Лучевая диагностика состояния костной системы космонавтов

ЛУЧЕВАЯ ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ КОСТНОЙ СИСТЕМЫ КОСМОНАВТОВ

В.С.Оганов, А.В.Бакулин, В.Е.Новиков, О.Е.Кабицкая, Л.М.Мурашко ГНЦ РФ Институт медико-биологических проблем РАН

Представлен обзор результатов собственных исследований состояния костной ткани человека при недостатке механической нагрузки (космический полет, гипокинезия). Направленность и выраженность изменений костной массы в различных сегментах скелета зависят от их положения в векторе гравитации. Теоретически ожидаемое уменьшение костной массы обнаружено в трабекулярных структурах костей нижней половины скелета, что в единичных случаях квалифицируется как локальная остеопения. В верхней половине скелета наблюдается возрастание СКМ, что рассматривается как вторичная реакция и обусловлено перераспределением жидкостных сред организма в краниальном направлении. Основной причиной остеопении является дефицит механической нагрузки. Приведены аргументы, позволяющие в качестве основных механизмов остеопении рассматривать: остеоцитарный остеолизис, замедление остеобластического гистогенеза, остеокластическую резорбцию, провоцируемую перестройкой в иерархии систем волюмо- и ионорегуляции и эндокринной регуляции кальциевого гомеостаза.

Введение

Ретроспективный анализ исследований в эволюционной и сравнительной физиологии [1] подтверждает наличие явной зависимости удельной массы скелета наземных животных от размеров и массы их тела (принцип подобия Галилея) и отсутствие таковой у обитателей водной среды, где выталкивающая сила противодействует силе земного тяготения. Важно, что и во взрослом состоянии наземные животные также весьма чувствительны к механической стимуляции. При этом морфологические и физиологические модификации тканей и органов у взрослых животных, возникающие под влиянием меняющихся функциональных требований, принято называть функциональной адаптацией [2].

На основе сказанного следовало ожидать, что при недостатке механической нагрузки (космический полет) в результате адекватного адаптивного ремоделирования костной ткани ее масса будет уменьшаться. Отсюда актуальность проблемы: теоретически ожидаемая остеопения (дефицит костной массы) у космонавтов может существенно лимитировать длительность пилотируемых космических полетов.

В работе представлен систематизированный обзор результатов исследований, основной целью которых было, с одной стороны, получить ориентиры для клинической оценки постгипогравитационной остеопении и, с другой - представить новые данные о возможных механизмах развития остеопенического синдрома.

Полагая, что настоящий анализ может представить интерес для клиники, напомним, что остеопороз, представляющий потенциальную опасность в невесомости, - это заболевание полиэтиологической природы, выражающееся уменьшением костной массы в организме, изменением структуры костей и снижением их прочности и способности противостоять механическим нагрузкам, в связи с чем существенно повышается риск перелома костей. Переломы костей на почве остеопороза, как правило, с трудом поддаются лечению. Высокую медико-социальную значимость проблеме придает широкая распространенность заболевания и значительная стоимость лечения и медицинской и социальной реабилитации таких больных.

Объекты и методы исследований

Систематизированы результаты почти 20-летнего изучения состояния костной ткани человека после космических полетов различной продолжительности. Проведен выборочный анализ по результатам до и послеполетных обследований космонавтов (п=21-31) в возрасте 33-53 лет - участников экспедиций на российской ОС «Мир» длительностью 5-7 мес., а также участников 15 экспедиций на международной космической станции (МКС) сопоставимой длительности (п=18).

Кроме того, около 10 лет обследуются здоровые люди и амбулаторно наблюдаются пациенты, страдающие остеопорозом различной этиологии.

Для изучения состояния костной ткани у человека использовали современные неинвазивные технологии измерения костной массы - остеоденситометрию: количественная компьютерная томография - ККТ, двухфотонная радионуклидная абсорбциометрия - ДФА и двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия (dual energy x-ray absorbtiometry - DXA). Основная масса обследований космонавтов и пациентов выполнена методом DXA на денситометре QDR-1000/W. (Hologic, США), предоставленном специалистами НАСА. Метод позволяет по величине поглощения ионизирующего излучения оценить проекционную минеральную плотность костной ткани (МПК, г/см2) и содержание костных минералов (СКМ, г) в любой интересующей области. Наличие двух энергетических областей в спектре излучения позволяет расчетным (программным) путем проводить раздельное вычисление МПК крупных звеньев скелета (череп, руки, грудные и поясничные позвонки, ребра, таз, ноги) и рассчитывать состав тела по параметрам СКМ, массы жировой ткани и тощей массы (региональный анализ по программе "Все тело"). Исследование клинически наиболее значимых областей (поясничного сегмента позвоночника, проксимального эпифиза бедренной кости) проводили с помощью специальной программы с более высокой разрешающей способностью (субрегиональный или локальный анализ).

Обследуемый находился в положении лежа на спине. Продолжительность стандартного исследования составляла 70 мин. Суммарная лучевая нагрузка - не более 0,01 мЗв. Точность измерения составляла ±(0,5-1) % по локальным программам и ±(1,5-2) % по программе "Все тело".

Результаты исследований и их обсуждение

Как было показано ранее [3, 4] направленность, выраженность и локализация изменений МПК после космических полетов в различных участках скелета зависят от их положения относительно вектора гравитации с коэффициентом корреляции r=0,904. Закономерно снижение МПК (уменьшение костной массы) в сегментах нижней половины скелета, где среднегрупповые потери минеральной плотности за полет составили в поясничных позвонках: -5,63±0,817%, проксимальном отделе бедра, в частности - в шейке бедренной кости: -8,17±1,24% и в костях таза: -11,99±1,22%.

В сегментах верхней половины скелета (кости черепа, руки, ребра, иногда шейные и грудные позвонки) изменения МПК (в костях черепа - СКМ) либо отсутствуют, либо имеют положительную тенденцию. В зависимости от особенностей анализа изменения минеральной массы в костях черепа за время полета могут составлять до +3,27±0,78%. Этот феномен рассматривается как вторичная реакция и отражение закономерного в условиях невесомости перераспределения жидкостных сред организма в краниальном направлении.

Сложность анализа не в последнюю очередь связана с тем, что выраженность изменений (и, иногда, их направленность) даже в нижних сегментах скелета весьма различаются индивидуально. Индивидуальный характер имеет также соотношение изменений МПК в разных сегментах скелета при повторных полетах одного и того же космонавта сопоставимой длительности независимо от типа космического аппарата (ОС МИР или МКС).

Клинико-физиологическая оценка обнаруженных изменений учитывает регламент ВОЗ, дифференцирующий остеодефицитные состояния у человека по признаку МПКТ в сравнении с ее "пиковыми" значениями в молодом возрасте в значениях стандартной девиации (SD) для популяционной нормы США (Т-критерий) [5]. По данному критерию за норму приняты значения МПК в пределах ±1 SD. Значения МПК от -1 SD до -2,5 SD принято обозначать как остеопения

(дефицит костной массы) и дополнительное уменьшение показателя ниже -2,5 SD -как остеопороз. С учетом сказанного можно констатировать, что среднегрупповые значения уменьшения костной массы у космонавтов за полет в сегментах нижней половины скелета, как правило, не выходят за пределы «нормы». Однако у отдельных лиц, как правило, с исходно низкой МПК и потерями, не превышающими среднегрупповые, ситуацию после полета квалифицировали как локальную остеопению.

С клинической точки зрения предметом особого внимания должна быть высокая скорость развития остеопении, поскольку это обстоятельство увеличивает риск перелома костей, как свидетельствуют результаты наших клинических наблюдений [6].

Восстановление костной массы у космонавтов после полетов данной длительности происходит спонтанно в процессе общих реабилитационных мероприятий, и это требует, как установлено, значительного времени (1 - 3 года) [4]. Тем не менее, эту скорость репарации костной массы следует считать достаточно высокой, поскольку в клинике при остеопорозе, развивающемся с такой же или даже меньшей скоростью, восстановление если и происходит, то лишь частичное и требует значительных терапевтических вмешательств и большего времени.

Был проведен предварительный анализ возможного участия различных уровней и контуров регуляции механической и метаболической функций скелета и их роли в регуляции гомеостаза внутренней среды организма при развитии описанных изменений в условиях невесомости [4].

Во-первых, это - собственно костные механизмы, предполагающие сложное взаимодействие между собой клеток основных клеточных пулов костной ткани и, в первую очередь, остеоцитов, а вернее формируемой с их участием канальцево-лакунарной системы, которая обладает высокой метаболической и регуляторной активностью. Сюда же следует отнести систему взаимообмена Са2+ между кристаллической структурой, лабильным пулом аморфного кальция и интерстициальной жидкостью, составляющей содержимое каналикуло-лакунарной сети.

Следующий уровень - тканевых (внекостных) регуляторов, осуществляющих через нейрогуморальную систему взаимообмен субстратами и сигналами между костным интерстицием и тканями (органами) мишенями, регулируемыми Са2+ и участвующими в регуляции концентрации Са2+ во внутренней среде организма.

Наконец, это - иерархия взаимосвязанных систем волюмо- и ионорегуляции и сопряженная с ней эндокринная регуляция обмена Са2+ остеотропными гормонами

[7].

В случае невесомости, когда изменения внешнего механического поля сопровождается резким уменьшением циклических деформаций кости, теоретически оправдано и получены основания считать пусковым моментом адаптационной перестройки кости события, разворачивающиеся в остеоцитах и их отростках, образующих канальцево-лакунарную сеть. Согласно современным представлениям эта структура рассматривается как основное звено механосенсорной системы костной ткани. Такую же роль может играть изменение и других внутрикостных механизмов, которые предполагают взаимообмен Са2+ между кристаллизованными минералами, аморфным кальцием и интерстициальной жидкостью. Направление и интенсивность этого обмена определяется в каждый данный момент координированной активностью костных клеток, реализующих адаптивное ремоделирование костной ткани сообразно требованиям "внешнего механического поля".

С другой стороны, дефицит деформаций и микроразрушений может по принципу обратной связи снизить интенсивность тканевой (паракринной) стимуляции остеобластического гистогенеза и, таким образом, привести к замедлению костеобразования. Существенную роль в общей иерархии систем регуляции кальциевого гомеостаза в условиях невесомости могут играть изменения т.н. внекостных (тканевых) факторов регуляции (снижение емкости кальцийдепонирующих структур, всасывания кальция в кишечнике и реабсорбции в почечных канальцах). Наконец нельзя исключить, что определенные фазы перестройки систем волюмо- и ионорегуляции и эндокринной регуляции кальциевого гомеостаза могут дополнительно провоцировать остеокластно-остеобластную резорбцию [7].

В заключение мы сформулировали следующую гипотезу. В основе теоретически ожидаемой и реально подтвержденной локальной потери костной массы в условиях невесомости лежат: 1) активация резорбции остеоцитарной природы, как первичная реакция на исчезновение механического стресса кости; 2) замедление костеобразования в процессе адаптационного ремоделирования костной ткани; 3) дополнительная активация резорбции, по-видимому остеобластно-остеокластной природы, которая провоцируется перестройками в иерархии ионо- и волюморегуляции: последние могут иметь разную направленность на различных этапах полета.

1. Таирбеков М.Г., Климовицкий В.Я., Оганов В.С. Роль силы тяжести в эволюции живых систем (биомеханические и энергетические аспекты) // Изв. АН. Сер. биол. 1997. №5. С. 517-530.

2. Carter D.R., Wong M., Orr T.E. Musculoskeletal ontogeny, phylogeny and functional adaptation // J.of Biomechanics. 1991. V.24 (Suppl.1). P. 3-16.

3. Григорьев А.И., Оганов В.С., Бакулин А.В. и др. Клинико-физиологическая оценка изменений костной ткани у космонавтов после длительных космических полетов // Авиакосм. и экологическая медицина. 1998. №32. С. 21-25.

4. Оганов В.С, Костная система, невесомость и остеопороз. М."Слово": 2003. 260с.

5. Kanis J.A., Melton L.J., Christiansen C., et al. The diagnosis of osteoporosis // J. Bone Mineral Res. 1994. V.9. P. 1137-1141.

6. Оганов В.С., Бакулин А.В., Чернихова Е.А., Мурашко Л.М. Денситометрическая оценка частоты переломов поясничных позвонков при остеопении различной выраженности и этиологии // Второй рос. симп. по остеопорозу. Тез. лекций и докл. Екатеринбург. 1997. С. 81-82.

7. Григорьев А.И., Воложин А.И., Ступаков Г.П. Минеральный обмен человека в условиях невесомости // Проблемы космической биологии. Т. 74. М.: Наука. 1994.

RADIOLOGICAL DIAGNOSIS OF THE COSMONAUTS SKELETON STATE

V.S.Oganov, A.V.Bakulin, V.E.Novikov, O.E.Kabitskaya, L.M.Murashko

A summary of results of investigations by the author and a brief review of some literature data on human bone tissue deprived of mechanical loading (spaceflight, hypokinesia) is given. The direction and markedness of changes in bone mass—the bone mineral density and the bone mineral content—in different skeletal segments depend on their position relative to the gravity vector. A theoretically expected bone mass reduction was revealed in the trabecular structures of the bones of the lower part of the skeleton and in some cases was qualified as local osteopenia. In the upper part of the skeleton, an increase in the bone mineral content is observed, which is considered as a secondary response and is due to redistribution of body fluids cephalad. The main cause of osteopenia is mechanical unloading. Arguments are presented that osteocyte osteolysis. delayed osteoblast histogenesis. And osteoclast resorption provoked by rearrangement in the hierarchy of the systems of volume regulation, ion regulation, and the endocrine regulation of calcium homeostasis are the main mechanisms of osteopenia.