Журнал «Боль. Суставы. Позвоночник» 3 (03) 2011

Вертебральні переломи внаслідок остеопорозу є значною медичною проблемою, особливо в людей літнього віку. Вони становлять близько половини всіх остеопоротичних переломів та суттєво впливають на якість життя пацієнта (Oleksik, 2005). Однак наведені дані занижують їх важливість. Якщо врахувати, що лише один із чотирьох переломів стає клінічно значимим, інші через відсутність рентгенівського обстеження або недостатність класичних симптомів захворювання (Ensrud, 1999) взагалі не діагностуються (Delmas, 2005).

Важливо зазначити, що є надзвичайно велика кількість пацієнтів, у яких зростає число переломів тіл хребців після першого перелому. Протягом першого року після отриманого перелому ризик отримати новий перелом становить 20 % (Lindsay, 2001). Інші дослідники відмічають зростання ризику наступного перелому тіла хребця в 4–7 разів (Lunt, 2003; Ross, 1991; Ross, 1993).

Вертебральні переломи впливають на фізичні, психосоціальні показники та функціонування системи охорони здоров’я. Вплив переломів, що недавно виникли, ще важливіший (Ensrud, 1997; Gabriel, 2002; Lindsay, 2005; Pluijm, 2000; Watts, 2003). Тому пріоритетними завданнями для клініцистів є виділення групи пацієнтів, які мають високий ризик перелому, та попередження його. Хоча вимірювання мінеральної щільності кісткової тканини (BMD) певних ділянок скелета широко використовується та показник BMD відображає цілісність та якість кісткової тканини, дуже важко спрогнозувати ризик наступного перелому, навіть використовуючи показники BMD, отримані за допомогою двофотонної рентгенівської абсорбціометрії (DEXA). Перелом тіла хребця після мінімальної травми вказує на критичну крихкість на інших ділянках хребта. Виникнення вертебральних переломів буде спостерігатися до того часу, поки адекватна терапія не покращить міцність кісткової тканини.

Вертебральні переломи призводять до зниження росту, появи функціональних порушень, болю в грудному та поперековому відділі хребта (Health, 2004). Рання діагностика втрати кісткової маси є важливим предиктором вертебральних переломів. Проблемою ранньої діагностики є те, що остеопороз хребта є взагалі безсимптомним, та перший перелом наявний ще до того, як пацієнт звертається до лікаря.

Поширені методи діагностики остеопорозу хребта фокусуються на вимірюванні мінеральної щільності кісткової тканини та не включають оцінку інших параметрів якості кісткової тканини, таких як архітектура кістки, тканинні характеристики та ступінь мікротравм.

Вплив акумуляції мікротравм є ще одним аспектом якості кісткової тканини та не може бути виміряним шляхом дослідження BMD. Доведено, що мікротравми знижують механічну діяльність губчастої кістки (Wenzel, 1996). Проте ще слід довести, що акумуляція мікротравм пов’язана з остеопоротичною втратою кісткової тканини в тілі хребця. Використання діагностичної техніки, яка б враховувала всі аспекти якості кісткової тканини, було б дуже корисним. Методи відтворення зображень і комп’ютерні технології постійно розвиваються та зможуть показати шлях до кращого розуміння змін якості кісткової тканини. Прикладом є мікро-КТ з об’ємним зображенням, яка базується на мікромоделюванні кінцевих елементів (van Rietenbergen, 1995).

М. Bouxsein визначив якість кісткової тканини як «сукупність властивостей та характеристик, які впливають на здатність кістки протистояти перелому» (Bouxsein, 2003). Це поняття включає мінеральну щільність кісткової тканини, архітектуру кістки та внутрішні фактори тканини, які формують (нарощують) кістку. Інші науковці описали якість кісткової тканини як характеристику кістки, яка не включає мінеральну щільність та впливає на ризик перелому (Hernandez, 2006). Останнє визначення з’явилося після отриманих даних, що міцність кістки не залежить від мікроархітектурних властивостей тканини (Ciarelli, 2000; Ulrich, 1999), таких як ступінь мінералізації (Boivin, 2000), акумуляція мікротравм (Keaveny, 1994; Wang, 2006), які впливають на ризик. Незважаючи на це, втрата кісткової маси є дуже суттєвим фактором для діагностики підвищеного ризику переломів, та визначення якості кісткової тканини без урахування даного показника є неповними.

Для оптимізації терапії та оцінки її ефективності необхідне більш глибоке розуміння всіх складових якості кісткової тканини. Окрім цього, методи діагностики остеопорозу можна покращити, якщо до визначення щільності кістки додатково включати тканинні характеристики та порушення мікроархітектури.

Рання діагностика втрати кісткової маси є дуже важливою, оскільки ефективне лікування мінімізує прогресування остеопорозу. Проте пацієнти дуже рідко демонструють симптоми аж до різкої втрати кісткової тканини та перед першим переломом. На сьогодні є дві найбільш поширені методики — двофотонна рентгенівська абсорбціометрія та кількісна комп’ютерна томографія (QCT). Обидва методи досліджують мінеральну щільність кісткової тканини. ­Механічна міцність та жорсткість кістки тісно корелює із BMD (Homminga, 2003; Hou, 1998). Це дозволяє нам використовувати BMD для оцінки ризику перелому, яка ґрунтується на результатах епідеміологічних досліджень. Однак такі дослідження є відносно дорогими та не дуже доступними, тому широкій громадськості доступні тільки діагностичні можливості низького рівня. Окрім цього, є суттєве перекриття даних розподілу BMD у різних індивідуумів залежно від наявності переломів.

Було повідомлено, що показник BMD відображає від 40 до 70 % міцності трабекулярної кістки (Homminga, 2003). Тому, незважаючи на те що BMD добре корелює із ризиком переломів, цей показник є лише однією із характеристик якості кісткової тканини (Bouxsein, 2003), та його прогностична цінність обмежена.

Інші експериментальні дослідження показали, що сам по- казник BMD може пояснити до 70 % механічних властиво­стей кістки, коли взяти два показники — BMD та архітектур- ні властивості, можна спрогнозувати до 90 % (Kabel, 1999).

Розвиток мікро-КТ технології дозволив у клінічних ­умо­вах вивчати архітектуру трабекулярної кістки in vivo.  Існує комерційно доступний мікро-КТ сканер (Scano Me- dical AG). На даний час мікро-КТ зображення дуже популяр- ні в дослідженнях. Проте ціна на устаткування обмежує їх доступність. На сьогодні дослідження проводяться перш за все на дистальному відділі променевої кістки, малогомілковій та п’ятковій кістках. Мабуть, у майбутньому буде можливо проводити мікро-КТ in vivo з високою роздільною точністю в клінічно важливих ділянках. До тих пір ці обстеження будуть обмеженими відносно малою ділянкою кістки, яка унеможливлює клінічне використання зображень трабекулярної кістки та моделювання кінцевих елементів із діагностичною метою (Waarsing, 2004; Wang, 2005).

Були розроблені подібні альтернативні методи. Bouxsein та співавт. дослідили ефективність рентгеностеоденсито­метрії (цифрової рентгенрадіограмметрії). Вони показали, що рентгеностеоденситометрія передпліччя може спрогнозувати переломи на рівні дистального відділу променевої кістки, а також стегна та тіл хребців (Bouxsein, 2002). Перевагою рентгеностеоденситометрії над DEXA та QCT є те, що можна здійснювати обстеження із використанням стандартних рентген-знімків кисті та передпліччя. Тому даний метод є дуже поширеним у клінічній практиці. Однак оцінка стану кісток у певних анатомічних ділянках, таких як тіла хребців або стегно, неможлива, тому ризик перелому для них оцінюється на основі результатів дослідження периферичних кісток.

Хоча на сьогодні DEXA та QCT є найкращими методами діагностики остеопорозу, проте альтернативні методики повинні бути доступними, для того щоб покращити ранню діагностику погіршання якості кісткової тканини, яке з’являється при остеопорозі. Це дасть можливість діагностувати захворювання на ранніх стадіях, що дозволить призначити ефективну медикаментозну терапію до того часу, як виникне перелом.

Структура тіла хребця забезпечує стійкість до вертебрального перелому. Тіло хребця складається з кортикальної оболонки, яка всередині наповнена трабекулярною кістковою тканиною. Вертебральний перелом діагностується за деформацією тіла хребця, оскільки виникає колапс окремих трабекул та оточуючого кортикального шару (Smith-Bindman, 1991). Відомо, що тіло хребця функціонує як структура, у якій кортикальний шар та трабекулярна ­тканина тісно пов’язані (Bigger Man, 1995; Curry, 2002).

Проведені чисельні спроби дослідження відносної різниці стабільності кортикальної та трабекулярної кісткової тканини тіла хребця. Так, наприклад, доведено, що в проксимальному відділі стегнової кістки трабекулярна тканина має відносний вплив на міцність кістки (до 7 %), тоді як кортикальна тканина найбільше відповідає за міцність кістки. У тілах хребців ці спроби мали на меті відділити фізичним способом кортикальний шар (каркас) від його вмісту (McBroom, 1985; Rockoff, 1969; Silva, 1997), а також використати комп’ютерні моделі для того, щоб перед- бачити вплив кортикального каркасу на щільність тіла хребця (Silva, 1997; Cao, 2001; Eswaran, 2006). Досліджень, які вивчали структуру кортикального каркасу щодо остеопоротичних переломів, небагато, проте їх кількість зростає.

Товщина кортикального каркасу становить приблизно 200–800 мкм. Варіабельність показника залежить від розміру тіла хребця (Edwards, 2001; Fazzalari, 2006; Ritzel, 1997; Silva, 1994), анатомічної локалізації в тілі хребця (Edwards, 2001; Fazzalari, 2006; Ritzel, 1997) та методу оцінки. Найчастіше використовуються гістоморфометрія, КТ та мікро-КТ (Silva, 1997; Cao, 2001; Eswaran, 2006; Edwards, 2001; Fazzalari, 2006; Ritzel, 1997; Silva, 1994; Andresen, 1998; Haidekker, 1999). При гістоморфометрії товщина кортикального шару в передньому каркасі поперекового хребця становить приблизно 450 мкм. Як правило, дорсальний каркас тонший, ніж передній, та має вищі пористі вла­стивості (Edwards, 2001; Fazzalari, 2006; Ritzel, 1997). Хоч остеонна тканина переважає, проте є ділянки, де ламінарна кістка домінує в мікроструктурі (Fazzalari, 2006).

Слід зазначити, що частка товщини кортикального шару в грудному та поперековому відділах хребта є подібною до частки губчастої кісткової тканини в загальному об’ємі кістки (Ritzel, 1997). Проте товщина трабекулярної кісткової тканини відповідної трабекулярної кістки залишається постійною величиною (Fazzalari, 2006). Це морфологічне спостереження є зразком структурної підтримки кортикального каркасу та пояснює чутливість кортикального шару до навантажень. Доведено, що структура кортикального шару грудного та поперекового відділу хребта у пацієнтів з остеопорозом була подібною до контрольної групи, проте пацієнти із остеопорозом мали значне зменшення товщини кортикального шару в кожній ділянці (Ritzel, 1997). Усіх пацієнтів, які були включені в дослідження, було класифіковано згідно з клінічними та гістологічними критеріями, та у кожного із них реєструвався хоча б один перелом.

Товщина кортикального шару також впливає на міцність тіла хребця, останній показник вірогідно знижується в людей літнього віку, що доведено за допомогою кількісної КТ (Ritzel, 1997; Andresen, 1998; Haidekker, 1999). Зниження спостерігається як у чоловіків, так і в жінок. У дослідженнях, проведених із використанням однофотонної QCT, також зазначено зниження мінеральної щільності трабекулярної кісткової тканини як у чоловіків, так і в жінок, проте зниження мінеральної щільності кортикального шару було вірогідним тільки у жінок (Ritzel, 1997; Haidekker, 1999). Це дослідження пояснює вікові механізми виникнення вертебральних переломів у жінок порівняно з чоловіками.

Якщо звернути увагу на показники кортикального шару, які вимірювалися за допомогою КТ, то показник товщини кортикального шару є неточним за даної методики через середні показники об’єму, особливо якщо останній становить менше 2 мм (Hangartner, 1996). Дослідження показують, що найбільш точним методом вимірювання мінералізації з урахуванням віку та інших параметрів є двохенергетична абсорбціометрія (DEXA Discovery). Ступінь мінералізації точніше вимірюється за допомогою кількісної мікрорадіографії. Структура кістки може вимірюватися краще за допомогою мікро-КТ. Якщо поглянути на гетерогенність кортикальної структури, нічого дивного немає в тому, що відсоткове співвідношення між величиною навантаження та стабільністю тіла хребця є предметом дискусій. Різні результати щодо ролі розподілу навантаження можуть бути пояснені використанням різних методів сепарації кортикального шару, локалізацією хребця та включенням чи виключенням замикальної пластини у дослідженнях. Ці методи показують, що кортикальний шар має вплив на стабільність тіла хребця в межах 10–60 %. Найнижчі показники стабільності спостерігалися в дослідженнях, у яких сепарація кортикального шару проходила вручну та тестування основної частини проводилося механічно (McBroom, 1985).

При аналізі кінцевих елементів відсоток навантаження на корковий шар становить менше 10 % (McBroom). При використанні мікромеханічного аналізу кінцевих елементів він становив 30–60 %. В останніх дослідженнях доведено, що найвищі показники знаходяться в центральній частині поперечного зрізу та знижуються в напрямку замикальних пластин (Cao, 2001; Eswaran, 2006).

Відсоток стабільності кортикального шару прямо пропорційно залежить від його товщини та обернено пропорційний до коефіцієнта трабекулярної кістки. Якщо враховувати радіус кривої кортикальної кістки в моделі Cao, то це підвищує відсоток міцності в середній ділянці поперечного рівня, але знижує передачу енергії до замикаючих пластин (Cao, 2001).

Кортикальний шар чинить істотну протидію навантаженню, оскільки складається з великої кількості вертикально розміщених структурних елементів у хребті. Окрім цього, він переносить навантаження на периферичні трабекули, оскільки саме вони здійснюють передачу сили (Eswaran, 2006).

Також є відомості, що товщина замикаючої пластини третього поперекового хребця корелює з архітектурними параметрами: ступенем анізотропії, структурним індексом моделі, товщиною трабекули. Такі зміни відсутні в кортикальному шарі передньої поверхні тіла хребця. Таким чином, кортикальний шар є самостійною частиною хребця.

Огляд літератури показав, що кортикальний шар тіла хребця сприяє передачі навантаження та є обернено пропорційним його відносному об’єму в кістці. Зміни в кортикальній оболонці внаслідок віку чи хвороби з’являються разом зі зниженням об’єму трабекулярної частини кістки (Majumdar, 1997), порушенням структурних властивостей (Majumdar, 1997) та змінами кісткового матриксу (Tang, 2007), що робить тіло хребця більш вразливим до мікротравм (Tang, 2007) та остеопоротичного перелому.

In vivo під впливом навантаження мікротріщини в тілі хребця можуть мати різні форми, наприклад лінійні мікротріщини та дифузні пошкодження. Лінійні мікротріщини мають середній розмір (більші за канальці та менші за судинні канали). Під мікроскопом вони виглядають як різко окреслені лінії з краями більш інтенсивного кольору, ніж оточуючі тканини (Burr, 1994; Diab, 2005). На відміну від останніх дифузні пошкодження мають локальне вогнищеве чи дифузне забарвлення, що не відповідає загальному вигляду структурних компонентів (остеона чи трабекул) (Vashishth, 2000). Під лазерним електронним мікроскопом ці ділянки виглядають як забарвлене вогнище, сітка тонких субмікроскопічних розривів (Vashishth, 2000).

Дослідження цілих кісток, а також мікромеханічні дослідження на кістковому матеріалі, який має лінійні мікротріщини та дифузні пошкодження, показують, що обидві форми пошкоджують кістку по-різному, однак дифузна форма пошкодження сприяє опору кісток до переломів, а не лінійних мікротріщин (Diab, 2005). Відповідно до умов експерименту, ці дві форми мікропошкоджень змінюються у хронологічному порядку і залежать від віку тканини. Дифузне пошкодження та лінійні мікротріщини переважають у молодій і старій тканині, оскільки вік тканини залежить від швидкості кісткового метаболізму. Ці дані показують, що за швидкістю кісткового метаболізму можна визначити вік тканини та, як наслідок, ступінь і морфологію мікропошкоджень і опір кісток щодо переломів.

Тіло хребця людини є моделлю для визначення ролі мікропошкоджень у крихких кістках. По-перше, вони значно навантажуються внаслідок щоденної фізичної активності, яка може перевищувати масу тіла в два-три рази (Duan, 2001). По-друге, дослідження на тваринах показали, що кісткова тканина хребців є зоною із найвищою швидкістю кісткового ремоделювання в усьому скелеті. По-третє, кортикальний шар та трабекулярна кісткова тканина, яка складає тіло хребця, є частиною системи передачі навантаження. Швидкість кісткового ремоделювання може значно варіювати, одна тканина має вищу швидкість за іншу.

До цього часу немає літературних даних про мікропошкодження кортикального шару тіла хребця. Попередні дослідження групи вчених із Ліона показують, що можуть існувати мікротріщини в кортикальному шарі. Це можна побачити на зображеннях лінійних мікротріщин та дифузних пошкоджень тіл хребців людини (Forwood, 2009).

З іншого боку, декілька досліджень in vivo відмітили наявність мікропошкоджень у трабекулярній тканині людини. Було повідомлено, що існують випадки лінійних мікротріщин та дифузних пошкоджень у 66 зразках трабекулярної тканини першого поперекового хребця (пацієнти віком 23–91 р., жінки та чоловіки європеоїдної та негроїдної раси), проте вони відмітили їх акумуляцію лише в старечому віці (Vashishth, 2000; Wenzel, 1996).

Найбільша частота мікропошкоджень (40 % випадків) спостерігалася в найближчих до пошкодження тканинах (Burr, 1997). На відміну від наведених досліджень група вчених Ліона вивчала мікропошкодження в центрі трабекулярної кістки (23 тіла другого поперекового хребця у пацієнтів віком 54–93 роки, із них 8 чоловіків та 15 жінок, всі європеоїдної раси). Відмічено експоненціальний ріст у місцях пошкоджених трабекул та лінійний ріст при дифузних пошкодженнях у старечому віці. Окрім цього, показано,  що мікроархітектура впливала на кількість та інтервал трабекул як у разі збільшення лінійних мікротріщин, так і при дифузному пошкодженні кісток (Arlot, 2008).

Розходження результатів Arlot і співавт. із попередніми даними інших дослідників виявляють цікаві можливості. Зокрема, зниження рівня естрогенів у постменопаузальних жінок пов’язують із високим рівнем кісткового ремоделювання, а кісткова тканина тіл хребців є ділянкою із найвищою швидкістю ремоделювання в цілому скелеті. Різниця в акумуляції мікропошкоджень може бути помітною в пацієнтів літнього віку. Arlot та співавт. обстежили постменопаузальних жінок (віком 54–93 роки). Більшість серед них становили пацієнтки віком понад 70 років. Перш за все швидкість кісткового ремоделювання, очевидно, підтримує деякі частини трабекулярної кісткової тканини тіла хребця в «молодому» стані та тому викликає формування дифузних порушень, з іншого боку, трабекулярна кісткова тканина не є суб’єктом ремоделювання, і, таким чином, акумулюються лінійні мікротріщини. Швидкість накопичення лінійних мікротріщин зростає та є більшою, ніж дифузні пошкодження в літньому віці (експоненціальний ріст проти ліній­ного). Тому, ймовірно, цей процес є дуже селективним у кістковому метаболізмі та може обмежуватися маленькими ділянками в старечому віці (Arlot, 2008).