Сибирские ученые промоделировали, как в организме происходит патологическая кальций-фосфатная минерализация, и установили, что принятые сегодня методы лечения таких болезней, как остеопороз и атеросклероз, нуждаются в серьезной корректировке.
Откуда берутся кальцификаты?
«У нас есть данные, которые противоречат распространенным истинам. Например, в рекламе каждый день можно услышать: принимайте кальций, однако, как показало наше исследование и некоторые литературные данные, чаще всего оказывается, что бесконтрольное потребление кальция не только не на пользу, но и во вред. Если взять больных остеопорозом, то у них содержание этого элемента в крови часто вполне соответствуют нормальным показателям. Когда людей начинают пичкать им, возникает вопрос: а зачем? Надо искать, в чем на самом деле проблема», — рассказывает старший научный сотрудник аналитического центра Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН кандидат геолого-минералогических наук Анатолий Тихонович Титов.
Проект по изучению в ИГМ СО РАН кальций-фосфатной минерализации начался с того, что у физиков-лазерщиков из Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН и исследователей Сибирского федерального биомедицинского исследовательского центра им. академика Е.Н. Мешалкина возникла идея удалять кальцификаты, которые образуются на сердечных клапанах, с помощью лазера (если такой «камушек» попадет в кровоток, он может вызвать инсульт или инфаркт). Специалисты ИГМ СО РАН на сканирующем электронном микроскопе смотрели, в каком состоянии находятся кристаллы после воздействия излучением эксимерного лазера.
Сначала кальцификаты изучали на просвечивающем электронном микроскопе при очень больших увеличениях с использованием методов электронной дифракции. В ходе работы было сделано предположение, что эти структуры образовывались не там, где их нашли, а привнесены туда, вероятнее всего — из крови. В результате Анатолием Титовым совместно с работающем на тот момент в СФБМИЦ доктором медицинских наук Петром Михайловичем Ларионовым была разработана методика выделения и диагностики минерала гидроксилапатита в крови пациентов, пораженных кальцинозом, а затем и в крови здоровых доноров. В дальнейшем исследование велось на средства гранта Президиума СО РАН и еще трех проектов, поддержанных Российским фондом фундаментальных исследований. В нем участвовали также специалисты Института катализа СО РАН им. Г.К. Борескова доктор химических наук Александра Степановна Иванова и кандидат химических наук Владимир Иванович Зайковский.
Костные проблемы родом из крови
Гидроксилапатит вырабатывается в нашем организме естественным образом. Он необходим для роста костей и зубов, и он же участвует во многих распространенных патологиях — его излишки могут откладываться в различных органах, на сердечных клапанах, аорте и других артериях при атеросклерозе.
«Есть два процесса: рост кости и ее рассасывание. Если последнее начинает превалировать, неорганический компонент (фосфат кальция) в ней уменьшается, что приводит к увеличению хрупкости. Как говорит моя коллега, мы становимся как вазы: упал и разбился», — говорит Анатолий Титов.
Рост и ремоделирование кости происходят в течение всей жизни. После перелома сначала образуется органическая костная мозоль, состоящая из коллагеновых волокон, на которые затем осаждаются вырабатываемые организмом неорганические кристаллы гидроксилапатита. В это время как раз надо принимать кальций.
В научном сообществе до сих пор ведутся споры, где же именно «зарождается» минерал гидроксилапатит? По наиболее распространенной точке зрения, это происходит на клеточном уровне или обусловлено клетками. Анатолий Титов же утверждает, что основная часть этого минерала в нашем организме образуется в крови. Впервые обнаруженные нанокристаллы гидроксилапатита у здоровых доноров и экспериментальные данные позволили исследователям установить: кровь по своим физико-химическим параметрам является источником для возникновения этих кристаллов. Интересный парадокс: пересыщение по кальцию и фосфору в крови даже здорового человека достаточно, чтобы по законам термодинамики они там начали образовываться.
«Мы считаем: кристаллы гидроксилапатита в наноразмерах присутствуют у всех людей. Это процесс физиологический, но в некоторых случаях, когда защитные функции организма снижены (в результате инфекции, возрастной деградации тканей и так далее), они участвуют в патологической минерализации», — говорит Анатолий Титов.
Магний или кальций?
Исследователям удалось не только обнаружить кристаллы гидроксилапатита, но и получить их, моделируя ионный состав крови.
Если посмотреть на ионизированные элементы, содержащиеся в крови, то больше всего среди них кальция, фосфора, магния и хлорида натрия. Ученые заложили их в модель, добавили некоторые другие параметры (pH и температуру) и поначалу никаких минералов не получили. Затем стали отдельно смотреть, какова же роль каждого из этих элементов, в частности, — магния и хлорида натрия, про которые было известно, что они препятствуют появлению кристаллов. Оказалось: в эксперименте, при условиях нормальных показателей концентрации этих элементов в плазме крови, по отдельности как магний, так и хлорид натрия полностью подавляют образование гидроксилапатита. Но если в дело вмешивался белок альбумин, эффект был прямо противоположный (интересно, что альбумин является одновременно и ингибитором роста нанокристаллов гидроксилапатита — он не дает им разрастаться).
«Открытие, что растущая кость интенсивно потребляет плазменные белки альбумин и фетуин-А, было сделано еще в 1970-е годы. Также установлено: при деминерализации кости (необходимой для ее изучения), они из нее высвобождаются. На эти статьи имеется много ссылок, а почему так происходит, объяснения до сих пор нет, — рассказывает исследователь. — Какую роль играют альбумин и фетуин-А? Тут явно просится вывод, что они способствуют встраиванию неорганических по своей природе нанокристаллов гидроксилапатита в костную ткань, а когда эта минеральная часть убирается, высвобождаются как уже ненужные. Плазменные белки альбумин и фетуин-А, по сути, являются регуляторами формирования гидроксилапатита».
Моделирование показало, что магний (причем вовсе не выходящий за пределы нормальных показателей в крови) препятствует избыточной минерализации организма. Избыточный же кальций, наоборот, способствуют этой патологии. Несмотря на то, что последнее было доказано уже во многих научных работах, в медицинской практике кальций до сих пор назначается для лечения большого числа заболеваний.
«Например, у больных с почечной недостаточностью часто возникает патология — избыток фосфора в крови. Во многих клиниках во всем мире этот элемент компенсируют введением кальциевых препаратов, не понимая, что фосфор выпадает в виде кристаллов гидроксилапатита. Большое их количество будет способствовать патологической минерализации артерий», — рассказывает Анатолий Титов.
А в совместном исследовании с Новосибирским НИИ травматологии и ортопедии исследователем было установлено, что остеопороз может происходить не столько от нехватки кальция, как сегодня считается, а от того, что нарушается кровоток кости, идет зарастание сосудов даже на капиллярном уровне. Эти наросты большей частью органические (например, холестерин), однако гидроксилапатит здесь тоже активно участвует. Всё это приводит к тому, что образующиеся в крови нанокристаллы из-за склеротических явлений в кровеносных сосудах кости не могут участвовать в ее росте.
«Сегодня известно: остеопороз и атеросклероз — это два связанных друг с другом заболевания. Дискуссионным является, что же из них первично? Мы своей работой ответили, что второе: сначала идет зарастание сосудов, в результате роста кости нет, а процессы рассасывания присутствуют», — комментирует исследователь.
Диана Хомякова
Фото предоставлены Анатолием Титовым
