Диск как осмотическая система

Февраль 26, 2015 / Комментарии 0

Внутренняя часть диска, хрящевые концевые пластинки, фиброзное кольцо, паравертебральные ткани и губчатое вещество тел смежных позвонков образуют осмотическую систему для обмена молекулами и жидкостью.

В качестве щадящего и относительно недорогого метода измерения in vitro изменений гидратации межпозвонкового диска в ответ на механическую нагрузку в режиме реального времени можно прибегнуть к электрохимическим измерениям. Метод также позволяет изучить влияние поступления жидкости или имбибиции на транспортировку в диск электрохимически активных растворенных веществ, например кислорода.

Слои ткани на периферии межпозвонкового диска служат полупроницаемой мембраной, проницаемость которой для жидкостей и растворенных молекул меняется в зависимости от локализации. Исследования показали, что глюкоза диффундирует в основном через концевые пластинки, тогда как сульфат-ионы диффундируют главным образом через фиброзное кольцо.

Внеклеточный матрикс структур межпозвонкового диска содержит много молекул, которые находятся и в хряще. Главную роль, особенно в ядре, играют полианионные протеогликаны, так как они создают осмотическую среду, приводящую к задержке воды и, соответственно, к сопротивлению деформации, важному для восстановления упругости ткани.

Сцепление отдельных молекул в наружных слоях фиброзного кольца и хрящевых концевых пластинок превращает трехмерную волоконную сеть в субмикроскопическую сетку, пропускающую лишь небольшие молекулы, включая воду и низкомолекулярные метаболиты. Таким образом, барьером проницаемости разделены два тканевых отдела с весьма различными биологическими и механическими свойствами: внутренняя область диска, с одной стороны, и пара-вертебральные ткани и губчатое вещество тела позвонка — с другой. Одним большим различием между этими отделами является механическое (гидростатическое) давление, которому они подвергаются. Костный мозг тела позвонка, заполняющий полость, которая образована костной трабекулярной системой, и мягкие ткани, прилегающие к диску, подвергаются в норме тканевому давлению лишь в несколько миллиметров ртутного столба. С другой стороны, внутридисковое давление может повышаться до 1 МПа (1*10в6 Н/м2) и более (рис. 4.12), в зависимости от положения тела и дополнительной нагрузки, которой в тот или иной момент подвергается индивид. Если бы этот градиент механического давления не был уравновешен другими силами, обеспечивающими поступление жидкости в диск, то тот вскоре высох бы, так как вся жидкость была бы из него выдавлена. Осмотические силы — основные силы, участвующие в этом процессе. Суточная гиперосмотическая стимуляция органного препарата диска или культуры клеток концевой пластинки частично ингибировала экспрессию гена дегенерации матрикса и противодействовала метаболической гипоактивности клеток.

р12

Макромолекулы внутренней части диска, особенно мукополисахариды, весьма гидрофильны и потому способны захватывать и удерживать жидкость даже на фоне противодействия градиента гидростатического давления.

Противодействующее давление, посредством которого концентрированные растворы притягивают воду или другие растворители через полупроницаемую мембрану, называется осмотическим давлением. Осмотическое движение жидкости происходит в направлении, противоположном градиенту гидростатического давления, и продолжается до установления равновесия между этими двумя давлениями. Коллоидное осмотическое давление — это осмотическое давление, связанное с присутствием в растворе высокомолекулярных соединений.

Тургорное давление — еще одна важная разновидность давления в биологических тканях, в межпозвонковом диске в частности: это механическое давление, развившееся за счет расширения при абсорбции воды. Экспансивное давление диска можно измерить в эксперименте. Диск, подвергнутый компрессии и резко освобожденный, сразу же расширяется вновь. И скорость этого расширения, и давление, которое оно оказывает, являются функциями эластичности диска и его способности поглощать воду. У более молодых индивидов диски расширяются быстрее и энергичнее. Коллоидное осмотическое давление и тургорное давление, взятые вместе, образуют онкотическое давление ткани.

Внутренняя область диска, в отличие от тканей вокруг него, подвержена воздействию как высокого гидростатического давления, так и высокого онкотического давления. Эти два вида давления обеспечивают движение жидкости в противоположных направлениях — из диска и внутрь него соответственно.

Концентрация и градиент давления в наружных слоях диска находятся в реципрокной связи, которую можно представить следующим образом:

37

Механическое давление снаружи диска и абсорбционное давление внутри него находятся в одной части этого отношения, механическое давление внутри диска и абсорбционное давление снаружи — в другой. Если та или другая часть преобладает, то жидкости и молекулы переходят в диск или выходят из него.

Реципрокная связь между гидростатическим и онкотическим давлением имеет важные последствия для поступления питательных веществ в диск и работы двигательного сегмента.

На осмотическую систему диска могут влиять как механические, так и биохимические факторы. Кратковременные изменения, нарушающие эту систему, возникают в основном с механической стороны через понижение или повышение внутридискового гидростатического давления (которое для краткости обычно называют просто внутридисковым давлением, хотя это, строго говоря, звучит неопределенно). Большие колебания давления внутри диска вызываются изменениями положения тела. Никакой другой орган не подвергается неизменно высокому механическому давлению сопоставимой величины.

Наши исследования диффузии с применением химических красителей и радиоактивных меток показали, что повышение внутридискового давления более чем на 80 кПа способствует выходу жидкости из диска, а понижение до показателей ниже 80 кПа -поступлению жидкости в диск. Направление тока жидкости изменяется при величине гидростатического давления между 70 и 80 кПа (рис. 4.13). Исследования жидкого и электролитного содержимого ткани диска до и после компрессии подтвердили фактическое наличие только что описанного процесса. Относительное увеличение содержания электролитов вследствие потери воды в условиях механической нагрузки создает градиент осмотического давления, который препятствует дальнейшему обезвоживанию.

р13

Большие механические нагрузки: сидение, поднятие и перенос тяжестей — обеспечивают выход жидкости из диска, тогда как снятие механической нагрузки, т.е. вытяжение позвоночника, способное привести к временному понижению давления ниже давления в покое, обеспечивает поступление жидкости в диск (рис. 4.14).

В физиологических условиях гидратация/дегидратация межпозвонкового диска, зависящая от давления, ограничена тем, что всякая поступающая жидкость растворяет макромолекулы внутри диска и тем самым снижает внутридисковое онкотическое давление. С другой стороны, вода, когда диск подвергается большой механической нагрузке, может выдавливаться лишь до определенного момента, так как при обезвоживании макромолекулы концентрируются в диске, пока градиент онкотического давления не повысится до величины, равной по модулю градиенту гидростатического давления. Асимметричные механические нагрузки на диск заставляют воду и растворенные молекулы перемещаться внутри диска из зоны более высокого давления в зону более низкого. В экспериментальном исследовании было подтверждено, что меньше воды содержится в той части диска, которая находится под большим давлением.

Связь между состоянием гидратации/дегидратации межпозвонкового диска и давлением наблюдали Shirazi на примере конечно-элементной модели, Adams и Hutton и Monat и соавт. в экспериментальных исследованиях. Эти исследователи, как и мы, выяснили, что в вертикальном положении (на фоне лордоза) большее количество воды содержится в вентральном отделе диска, тогда как в сидячем положении (на фоне кифоза) — в дорсальном отделе. В дальнейшем колебания количества жидкости внутри диска, связанные с давлением, изучались Fajman, Malko и Hutton, Williams и соавт., Riley и соавт., Veen, Hutton, Urban, Pope, Holm, Urban и соавт., Rajasekaran и соавт., Wang и соавт., Masuoka и соавт., Huang и соавт. и Iatridis и соавт.

Измерения внутридискового давления показывают, что при любом наклонном движении туловища в латеральном или переднезаднем направлении изменяется общая механическая нагрузка на межпозвонковые диски. Таким образом, движения тела заставляют жидкость входить и выходить из дисков, а также перемещаться внутри них самих. Клетки, находящиеся в самой дальней внутренней области, реагируют усилением анаболических клеточных реакций на статическую компрессию, осмотическое и гидростатическое давление при их усилении от малых до умеренных величин. Более высокие нагрузки могут вызвать катаболические реакции, выражающиеся в повышении экспрессии или активности гена протеазы.

р14

Зависящий от давления обмен жидкости в межпозвонковом диске человека представляет собой помповый механизм, который перемещает воду и низкомолекулярные растворенные вещества по ту и другую стороны границы диска. Этот механизм способствует как поступлению питательных веществ в диск, так и устранению из него продуктов распада.

Любое изменение положения позвоночника, которое влияет на внутридисковое давление, либо ускоряет, либо замедляет перемещение жидкости в диск или из него, а также может обращать направление ее тока. Эффективное повышение концентрации аггрекана, которое является следствием выделения жидкости в течение суток, стимулирует выработку матрикса и является важным регулятором его состава.

Регулярное чередование вертикального и горизонтального положения тела улучшает транспортировку веществ внутрь диска и из него. Неизменное положение тела останавливает перемещение жидкости, связанное с колебаниями давления.

На обмене жидкостями и молекулами в межпозвонковом диске особенно неблагоприятно сказывается неизменность той позы, которая сопровождается чрезвычайно высоким внутридисковым давлением.

Подпишитесь на свежую email рассылку сайта!

Читайте также