070 мг/мл (в основном в сыворотке), легких до 0.59 мг/г, зубах — 0.33 мг/г, сердечной мышце 0.056 — 0.210 мг/г, скелетных мышцах — 0.015мг/г, головном мозге — 0.016 мг/г, с грудным молоком выделяется — до 0.01 мг/мл, в яичниках и семенниках — до 0.4 мкг/г. Наибольшее количество алюминия обнаружено в ногтях (до 0.93 мг/г) [19].
В клинической практике алюминиевой интоксикации выделяют наиболее значимые гематологические, неврологические и костные синдромы [31].
Еще в конце прошлого столетия, ряд авторов указывали на роль алюминия как экзогенного фактора в развитии анемии [44, 32]. Экспериментально доказана связь микроцитарной анемии с интоксикацией алюминием у животных с нормальной функцией почек, а также ухудшение показателей у животных с уже существующей нормоцитарной анемией в виде перехода последней в микроцитарную с ретикулоцитозом и снижение средней осмотической резистентности эритроцитов у животных с почечной недостаточностью [29].
При введении крысам 80 мг/кг гидроксида алюминия интраперитонеально в течение полугода было выявлено в первые два месяца увеличение показателей гемоглобина и гематокрита, а затем последующее снижение данных показателей. На всем протяжении эксперимента отмечалось снижение среднего объема эритроцитов, среднего содержания гемоглобина и свободного протопорфирина в эритроцитах, а также уменьшение показателей их средней резистентности [36].
Читайте также: Ткань для черного коктейльного платья
По мнению одних авторов, подобные механизмы объясняются конкурентным взаимодействием алюминия с железом в молекуле трансферрина [2]. Другие авторы объясняют это изменением функций мембран эритроцитов путем запуска окислительных процессов, вызванных воздействием активных форм кислорода и нарушением или истощением функций антиоксидантной системы защиты клеток при интоксикации солями алюминия [15].
Другой важной мишенью алюминия и его соединений является костная система. Механизмы влияния на костную ткань до конца не выяснены, но имеются предположения, что алюминий путем образования комплекса с цитратом, способен ингибировать рост кристаллов фосфата кальция, что в последствие снижает минерализацию остеоида [39]. Гистологически это подтверждается отсутствием активных остеобластов, а в клетках выстилающих поверхность кости не выявляется эндоплазматический ретикулум, появляются признаки нарушения ремоделирования костной ткани и в дальнейшем остеомаляции [25]. Имеются данные о возникновении рахита и остеопороза у ребенка в возрасте 8 месяцев, который получал в качестве антацида окись алюминия на протяжении полугода. В клинических и лабораторных данных была выявлена гипофосфатемия, которую связывали с интоксикацией алюминием [38].
Ряд авторов приписывает существенную роль алюминия в развитии нейродегенеративных изменений, а также непосредственно в возникновении болезни Альцгеймера [31].
Алюминий, переносимый трансферрином, через гематоэнцефалический барьер необратимо накапливается в нейроцитах, что неизбежно ведет к развитию энцефалопатии. Клинические проявления нейротоксического действия алюминия весьма разнообразны: это и судороги, и нарушения двигательной активности, снижение или потеря памяти, трудности в обучении, различные психопатические реакции, склонность к депрессии [5].
Так, в исследовании С. Еxley (1999) была озвучена «каскадная гипотеза» развития болезни Альцгеймера, где алюминий повышает полимеризацию белка амилоида и SDS — формы стабильных олигомеров (in vitro). Индуцированный алюминием белок амилоида имеет высокую степень сродства к поверхностной мембране нейроцита, а также этот белок оказался весьма токсичным и вызывал нарушения структуры и функции мембраны нейроцита (нейрональный гомеостаз кальция и нарушение митохондриального дыхания).
Токсичность алюминия в отношении иммунной системы практически не изучена. При его кумуляции происходит подавление функций макрофагальной системы, Т-лимфоцитов и В-лимфоцитов [33]. В определении влияния ионов алюминия на первичный Т-зависимый гуморальный иммунный ответ (введение мышам А1С13 х 6Н20 из расчета 402,4 мг/кг по 0,5 мл интраперитониально) через сутки были выявлены достоверные показатели иммунодепрессии, а также подавление антителообразование в сопровождении иммунной депрессии селезенки и тимуса [16]. Предполагают, что алюминий может быть одной из причин старческого клеточного иммунодефицита [20].
В настоящее время неуклонно растет интерес к взаимосвязи алюминия с оксидативной системой организма и перекисным окислением липидов (ПОЛ). Обнаружено, что активность супероксиддисмутазы в эритроцитах крыс, получавших в течение 1 месяца по 0,5 мг/кг AlCl3с пищей, неуклонно снижалась на протяжении всего эксперимента. Введение крысам различных концентраций хлорида алюминия перорально в течение 2 месяцев достоверно показало снижение активности каталазы — одного из основного фермента антиоксидантной защиты [24]. Было установлено, что при хронической интоксикации солями алюминия наблюдается расширение почечной лоханки, нередко встречается и «большая белая почка», как при отравлении тяжелыми металлами. У самцов крыс распространенно явление уретральных пробок при хронической интоксикации [3].
При исследовании репродуктивной системы у крыс при затравке солями алюминия, обнаружено снижение массы семявыводящего протока, эпидидимиса и семенников по сравнению с контрольной группой. При этом отмечалось снижение числа сперматозоидов на единицу массы ткани семявыводящего протока, прекращение созревания и увеличение патологических форм сперматозоидов в семенных канальцах с остановкой сперматогенеза, а также снижение оплодотворяющей способности [9, 37]. При введении самкам крыс соединений алюминия в последнем триместре беременности и во время лактации увеличивался процент мертворождаемости и снижению жизнеспособности потомства. Алюминий способен преодолевать плацентарный барьер и накапливаться в тканях и органах плода [3].
Таким образом, на основании изучения и синтеза литературных данных, ключевые патогенетические механизмы влияния алюминия и его соединений на организм человека еще до конца не изучены. Однако, отталкиваясь от полученных результатов более 50-летних экспериментальных исследований, можно предположить о существовании возможного многообразия клинико-морфологических проявлений токсичности алюминия и его соединений.
Проводя анализ данных литературы отечественных и зарубежных авторов, можно прийти к выводу, что в настоящее время один из самых распространенных металлов на земле оказывает токсическое действие на живые организмы в биосфере. Токсичность алюминия обусловлена все более обостряющейся проблемой «кислотных дождей», окислением почвенных пород, увеличивающимся антропогенным использованием в фармакологической, пищевой, химической, лакокрасочной промышленности и пр.
Опираясь на данные изученной литературы, можно предположить, что накопление алюминия в организме человека неизбежно ведет к структурно-функциональным нарушениям в крови, костной и нервной ткани, репродуктивной системе и в системе иммунного ответа. Существующий обширный научный экспериментальный материал может способствовать влиянию на разработку научно-обоснованных принципов и методов гигиенического нормирования соединений алюминия в окружающей среде, а также принципов организации производства на предприятиях. Широкий спектр токсического влияния алюминия на живые организмы требует серьезного контроля через плановые мониторинги здоровья у лиц, работающих или проживающих рядом с производством алюминия, а также постоянной оценки качества питьевых источников, что может служить рекомендацией для медико-профилактических служб.
Джиоев И.Г., д.м.н., профессор, профессор кафедры нормальной физиологии, зав. ЦНИЛ ГБОУ ВПО СОГМА Минздрава РФ, г. Владикавказ.
Урумова Л.Т., д.м.н., доцент кафедры патологической физиологии ГБОУ ВПО СОГМА Минздрава РФ, г. Владикавказ.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом