Связь биохимической структуры и функции межпозвоночного диска

Протеогликаны

Чем больше в диске гликозаминогликанов, тем больше сродство ядра к воде. Соотношение их количества, давления воды в диске и нагрузки на него определяет количество воды, которое может принять диск.
При увеличении нагрузки на диск повышается давление воды, и равновесие нарушается. Для восстановления равновесия часть воды выходит из диска, в результате чего концентрация гликозаминогликанов увеличивается. И как результат – повышается осмотическое давление в диске. Выход воды продолжается до восстановления равновесия или до устранения нагрузки на диск.

Выход воды из диска зависит не только от нагрузки на него. Чем моложе организм, тем больше концентрация протеогликанов в ткани кольца диска. Их волокна тоньше и расстояние между их цепочками – меньше. Через такое мелкое сито жидкость течет очень медленно, и даже при большой разнице давления в диске и за его пределами - скорость выхода жидкости очень мала, а следовательно мала и скорость сжатия диска. Однако в дегенеративном диске концентрация протеогликанов снижена, плотность волокон меньше и жидкость протекает через волокна быстрее. Это объясняет, почему повреждённые дегенеративные диски сжимаются быстрее, чем нормальные.

Вода имеет огромное значение в функциональности диска.

Она является основным компонентом межпозвоночного диска, и его «жесткость» обеспечивается гидрофильными свойствами гликозаминогликанов. При небольшой потере воды - коллагеновая сеть расслабляется, и диск становится более мягким и податливым. При потере большей части воды механические свойства диска кардинально меняются, и при нагрузке его ткань ведет себя как твердое вещество. Вода также является средой, через которую пассивно осуществляется питание диска и отводятся продукты метаболизма. Несмотря на всю плотность и стабильность структуры диска "водная" часть в нём меняется весьма интенсивно. Один раз в 10 минут - у человека 25-летнего возраста. С течением лет этот показатель естественно снижается по понятным причинам.

Сеть коллагена выполняет армирующую роль и удерживает гликозаминогликаны в диске. А те в свою очередь - воду. Эти три компонента вместе образуют структуру, способную выдерживать сильное сдавливание.

«Мудрая» организация коллагеновых волокон обеспечивает удивительную гибкость диска. Волокна расположены слоями. Направление волокон, идущих к телам соседних позвонков, чередуется по слоям. В результате этого образуется переплетение, позволяющее позвоночнику значительно сгибаться, несмотря на то, что сами коллагеновые волокна могут растянуться лишь на 3 %.

Питание диска и процессы обмена
Клетки диска синтезируют как его высокоорганизованные компоненты, так и расщепляющие их ферменты. Это саморегулирующаяся система. В здоровом диске скорость синтеза и расщепления компонентов сбалансированы. За это ответственна высокоорганизованная клетка, о которой писалось выше. При нарушении этого баланса состав диска резко изменяется. В период роста анаболические процессы синтеза и замены молекул преобладают над катаболическими процессами их расщепления. При регулярной нагрузке происходит изнашивание и старение диска. Наблюдается обратная картина. Срок жизни гикозаминогликанов обычно составляет около 2 лет, а коллагена - значительно дольше. При нарушении баланса синтеза и расщепления составляющих диска, содержание гликозаминогликанов в матриксе снижается, и механические свойства диска значительно ухудшаются.

На метаболизм диска сильно влияет механическая нагрузка. В настоящее время можно сказать, что тяжёлая и регулярная физическая работа приводит к быстрому старению и изнашиванию диска, согласно механизмам, описанным выше. Нагрузка, поддерживающая стабильный баланс и нормальное питание диска описана в разделе рекомендации и советы врача. Вкратце могу сказать, что амплитудные и активные движения при уже «больном» диске – приведут к ускорению дегенеративных процессов в нём. И, соответственно, прогрессированию симптомов болезни.

Биофизика доставки питательных веществ

Диск получает питательные вещества из кровеносных сосудов прилежащих тел позвонков. Кислород и глюкоза должны проникнуть путем диффузии через хрящевую ткань диска к клеткам, находящимся в центре диска. Расстояние от центра диска, где расположены клетки, до ближайшего кровеносного сосуда примерно 7-8 мм. В процессе диффузии образуется градиент концентрации питательных веществ. На границе между диском и телом позво нка находится замыкательная (гиалиновая) пластинка. Концентрация кислорода в этой области диска в норме должна составлять примерно 50% от его концентрации в крови. А в центре диска эта концентрация обычно не превышает 1%. Поэтому метаболизм диска идет в основном по анаэробному пути. По пути образования кислоты. При концентрации кислорода на «границе» меньше 5% в диске усиливается образование продукта метаболизма – лактата – той самой «кислоты». и концентрация лактата в центре диска может быть в 6-8 раз выше, чем в крови или межклеточной среде, что оказывает токсическое действие на ткань диска и она разрушается.

Основная причина дегенерации диска - нарушение доставки питательных веществ. С возрастом снижается проницаемость краевой пластинки диска, и это может затруднять проникновение в диск питательных веществ с водой и выведение из диска продуктов распада, в частности, лактата. При снижении проницаемости диска для питательных веществ концентрация кислорода в центре диска может упасть до очень низкого уровня. При этом активируется анаэробный метаболизм и усиливается образование кислоты, выведение которой затруднено. В результате увеличивается кислотность в центре диска (рН снижается до 6,4). В сочетании с низким парциальным давлением кислорода в диске, повышенная кислотность приводит к снижению скорости синтеза гликозаминогликанов и уменьшает сродство к воде. Таким образом «порочный круг» замыкается. Кислород и вода в диск не идут – нет гликозаминогликанов в ядре! А прийти они могут только пассивно - с водой. Кроме того, сами клетки плохо переносят длительное пребывание в кислой среде, и в диске обнаруживается большой процент мертвых клеток.
Возможно, некоторые из этих изменений могут быть обратимы. Диск обладает некоторой способностью к регенерации.