Гидроксиапатит костной ткани: динамика кристаллохимических изменений при остеопорозе
А.А. Бибко, О.В. Бухарова, Е.А. Коструб, А.Г. Мирошниченко, М.В. Коровкин
| УДК 549.01:549.02:549.752:553.086 | https://doi.org/10.35597/2313-545X-2023-9-4-6 | Читать PDF (RUS) |
Костная ткань представляет собой физиогенный органоминеральный агрегат, состоящий из органических (коллаген, жиры, сахара) и минерального (гидроксилапатита) компонентов. Одно из наиболее распространенных заболеваний костной ткани – остеопороз. Оно приводит к нарушению процессов минерализации костной ткани. Для изучения динамики изменений гидроксилапатита при остеопорозе был проведен эксперимент на лабораторных животных с симуляцией системного остеопороза с помощью овариоэктомии (хирургического удаления яичников). При помощи рентгено-спектрального микроанализа определен химический состав минерального компонента костной ткани и проведена статистическая обработка результатов. При развитии остеопороза в гидроксилапатите увеличивается содержание изоморфных примесей (Mg, Al, K). Методами многомерной статистики зафиксирована существенная роль Al при развитии заболевания. Рентгеноструктурный анализ показал, что при развитии остеопороза параметры элементарной ячейки гидроксилапатита костной ткани увеличиваются. Результаты ИК спектроскопии показали наличие карбонатной группы в гидроксилапатите, содержание которой уменьшается при заболевании.
Ключевые слова: гидроксилапатит, костная ткань, остеопороз, биоминерал, структурно-химическая характеристика
Статья поступила в редакцию 10.11.2023 г., принята к печати 08.12.2023 г.
А.А. Бибко, Национальный исследовательский Томский государственный университет, Россия; bibko.geology@gmail.com
О.В. Бухарова, Национальный исследовательский Томский государственный университет, Россия;
Е.А. Коструб, Сибирский государственный медицинский университет,
г. Томск, Россия;
А.Г. Мирошниченко, Южно-Уральский государственный медицинский университет, г. Челябинск, Россия;
М.В. Коровкин, Национальный исследовательский Томский государственный университет, Россия;
Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
г. Томск, Россия
- Годовиков А.А. (1975) Минералогия. М., Недра, 520 с.
- Кораго А.А. (1992) Введение в биоминералогию. СПб, Недра, 280 с.
- Михайлова Н.Н., Ядыкина Т.К., Бугаева М.С., Данилов И.П., Семенова Е.А., Дорошилов А.В., Килина Л.П., Жукова А.Г. (2019) Клинико-экспериментальные исследования состояния костной ткани при флюорозе. Медицина труда и промышленная экология, 59(6), 364–370.
- Скоблин А.П., Белоус А.М. (1968) Микроэлементы в костной ткани. М., Медицина, 232 с.
- Чайкина М.В., Булина Н.В. Ищенко А.В., Просанов И.Ю. (2016) Исследование процесса замещения фосфата на алюминат в структуре гидроксиапатита при механохимическом синтезе и отжиге. Химия в интересах устойчивого развития, 24(5), 669–678.
- Basle M.F., Rebel A., Mauras Y., Allain P., Audran M., Clochon P. (1990) Concentration of bone elements in osteoporosis. Journal of Bone and Mineral Research, 5(1), 41–47.
- Casarrubios L., Gomez-Cerezo N., Sanchez-Salcedo S., Feito M., Serrano M., Saiz-Pardo M., Ortega L., de Pablo D., Diaz-Guemes I., Fernandez-Tome B., Enciso S., Sanchez-Margallo F., Portoles M., Arcos D., Vallet-Regi M. (2020) Silicon substituted hydroxyapatite/ VEGF scaffolds stimulate bone regeneration in osteoporotic sheep. Acta biomaterialia, 101, 544–553.
- Chang M.C., Tanaka J. (2002) FT-IR study for hydroxyapatite/collagen nanocomposite cross-linked by glutaraldehyde. Biomaterials, 23(24), 4811–4818.
- Chappard D., Bizot P., Mabilleau G., Hubert L. (2016) Aluminum and bone: Review of new clinical circumstances associated with Al3+ deposition in the calcifed matrix of bone // Morphologie, 100(329), 95-105.
- Clarkson D.T., Sanderson J. (1971) Inhibition of the uptake and long-distance transport of calcium by aluminium and other polyvalent cations. Journal of Experimental Botany, 22(4), 837–851.
- Cournot-Witmer G., Zingraff J., Plachot J. (1981) Aluminum localization in bone from hemodialyzed patients: relationship to matrix mineralization. Kidney International, 20(3), 375–385.
- Ebeling P., Daly R., Kerr D., Kimlin M. (2013) Building healthy bones throughout life: an evidence-informed strategy to prevent osteoporosis in Australia. Medical Journal of Australia, 2(S1), 1–9.
- Elliott J.C. (2002) Calcium phosphate biominerals. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 48(1), 427–453.
- Glimcher M.J. (1960) Specifcity of the molecular structure of organic matrices in mineralization. Calcifcation in Biological Systems, 421487.
- Glimcher M.J. (2006) Bone: nature of the calcium phosphate crystals and cellular, structural, and physical chemical mechanisms in their formation. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 64(1), 223–282.
- Grunenwald A., Keyser C., Sautereau A., Crubezy E., Ludes B., Drouet C. (2014) Revisiting carbonate quantifcation in apatite (bio) minerals: a validated FTIR methodology. Journal of Archaeological Science, 49, 134– 141.
- Hunter G.K., Goldberg H.A. (1993) Nucleation of hydroxyapatite by bone sialoprotein. Proceedings of the National Academy of Sciences, 90(18), 8562–8565.
- Hunter G.K., Hauschka P., Poole A., Rosenberg L., Goldberg H.A. (1996) Nucleation and inhibition of hydroxyapatite formation by mineralized tissue proteins. Biochemical Journal, 317(1), 59–64.
- Komori T. (2015) Animal models for osteoporosis. European Journal of Pharmacology, 759, 287–294.
- Kono T., Sakae T., Nakada H., Kaneda T., Okada H.(2022) Confusion between carbonate apatite and biological apatite (carbonated hydroxyapatite) in bone and teeth. Minerals, 12(2), 170.
- Kourkoumelis N., Balatsoukas I., Tzaphlidou M. (2012) Ca/P concentration ratio at different sites of normal and osteoporotic rabbit bones evaluated by Auger and energy dispersive X-ray spectroscopy. Journal of biological physics, 38, 279–291.
- Legros R., Balmain N., Bonel G. (1987) Age-related changes in mineral of rat and bovine cortical bone. Calcifed Tissue International, 41, 137–144.
- Meunier P., Roux C., Seeman E., Ortolani S., Badurski J., Spector T., Cannata J., Balogh A., Lemmel E., Pors-Nielsen S., Rizzoli R., Genant H., Reginster J. (2004) The effects of strontium ranelate on the risk of vertebral fracture in women with postmenopausal osteoporosis. New England Journal of Medicine, 350(5), 459–468.
- Posner A.S. (1969) Crystal chemistry of bone mineral. Physiological reviews, 49(4), 760–792.
- Posner A.S., Blumenthal N.C., Betts F. (1984) Chemistry and structure of precipitated hydroxyapatites. Phosphate minerals, 330–350.
- Rachner T.D., Khosla S., Hofbauer L.C. (2011) Osteoporosis: now and the future. The Lancet, 377(9773), 1276–1287.
- Reginster J., Seeman E., De Vernejoul M., Adami S., Compston J., Phenekos C., Devogelaer J., Curiel M., Sawicki A., Goemaere S., Sorensen O., Felsenberg D., Meunier P. (2005) Strontium ranelate reduces the risk of nonvertebral fractures in postmenopausal women with osteoporosis: Treatment of Peripheral Osteoporosis (TROPOS) study. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, 90(5), 2816–2822.
- Shi J., Klocke A., Zhang M., Bismayer U. (2005) Thermally-induced structural modifcation of dental enamel apatite: Decomposition and transformation of carbonate groups. European Journal of Mineralogy, 17(5), 769–776.
- Simon P., Rosseeva E., Buder J., Carrillo-Cabrera W. , Kniep R. (2009) Embryonic states of fuorapatite–gelatine nanocomposites and their intrinsic electric feld-driven morphogenesis: the missing link on the way from atomistic simulations to pattern formation on the mesoscale. Advanced Functional Materials, 19(22), 3596–3603.
- Suvorova E.I., Petrenko P.P., Buffat P.A. (2007) Scanning and transmission electron microscopy for evaluation of order/disorder in bone structure. Scanning: The Journal of Scanning Microscopies, 29(4), 162–170.
- Trapp G.A. (1983) Plasma aluminum is bound to transferrin. Life Sciences, 33(4), 311–316.
- Ward J. (1963) Hierarchical Grouping to Optimize an Objective Function // Journal of the American Statistical Association, 58(301), 236-244.
- Zoroddu M., Aaseth J., Crisponi G., Medici S., Peana M., Nurchi V. (2019) The essential metals for humans: a brief overview. Journal of inorganic biochemistry, 195, 120–129.
МИНЕРАЛОГИЯ № 4 2023