Science: почему травмы колена зачастую не заживают?

После нескольких лет жизни в горной стране Швейцарии, катании на лыжах зимой и летних походах по горам, удивительно, что мои связки и хрящи в коленном суставе всё ещё целы. Хотя для того, чтобы повредить связки или мениск вполне достаточно неаккуратно повернуться на офисном кресле или поиграть в футбол (прецеденты имеются).

В научном журнале Science опубликована статья, которая объясняет, почему травмы коленного сустава не заживают, иногда в течение всей жизни пациента. За подробностями изотопного анализа хрящевой ткани добро пожаловать под кат.

Преамбула

Изотопный метод анализа стал широко известен после открытия, так называемого, радиоуглеродного метода датирования ископаемых останков. Как ясно из названия, данный метод имеет дело с изотопным составом материалов и любых других субстанций. Иными словами, метод показывает различие в концентрации между основным, доминантным изотопом данного атома и его «аналогами»: для углерода основной – ¹²С, а ¹³С и ¹⁴С – «аналоги», для кислорода основной – ¹⁶O, а ¹⁵O, ¹⁷O, ¹⁸O – «аналоги».

Каждый элемент имеет свой изотопный ряд, в том числе и относительно долго живущих изотопов, концентрация которых может быть измерена и употреблена с какой-либо полезной целью.

Разнообразие изотопов в природе

В прошлый раз мы кратко коснулись применения данного метода к определению подлинности вина и продуктов питания, сегодня же поговорим о нас с вами.

Фабула

Если вы, дорогие мои читатели, серьёзно упали на горнолыжном склоне или поскользнулись на льду, то, скорее всего, вы будете надеяться сломать что-нибудь (руку или ногу, например), чем повредить коленный сустава, особенно мениск или связки. В отличие от костей, которые относительно быстро восстанавливаются, хрящевая ткань, согласно новому исследованию, не восстановятся никогда после определённого возраста (возможно, за редким исключением). Как ни странно, но ядерные взрывы 60-летней давности помогли данному исследованию появиться на свет.

Строение коленного сустава. Источник

«Хирурги, которые практикуют замену частей коленного сустава, не должны бояться [нашего исследования]», – говорит соавтор исследования и ревматолог Майкл Кьер (Michael Kjær) из Университета Копенгагена. «Они ещё найдут себе работу в течение некоторого времени.»

Спортсмены, экстремалы, да и просто обычные люди, повредившие коленный сустав, могут подтвердить, травмы колена зачастую не заживают очень длительное время и им приходится жить с болезненными ощущениями и ограничивать себя всю оставшуюся жизнь. Но так как внутри живого организма очень сложно проконтролировать оборот хрящевых тканей, то учёные и медики до конца не были уверены, как на самом деле происходит (и происходит ли) процесс заживления.

Чтобы это выяснить Майкл Кьер вместе со своими коллегами использовал радиоизотопный метод, чтобы узнать возраст молекул по измерению концентрации ¹⁴С в тканях. Количество углерода ¹⁴С резко возросло в атмосфере с началом ядерной эры и активных ядерных испытаний в 1950-х годах. Однако в связи с запретом на наземные ядерные взрывы, его количество в атмосфере быстро снизилось после 1963 года.

Конечно, часть этого углерода попала в человеческие организмы вместе с пищей и воздухом. Если молекула «стара» и не заменялась естественным образом в течение жизни человека, то содержание изотопа ¹⁴С будет соответствовать тому атмосферному уровню, когда он был ребёнком или подростком. То есть у 60-70-летних пациентов должен наблюдаться повышенный уровень изотопа в тканях. И наоборот, если хрящевая ткань восстанавливается, то для постройки новых молекул используется новое «сырьё», обеднённое по отношению к изотопу ¹⁴С, то есть его концентрация будет близка к нынешнему атмосферному уровню.

Итак, вооружившись данным методом, учёные изучили уровень изотопа ¹⁴С из хрящевого материала, взятого из коленного сустава 22 пациентов, родившихся до 2000 года и перенёсших операцию по замене хрящевых тканей по медицинским показаниям. Проверялись как места с высоким уровнем нагрузки (в центре сустава), так и с малым (по краям).

Оказалось, что у пациентов в возрасте от 8 до 13 лет уровень изотопа ¹⁴С в коллагене (основном пластичном компоненте хрящевой ткани, хотя в работе проверяли и другие органические молекулы с аналогичными результатами) оказался близок к атмосферному уровню. У одного пациента, родившегося до ядерной эры в 1935 году, коллаген практически не содержал данного изотопа. Напротив, у нескольких пациентов, родившихся в 1950-х годах, уровень ¹⁴С в тканях оказался сильно повышен, подтвердив изначальную гипотезу.

Этот прямой метод измерения оборота коллагена в хрящевой ткани (к сожалению, инвазивный) идёт в разрез с некоторыми предыдущими исследованиями, которые использовали косвенные методы наблюдения. Даже в тех областях сустава, которые находятся под большой нагрузкой, организм взрослых не способен регенерировать коллаген aka хрящевую ткань.

Получается, что открытие фактически ставит крест на целой отрасли медицины, которая использовала инъекции стволовых клеток и некоторые другие методы для «самовосстановления» тканей коленного сустава.

Исследование в очередной раз подчёркивает важность защиты коленного сустава и связок в нём от экстремальных нагрузок и повреждений. С этим же выводом соглашается и биолог Ричард Лоэсер (Richard Loeser) из Университета Северной Каролины: «Вы должны заботиться о своих суставах, пока Вы молоды. После того, как у Вас уже повреждён мениск или связки [поздно пить Боржоми] так как они сами себя не восстановят».

Оригинальная статья «Radiocarbon dating reveals minimal collagen turnover in both healthy and osteoarthritic human cartilage» опубликована в Science Translational Medicine (DOI: 10.1126/scitranslmed.aad8335).

Заметка «Why knee injuries often don’t heal» опубликована в Science (DOI: 10.1126/science.aag0634).