Механизмы самоорганизации соединительнотканного вещества

В настоящее время в биологии установилась точка зрения, что ход развития (морфогенез) живых организмов не предопределен непосредственно и полностью генетическим кодом (Григорян С.С., Регирер С. А., 1983; Гудвин Б., 1979; Уоддингтон К., 1964 и др.), и его действие осуществляется с участием пространственно распределенных физических механизмов. Возможность участия механических факторов в онтогенезе неоднократно отмечалась биологами и биофизиками (Белоусов Л.B., 1971; Чернавский Д. С., 1981 и др.).

Прежде всего такое влияние связывается с внутренними напряжениями, которые могут возникать как от непосредственного действия внешних факторов, так и за счет внутренних причин (условия функционирования). Наиболее полно эта зависимость выявляется при изучении структур соединительнотканной природы, включая и костное вещество (Сорокин А.П., 1973; Серов В. В., Шехтер А. Б., 1981; Регирер С. А., Штейн А. А., 1985 и др.).

Механизм связи напряжений с ростом, по-видимому, ни в одном конкретном случае не известен с достаточной степенью достоверности. Но для костной ткани в качестве одного из основных возможных промежуточных агентов между ними рассматривается электрическое поле, возникающее за счет пьезоэлектрического эффекта (Авдеев Ю.А., Регирер С. А., 1979, 1985; Анисимов А. И., Мартынова Н. В., 1977 и др.).

Таким образом, интерес к электромеханическим эффектам в костной и соединительной тканях обусловлен, во-первых, некоторыми весьма общими идеями относительно их роли в жизнедеятельности кости, включая процессы ее роста и реконструкции (а также аналогиями с другими биологическими объектами), и, во-вторых, соответствующими практическими приложениями, которые уже вошли, пока на чисто эмпирической основе, в число клинических методик и широко используются в лечебном процессе.

Проведенные исследования показали, что возникновение пьезоэлектрического эффекта в костном веществе и коллагене обусловлено кристаллографической структурой молекулы коллагена, ее ориентацией (Анисимов А.И., Мартынова Н. В., 1977; Ахалая М. Г., Какиашвили М. С., Эмухвари Д. Г., 1979; Бутуханов В. В., Ипполитова Е. Г., 1982; Кулин Е. Т., 1980 и др.). Аналогичными свойствами обладают и другие вещества (гиалуроновая кислота, гликозаминогликаны и др.) соединительной ткани.

Медицинское использование электромеханических свойств кости можно распределить на несколько групп:

• 1. Попытки (и весьма успешные) по ускорению остеосинтеза — за счет приложения внешнего электромагнитного поля (Зацепина Г. Н., Зацепин С. Т., Тульский С. В., 1979; Руцкий В. В., Ткаченко С. С., Хомутов В. П., 1983; Ткаченко С. С., Руцкий В. В., Бабич М. И., 1983 и др.).
• 2. По взаимодействию костной ткани и имплантируемого материала при наличии внешнего электромагнитного поля или собственного поля кости. Нужно упомянуть данные о предпочтительном использовании непроводящих материалов дли фиксирующих пластинок (Добрев Р.П., Владимиров Б. И., 1983; Савельев В. Н., Иванов В. Г., 1981 и др.). Положительный эффект достигается также при применении имплантатов из пористых металлических материалов и пьезоэлектрической керамики. Стимулируемое электрическим полем и зависящее от механических напряжений «прорастание» соединительной ткани в поры и благоприятное действии собственного поля имплантата, вероятно, могут быть объединены путем создания соответствующих композитных материалов (Янсон Х.А., 1983 и др.). Перспективным считается также применение имплантатов, выполняющих одновременно роль фиксаторов перелома и стимуляторов остеогенеза (Пфафрод Г. О., Клявиньш И. Э., Витиньш В. М., 1984 и др.).
• 3. Разработка приемов диагностики переломов с помощью элоктромагнитных полей, в частности по пьезоэлектрическому отклику при нагрузке или при распространении волн ультразвуковой частоты (Леонтьева Н.В., Анисимов А. И., Енученко В. А., 1983; Чепель В. Ф., 1975; Чепель В. Ф., Марцинкевич В. Н., 1974 и др.).

Таким образом, на основании вышеизложенного можно предположить, что одним из основным механизмов, поддерживающих соответствие конструкции соединительнотканных (костных) структур биомеханическим условиям функционирования (нагружению), является (в виде посредника) влияние электромеханических свойств соединительной ткани на регуляцию формообразовательных процессов в них. Последнее, вероятно, является пусковым механизмом, определяющим функциональную активность клеток (остеобластов, остеокластов, фибробластов и др.) соединительной ткани в процессе биомеханического нагружения при их функционировании.

Если рассматривать соединительнотканное вещество (и кость в частности) как самостоятельную систему клеточного уровня организации, то взаимодействие его элементов (с учетом рассмотренных механизмов самоорганизации) можно представить следующим образом:

Взаимодействие элементов соединительного вещества Нагрузка, испытываемая органом, действует, в первую очередь, на «рабочие» элементы соединительной ткани, вызывая в них пьезоэлектрический эффект, который инициирует функциональную активность клеток по поддержанию соответствия структуры соединительнотканного вещества (особенно его волокнистых элементов) условиям функционирования. При достижении этого соответствия, вероятно, исчезают пьезоэлектрические сигналы, и клетки переходят в относительно «спокойное», равновесное состояние. Элементы «обеспечения» выполняют трофическую роль в этом процессе — доставка кислорода, пластических, энергетических веществ к клеткам и выведение продуктов метаболизма.