Preview

Травматология и ортопедия России

Расширенный поиск

КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕОРИИ МЕХАНОСТАТА. ЧАСТЬ I. МЕХАНИЗМЫ РЕОРГАНИЗАЦИИ АРХИТЕКТУРЫ СКЕЛЕТА

https://doi.org/10.21823/2311-2905-2012--2-105-116

Полный текст:

Аннотация

Проведен критический анализ теории механостата. Показано, что целью постоянного моделирования и остеокластно-остеобластного ремоделирования не является обеспечение необходимого запаса прочности структур скелета и снижение риска перелома. Установлено, что на каждом уровне иерархической организации скелета существуют и другие механизмы его реорганизации. Функционирование этой системы механизмов контролируется остеоцитами и целенаправленно обеспечивает два эффекта: первый - сохранение деформируемости костных структур соответственно требуемой производительности конвекционного механизма перемещения жидкости по лакунарно-канальцевой системе, второй - оптимизация поперечного сечения полостей лакунарно-канальцевой системы, соответственно требуемому уровню ее пропускной способности для потока жидкости. В результате параметры механо-метаболической среды, окружающей остеоциты сохраняются в гомеостатических пределах, что повышает жизнеспособность клеток, а следовательно, костной ткани и скелета в целом. Однако это происходит зачастую за счет снижения прочностных свойств костных структур.

Об авторах

А. С. Аврунин
ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздравсоцразвития России
Россия


Р. М. Тихилов
ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздравсоцразвития России
Россия


И. И. Шубняков
ФГБУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздравсоцразвития России
Россия


Л. К. Паршин
СПб государственный политехнический университет
Россия


Б. Е. Мельников
СПб государственный политехнический университет
Россия


Список литературы

1. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Паршин Л.К., Шубняков И.И. Механизм жесткости и прочности в норме и при старении организма. Наноуровневая модель. Гений ортопедии. 2008; 3: 59-6615.

2. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Паршин Л.К., Шубняков И.И. Наноуровневый механизм жесткости и прочности кости. Травматология и ортопедия России. 2008; 2: 77-83.

3. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Шубняков И.И., Емельянов В.Г. Неинвазивный клинический метод оценки остеоцитарного ремоделирования. Новые возможности двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии. Ортопедия, травматология и протезирование. 2008; 2: 67-74.

4. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Шубняков И.И., Емельянов В.Г. Oценивает ли двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия параметры физиологического обмена минерального матрикса? Гений ортопедии. 2008; 1: 41-49.

5. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Шубняков И.И. Динамическая оценка остеоцитарного ремоделирования костной ткани при использовании неинвазивного метода. Морфология. 2009; 2: 66-73.

6. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Паршин Л.К., Мельников Б.Е., Шубняков И.И. Иерархическая организация скелета — фактор, регламентирующий структуру усталостных повреждений. Часть I. Теоретическое обоснование. Травматология и ортопедия России. 2009; 3: 50-58.

7. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Шубняков И.И. Медицинские и околомедицинские причины высокого внимания общества к проблеме потери костной массы. Анализ динамики и структуры публикаций по остеопорозу. Гений ортопедии. 2009; 3: 59-66.

8. Аврунин, А.С., Тихилов Р.М., Паршин Л.К., Мельников Б.Е. Иерархическая организация скелета — фактор, регламентирующий структуру усталостных повреждений. Часть II. Гипотетическая модель формирования и разрушения связей между объединениями кристаллитов. Травматология и ортопедия России. 2010; 1: 48-57.

9. Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Паршин Л.К., Мельников Б.Е., Плиев Д.Г. Иерархия спиральной организации структур скелета. Взаимосвязь структуры и функции. Морфология. 2010; 6: 69-75.

10. Аврунин А.С., Мельников Б.Е., Паршин Л.К., Тихилов Р.М., Шубняков И.И. О физической природе жёсткости и прочности костной ткани. Научнотехнические ведомости СПбГПУ. 2010; 3: 205-210.

11. Аврунин А.С., Тихилов Р.М. Остеоцитарное ремоделирование костной ткани: история вопроса, морфологические маркеры. Морфология. 2011; 1: 86-94.

12. Денисов-Никольский Ю.И., Миронов С.П., Омельяненко Н.П., Матвейчук И.В. Актуальные проблемы теоретической и клинической остеоартрологии. М.: Новости; 2001. 336 с.

13. Корнилов, Н.В., Аврунин А.С. Адаптационные процессы в органах скелета. СПб.: МОРСАР АВ; 2001. 296 с.

14. Меерсон Ф.З. Адаптационная медицина: механизмы и защитные эффекты адаптации. М.: Нурохіа medical ltd; 1993. 331 c.

15. Ньюман У., Ньюман М. Минеральный обмен кости. М.: Иностранная литература; 1961. 270 с.

16. Привес М.Г., Лысенков Н.К., Бушкович В.И. Анатомия человека. СПб.: Гиппократ; 2002. 683 с.

17. Ревулл П.А. Патология кости. М.: Медицина; 1993. 376 с.

18. Мельникова Б.Е. ред. Сопротивление материалов. 2-е изд. СПб.: Лань; 2007. 560 с.

19. Achard J. Physikochemische Untersuchungen am lamellaren knochen. Zeitschrift fur Zellforschung und mikroskopische anatomie. 1935; 23(4): 573-88.

20. Adachi T., Adachi T., Aonuma Y., Tanaka M., Hojo M., Takano-Yamamoto T., Kamioka H. Calcium response in single osteocytes to locally applied mechanical stimulus: Differences in cell process and cell body. J. Biomech. 2009; 42: 1989-95.

21. Agarwall S.K., Judd H.L. Менопауза. В кн.: Риггз Б.Л., Мелтон Л.Д.Ш., ред. Остеопороз. СПб., 2000. 381-402.

22. Akkus O., Polyakova-Akkus A., Adar F., Schaffler M.B. Aging of microstructural compartments in human compact bone. J. Bone Mineral. Research. 2003 Jun; 18(6): 1012-1019.

23. Alcobendas M., Baud C.A., Castanet J., Structural changes of the periosteocytic area in vipera aspis (l.) (ophidia, viperidae) bone tissue in various physiological conditions. Calcif Tissue Int. 1991 Jul; 49(1): 53-57.

24. Amano K., Miyake K., Borke J.L., McNeil P.L. Breaking biological barriers with a toothbrush. J Dent Res. 2007 Aug; 86(8): 769-774;

25. Amprino R., Engstrom A. Studies on X-ray absorption and diffraction of bone tissue. Acta Anatomica. 1952. — Vol. XV, Fasc. ½. 1-22.

26. Anderson E.J., Knothe Tate M.L. Idealization of pericellular fluid space geometry and dimension results in a profound underprediction of nano-microscale stresses imparted by fluid drag on osteocytes. J Biomech. 2008 Jun; 41(8): 1736-1746.

27. Arnold J.S., Frost H.M., Buss R.O. The osteocyte as a bone pump. Clin Orthop Relat Res. 1971; 78: 47-55

28. Ascenzi A., Bonucci E., Bocciarelli Ds. An electron microscope study of osteon calcification. J Ultrastruct Res. 1965 Apr; 12: 287-303.

29. Baud C.A. Submicroscopic structure and functional aspects of the osteocyte. Clin Orthop Relat Res. 1968 Jan-Feb; 56: 227-36.

30. Belanger L.F. Osteocytic Osteolysis. Calcif Tissue Res. 1969; 4(1): 1-12.

31. Bell K.L., Loveridge N., Jordan G.R., Power J., Constant C.R., Reeve J. A novel mechanism for induction of increased cortical porosity in cases of intracapsular hip fracture. Bone. 2000; 27(2): 297-304.

32. Boppart M.D., Kimmel D.B., Yee J.A., Cullen D.M. Time course of osteoblast appearance after in vivo mechanical loading. Bone. 1998 Nov; 23(5): 409-15.

33. Borle A.B., Nichols N., Nichols G. Metabolic studies of bone in vitro I. Normal bone. J Biol Chem. 1960; 235: 1206-10.

34. Borle A.B., Nichols N., Nichols G. Metabolic studies of bone in vitro. II. The metabolic patterns of accretion and resorption. J Biol Chem. 1960; 235: 1211-4.

35. Boyde, A. The real response of bone to exercise. J Anatomy. 2003; 203(2): 173-89.

36. Buckwalter J.A., Glimcher M.J., Cooper R.R., Recker R. Bone biology. Part II: formation, form, modeling, remodeling, and regulation of cell function. Instr Course Lect. 1996; 45: 387-399.

37. Burr D.B., Martin R.B. Errors in bone remodeling: toward a unified theory of metabolic bone disease. Am J Anat. 1989; 186(2): 186-216.

38. Burstein A.H., Reilly D.T., Martens M. Aging of bone tissue: mechanical properties. J Bone Joint Surg Am. 1976; 58(1): 82-6;

39. Cheng B., Zhao S., Luo J., Sprague E., Bonewald L.F., Jiang J.X. Expression of functional gap junctions and regulation by fluid flow in osteocyte-like MLO-Y4 Cells. J Bone Miner Res. 2001; 16(2): 249-59.

40. Chestnut, III C.H. Медикаментозная терапия. Кальцитонин, бисфосфонаты и анаболические стероиды. В кн.: Риггз Б.Л., Мелтон III Л.Д. ред. Остеопороз. СПб., 2000. 423-36.

41. Clark I., Bélanger L. The effects of alterations in dietary magnesium on calcium, phosphate and skeletal metabolism. Calcif Tissue Res. 1967; 1(3): 204-18.

42. Cowin S.C. The significance of bone microstructure in mechanotransduction. J Biomech. 2007; 40 Suppl 1: S105-9;.

43. Cubo J., Casinos A. Mechanical properties and chemical composition of avian long bones. European J Morphology. 2000 Apr; 38(2): 112-21.

44. Dawson-Hughes, B. Профилактика. В кн.: Риггз Б.Л., Мелтон III Л.Д. ред. Остеопороз. СПб., 2000. 363-80.

45. de Margerie E., Robin J,-P., Verrier D., Cubo J., Groscolas R., Castanet J. Assessing a relationship between bone microstructure and growth rate: a fluorescent labelling study in the king penguin chick (Aptenodytes patagonicus). J Experimental Biology. 2004; 207(5): 869-79.

46. Delmas P.D. Treatment of postmenopausal osteoporosis. Lancet. 2002; 359: 2018-26.

47. Dempster, D.W. Ремоделирование кости. В кн.: Риггз Б.Л., Мелтон III Л.Д. ред. Остеопороз. СПб., 2000. 85-108.

48. Dostert A., Heinzel T. Negative glucocorticoid receptor response elements and their role in glucocorticoid action. Current Pharmaceutical Design. 2004; 10(23): 2807-16.

49. Downey P.A., Siegel M.I. Bone biology and the clinical implications for osteoporosis. Physical Therapy. 2006; 86(1): 77-91.

50. Duriez J., Ghosez J.P., Flautre B. La resorption ou lyse periosteocytaire er son role possible dans la destruction du tissu osseux. Presse Med. 1965; 73(45): 2581-6.

51. Eriksen E.F., Melsen F., Mosekilde L. Медикаментозная терапия. Схемы лечения, стимулирующие костеобразование. В кн.: Риггз Б.Л., Мелтон III Л.Д., ред. Остеопороз. СПб., 2000. 437-70.

52. Feng J.Q., Ye L., Schiavi S. Do osteocytes contribute to phosphate homeostasis? Curr Opin Nephrol Hypertens. 2009; 18(4): 285-91.

53. Frost H.M. In vivo osteocyte death. J Bone Joint Surg Am. 1960; 42-A: 138-43.

54. Frost H.M. New targets for the studies of biomechanical, endocrinologic, genetic and pharmaceutical effects on bones: bone's "nephron equivalents", muscle, neuromuscular physiology. J Musculoskeletal Research. 2000; 4(2): 67-84.

55. Frost, H.M. Why the ISMNI and the Utah paradigm? Their role in skeletal and extraskeletal disorders. J Musculoskelet Neuronal Interact. 2000; 1(1): 5-9.

56. Frost H.M. Seeking genetic causes of "osteoporosis: " insights of the Utah paradigm of skeletal physiology. Bone. 2001 Nov; 29(5): 407-12.

57. Gallagher J.C. Медикаментозная терапия. Кальций и витамин D. В кн.: Риггз Б.Л., Мелтон III Л.Д. ред. Остеопороз. СПб., 2000. 403-22.

58. Hardiman D.A., O'Brien F.J., Prendergast P.J., Croke D.J., Staines A., Lee T.C. Tracking the changes in unloaded bone: morphology and gene expression. Europ J Morphology. 2005; 42(4/5): 208-16.

59. Hayes W.Q., Myers E.R. Биомеханика переломов. В кн.: Риггз Б.Л., Мелтон III Л.Д. ред. Остеопороз. СПб., 2000. 109-34.

60. Heller-Steinberg M. Ground substance, bone salts, and cellular activity in bone formation and destruction. Am J Anat. 1951; 89(3): 347-79;

61. Ingram R.T., Park Y.K., Clarke B.L., Fitzpatrick L.A. Age- and gender-related changes in the distribution of osteocalcin in the extracellular matrix of normal male and female bone. Possible involvement of osteocalcin in bone remodeling. J Clin Invest. 1994; 93(3): 989-97.

62. Ingram R.T., Collazo-Clavell M., Tiegs R., Fitzpatrick L.A. Paget's disease is associated with changes in the immunohistochemical distribution of noncollagenous matrix proteins in bone. J Clin Endocrinol Metab. 1996; 81(5): 1810-20.

63. Jowsey J., Riggs B.I., Kelly P.J. Mineral metabolism in osteocytes. Mayo Clin Proc. 1964; 39: 480-4.

64. Kim D.G., Brunski I.B., Nicolella D.P. Microstrain fields for cortical bone in uniaxial tension: optical analysis method. Proc Inst Mech Eng H. 2005; 219(2): 119-28.

65. Lanyon L., Skerry T. Postmenopausal osteoporosis as a failure of bone's adaptation to functional loading: a-hypothesis. J Bone Miner Res. 2001; 16(11): 1937-47.

66. Lawson А.С., Czernuszka J.T. Collagen-calcium phosphate composites. Proc. Instn. Mech. Engrs. 1998; 212, Pt H: 413-25.

67. Lipp W. Neuuntersuchungen des Knochengewebes. III. Histologisch erfaftbare Lebensau Berungen der Osteozyten in embryonalen Knochen des Menschen. Anat Anz. 1956; 102(18-21): 361-72.

68. Lipp W. Aminopeptidase in bone cells. J Histochem Cytochem. 1959; 7(3): 205.

69. Martin R.B. On the significance of remodeling space and activation rate changes in bone remodeling. Bone. 1991; 12(6): 391-400.

70. Martin R.B. Toward a unifying theory of bone remodeling. Bone. 2000; 26(1): 1-6.

71. Melton III L.J. Эпидемиология переломов. В кн.: Риггз Б.Л., Мелтон III Л.Д. ред. Остеопороз. СПб., 2000. 449-72.

72. Nichols G., Rogers P. Mechanisms for the transfer of calcium into and out of the skeleton. Pediatrics 1971; 47(1) Suppl 2: 211-28.

73. Orellana M.F., Smith A.K., Waller J.L., DeLeon E., Borke J.L. Plasma membrane disruption in orthodontic tooth movement in rats. J Dent Res. 2002; 81(1): 43-7.

74. Palumbo C., Palazzini S., Zaffe D., Marotti G. Osteocyte differentiation in the tibia of newborn rabbit: an ultrastractural study of the formation of cytoplasmic processes. Acta Anat (Basel). 1990; 137(4): 350-8.

75. Petrov N., Pollack S.R. Comparative analysis of diffusive and stress induced nutrient transport efficiency in the lacunar-canalicular system of osteons. Biorheology. 2003; 40(1-3): 347-53.

76. Remagen W., Caesar R., Heuck F. Elektronenmikroskopische und mikroradiographische Befunde am Knochen der mit Dihydrotachysterin behandelten Rattel. Virchows Arch A Pathol Pathol Anat. 1968; 345(3): 245-54.

77. Revell P.A., al-Saffar N., Kobayashi A. Biological reaction to debris in relation to joint prostheses. 1997; 211(2): 187-97.

78. Rubin C.T. Regulation of bone formation by applied dynamic loads. J Bone Joint Surg Am. 1984; 66(3): 397-402

79. Rubin C.T., Gross T.S., McLeod K.J., Bain S.D. Morphologic stages in lamellar bone formation stimulated by a potent mechanical stimulus. J Bone Miner Res. 1995; 10(3): 488-95.

80. Schaffler M.B., Burr D.B. Stiffness of compact bone: Effects of porosity and density. J Biomech. 1988; 21(1): 13-6; Цитировано по Martin R.B. [1991].

81. Skedros J.G., Grunander T.R., Hamrick M.W. John G. Spatial distribution of osteocyte lacunae in equine radii and third metacarpals: considerations for cellular communication, microdamage detection and metabolism. Cells Tissues Organs. 2005; 180(4): 215-36.

82. Skerry T.M., Suswillo R., el Haj A.J., Ali N.N., Dodds R.A., Lanyon L.E. Load-induced proteoglycan orientation in bone tissue in vivo and in vitro. Calcif Tissue Int. 1990; 46(5): 318-26.

83. Skerry T.M., Suva L.J. Investigation of the regulation of bone mass by mechanical loading: from quantitative cytochemistry to gene array. Cell Biochem Funct. 2003; 21(3): 223-9.

84. Skerry T.M. The response of bone to mechanical loading and disuse: Fundamental principles and influences on osteoblast/osteocyte homeostasis. Arch Biochem Biophys. 2008; 473(2): 117-23.

85. Skerry T.M., Lanyon L.E. Systemic and contralateral responses to loading of bones. J Bone Miner Res. 2009; 24(4): 753.

86. Stringa E., Filanti C., Giunciuglio D., Albini A., Manduca P. Osteoblastic cells from rat long bone. I. Characterization of their differentiation in culture. Bone. 1995 Jun; 16(6): 663-70

87. Tami A.E., Schaffler M.B., Knothe Tate M.L., Probing the tissue to subcellular level structure underlying bone's molecular sieving function. Biorheology. 2003; 40(6): 577-90;

88. Taylor T.G., Belanger L.F. The mechanism of bone resorption in laying hens. Calcif Tissue Res. 1969; 4(2): 162-73.

89. Turner C.H. Editorial: do estrogens increase bone formation? Bone. 1991; 12(5): 305-6.

90. Turner C.H. Homeostatic control of bone structure: an application feedback theory. Bone. 1991; 12(3): 203-17.

91. Turner, C.H. Forwood M.R., Rho J.Y., Yoshikawa T. Mechanical loading thresholds for lamellar and woven bone formation. J Bone Miner Res. 1994; 9(1): 87-97;

92. Turner C.H., Takano Y., Owan I. Aging changes mechanical loading thresholds for bone formation in rats. J Bone Miner Res. 1995; 10(10): 1544-9.

93. Wang X., Li X., Shen X., Agrawal C.M. Age-related changes of noncalcified collagen in human cortical bone. Ann Biomed Eng. 2003; 31(11): 1365-71.

94. Wang X., Puram S. The toughness of cortical bone and its relationship with age. Ann Biomed Eng. 2004; 32(1): 123-35.

95. Weiner S., Traub W. Bone structure: from angstroms to microns. FASEB J. 1992 Feb; 6(3): 879-85;

96. Wolff J. Das Gesetz der Transformation der inneren Architektur der Knochen bei pathologischen Veränderungen der äusseren Knochenform. Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akadkmie der Wissenschaften zu Berlin. Sitzung der phys. - math. Classe v. 21. April. — Mittheilung v. 13. Man. 1884, 23 s.


Для цитирования:


Аврунин А.С., Тихилов Р.М., Шубняков И.И., Паршин Л.К., Мельников Б.Е. КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕОРИИ МЕХАНОСТАТА. ЧАСТЬ I. МЕХАНИЗМЫ РЕОРГАНИЗАЦИИ АРХИТЕКТУРЫ СКЕЛЕТА. Травматология и ортопедия России. 2012;(2):105-116. https://doi.org/10.21823/2311-2905-2012--2-105-116

For citation:


Avrunin A.S., Tikhilov R.M., Shubnyakov I.I., Parshin L.K., Melnikov B.E. CRITICAL ANALYSIS OF THE MECHANOSTAT THEORY PART I. REORGANIZATION MECHANISMS OF SKELETAL ARCHITECTURE. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2012;(2):105-116. (In Russ.) https://doi.org/10.21823/2311-2905-2012--2-105-116

Просмотров: 153


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2311-2905 (Print)
ISSN 2542-0933 (Online)