Микроэлементы в профилактике остеопороза: фокус на кремний

АННОТАЦИЯ

Обзор посвящен роли микроэлемента кремния в процессе ремоделирования костной ткани и возможности использования кремнийсодержащих добавок в комплексной профилактике остеопороза. В экспериментальных исследованиях доказано участие кремния в развитии соединительной ткани, формировании и минерализации костной ткани. В немногих клинических исследованиях продемонстрирован положительный эффект кремнийсодержащих добавок на костную массу и маркеры костного метаболизма. Привлекает внимание появление комбинированных соединений, содержащих ортокремниевую кислоту (ОКК), обладающую максимальной биодоступностью. Ввиду того, что потенциальная биологическая роль кремния и доля участия его в остеогенезе изучены не до конца, растущее внимание медицинской общественности к этому важному нутриенту позволит улучшить понимание его роли и места в формировании здоровой костной ткани и использовать для предупреждения развития остеопороза.

В настоящее время выявлен ряд микронутриентов, принимающих участие в обмене костной ткани человека. Больше всего исследований проведено с кальцием и витамином Д; показана их профилактическая роль в развитии остеопороза (ОП) и связанных с ним переломов. Однако различия в частоте остеопороза и риске переломов между популяциями объясняются не только разницей в потреблении этих двух элементов питания. Важную роль при этом играют генетические факторы и дефицит эстрогенов у женщин, определяющие скорость костного обмена и снижения костной массы в период постменопаузы, поведенческие факторы риска и пищевые привычки. Вместе с тем, недостаточность таких витаминов, как В6,В12,С,К и микроэлементов: цинка, бора, магния и меди, марганца, фтора, селена, способствует нарушениям метаболизма костной ткани и снижению костной массы. В последнее время все больше внимания уделяется еще одному важному компоненту формирования и ремоделирования костной ткани — кремнию. 

Целью данного обзора является определение роли кремния в метаболизме костной ткани и привлечение внимания к изучению этого микроэлемента для дальнейшего использования в комплексной профилактике ОП и связанных с ним переломов. 

Кремний — химический элемент c атомным весом 28, который обозначается символом Si (silicon). Кремний относится к числу обязательных (эссенциальных) микроэлементов, принимающих участие в строении отдельных органов и регуляции жизненно важных функций организма. Базовые экспериментальные исследования по содержанию кремния в организме лабораторных животных, в результате которых был сделан вывод об участии этого микроэлемента в развитии соединительной ткани и формировании скелета, относят к началу 70-х годов. В опытах, проводимых на цыплятах и грызунах, была показана необходимость достаточного количества кремния для их нормального роста и развития. В случаях недостатка этого микроэлемента у цыплят развивались аномалии, такие как деформация черепа, уменьшение и истончение костей скелета, приводящих к многочисленным переломам; в единичных случаях у животных отсутствовал гребень. У крыс отмечалась потеря волосяного покрова, появлялись признаки себореи, снижение мышечного тонуса и нарушение структуры эмали зубов. В физиологических концентрациях кремний способствовал инкорпорированию кальция в костную ткань крыс в сравнении с животными, имевшими дефицит микроэлемента в сыворотке. В одном исследовании было выявлено небольшое повышение минеральной плотности кости (МПК) на фоне систематического употребления пищи, богатой кремнием, у растущих крыс. Позднее продемонстрировано влияние кремния на МПК у крыс после овариоэктомии. При использовании пищевой добавки, содержащей кремний, усиливалось формирование костной ткани и уменьшалась резорбция у животных с индуцированным постменопаузальным ОП . Поскольку не всегда можно экстраполировать результаты исследований животных на человеческую популяцию, изучались эффекты кремния в культуре клеток и в организме человека. На примере клеточных линий остеобластов и стромальных стволовых клеток костного мозга человека было показано, что ортокремниевая кислота (OKK) в физиологической концентрации активизирует дифференцировку остеобластов и повышает уровень маркеров формирования кости, включая коллаген I типа – главный органический компонент костного матрикса. Значимость кремния для поддержания нормального состояния опорно-двигательной системы была подтверждена в ходе эпидемиологических исследований когорт взрослого населения США и Англии. Полное отсутствие кремния в рационе рассматривалось в качестве одной из основных причин остеомаляции, распространенной среди обитателей стран Северной Африки. Кремний не синтезируется в организме, и основными источниками его для человека являются твердые пищевые продукты, с которыми поступает до 70-80% микроэлемента и вода (20-30%). Иногда кремний поступает в организм человека через органы дыхания при наличии вредных профессиональных факторов на производстве, связанном с переработкой неорганических соединений. Из пищевых продуктов в виде ОКК кремний всасывается в тонком кишечнике на 50 – 80%. В природе кремний существует в виде диоксида кремния, силикатов и алюмосиликатов, однако человеческий организм усваивает только водорастворимую форму – ОКК, которая содержится в некоторых растениях и в воде. В некоторых реках, а также в скважинах диоксид кремния присутствует в виде чрезвычайно мелко диспергированных коллоидных частиц, которые не обладают катализаторной активностью в организме человека. Другие природные источники воды содержат ОКК, куда она попадает вследствие эрозии почвы. Но современные очистительные системы центрального водоснабжения разрушают ОКК, которая является крайне нестабильным соединением. Она быстро полимеризуется и превращается в гель и в таком состоянии не всасывается в тонком кишечнике, где происходит максимальная абсорбция микроэлемента. В организме здорового человека содержится, по данным разных авторов, от 1 до 2,5 гр. кремния; при этом усваивается 9 – 14 мг/сут, выделяется с мочой около 9 мг/сут. Более 40% кремния удаляется из организма через органы выделительной системы, причем количество кремния в моче положительно коррелирует с содержанием в пищевых продуктах. Количество потребляемого кремния у людей, проживающих в Европейских странах, составляет 20-50 мг/сут, а среди живущих в Китае и Индии 140 – 204 мг/сут. Высокий уровень потребления кремния у последних объясняется преимущественно вегетарианским рационом жителей восточного полушария. В настоящее время не разработаны нормы потребления кремния и только в одном исследовании, проведенном в Финляндии, были установлены нормативные значения для детского и взрослого контингентов, составляющие 27 мг/сут. и 29 мг/сут., соответственно. Токсические дозы кремния, поступающего в пищеварительный тракт, не идентифицированы, поскольку они в 1000 раз превышают нормы пищевого потребления микроэлемента. Однако в экспериментальных исследованиях на индюках было показано, что очень высокое содержание кремния в диете снижает абсорбцию кальция в кишечнике. В исследованиях, проведенных в Англии и Северной Америке, было показано, что поступление кремния в организм уменьшается с возрастом и у женщин в постменопаузальном периоде составляет 18 мг/сут, что существенно ниже потребляемого населением в целом 30-40 мг/сут. Потребление кремния ежегодно уменьшается около 0,1 мг/год. Примечательно, что у женщин в постменопаузальном периоде выявлен более низкий уровень усвояемости кремния по сравнению с женщинами в репродуктивном периоде. Основными источники кремния для детей являются злаковые растения. Важным источником биологически активного кремния для взрослых считается пиво и биодоступность пивного кремния достигает 50%. Согласно данным Национального института здоровья США (NIH) кремний, содержащийся в пиве в форме ОКК, способствует укреплению и оздоровлению костной системы. Однако в безалкогольном пиве помимо полезных витаминов и микроэлементов содержатся солод и хмель, которые способствуют увеличению массы тела и развитию ожирения. А пиво, содержащее алкоголь, при чрезмерном употреблении, помимо ожирения, способствует развитию пивного алкоголизма, что делает недопустимой рекомендацию по широкому использованию пивных напитков с целью восполнения недостатка кремния. К перечню продуктов, богатых соединениями кремния, относятся злаки, рис, гречка, кукуруза и кукурузное масло, фасоль, некоторые фрукты (бананы) и овощи (красный и болгарский перец, тыква), орехи, минеральная вода. Необходимо отметить, что пища с высоким содержанием волокон (фрукты и овощи) снижает всасываемость минералов в пищеварительном тракте, включая кремний. Дефицит кремния в организме развивается при ежедневном поступлении менее 5мг в сутки. Причинами его дефицита в организме современного человека могут быть избыточное потребление углеводов и рафинированной пищи, пониженная кислотность желудочного сока. Согласно санитарно-эпидемиологическим правилам и нормативам СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества», в питьевой воде содержание кремния не должно превышать 10 мг/л. Несмотря на рекомендации пить не менее 2-литров жидкости в день, пожилые люди пьют мало воды, не употребляют пиво и редко используют растительную пищу, содержащую кремний, поэтому могут испытывать дефицит этого микроэлемента. Биодоступность кремния снижается в состоянии гипокинезии или иммобилизации, тогда как избыточное его расходование происходит при быстром росте и выраженных физических нагрузках организма. 

Роль кремния в костном ремоделировании и развитии соединительной ткани

Кремний необходим для образования и нормального развития соединительной ткани, которая широко представлена во всех органах, но в большей степени в костях, хрящах, сухожилиях, хрусталике глаза, сосудах, клапанном аппарате сердца, коже и ее дериватах – волосах и ногтях. На стадии формирования костной ткани концентрация его соединений оказывается в 25 раз выше, чем в прилегающих областях, уменьшаясь по мере повышения степени минерализации костного матрикса. Согласно предположению E. M. Carlisle основная функция кремния в ремоделировании костной ткани сводится к улучшению минерализации вновь образованного матрикса. Поскольку при измерении маркеров костного обмена в сыворотке крови показатели костной резорбции достоверно не менялись, а уровень маркеров костеобразования повышался, можно предположить, что кремний стимулирует минерализацию, не влияя на скорость костного обмена. Известно, что коллагеновый матрикс еще не сформированной кости обладает пьезоэлектрическими свойствами и генерирует электрические потенциалы при действии нагрузки на кость. Минерализация кости развивается в электроотрицательных областях, которые образуются вследствие компрессии. В связи с этим, возможно, кремний играет роль в электромеханическом процессе минерализации, но точная биологическая роль кремния остается неизвестной. 

Кремний обнаружен в составе поли- и мукополисахаридов; он присутствует в структуре гликозаминогликанов – хондроитинсульфата и гиалуроновой кислоты. ОКК обеспечивает связь между полисахаридными цепями гликозаминогликанов и их взаимодействие с белками соединительной ткани. 

Данный микроэлемент способствует формированию компонентов матрикса соединительной ткани, обеспечивая физико-химические свойства кости путем активации одних ферментов (таких как лизилоксидаза) и ингибирования других (ацетилхолинэстераза, сукцинатдегидрогеназа, гиалуронидаза). 

Входя в структуру коллагеновых фибрилл, ОКК способствует сохранению эластичности и гибкости соединительной ткани. Вероятно, она может регулировать активность гена, кодирующего молекулу коллагена первого типа, одновременно выступая в роли кофактора пролил гидроксилазы (prolylhydroxylase) – фермента, необходимого для его синтеза. Высказывается мнение о наличии некоего кофактора, возможно, алиментарного происхождения, способного оказывать влияние на концентрацию кремния в костной ткани. Среди претендентов называется витамин К, принимающий участие в процессе у-карбоксилирования остеокальцина – витамин К-зависимого белка, синтезируемого остеобластами при формировании костной ткани и играющего немаловажную роль в регулировании минерализации скелета. Дефицит витамина K чреват развитием остеопении и повышением риска переломов, в то время как его использование в качестве пищевой добавки повышает показатели прочности кости. Не исключено, что промежуточным звеном между ними являются минеральные элементы, в числе которых может быть и кремний. 

Влияние кремнийсодержащих добавок на костную массу

После того, как была показана потенциальная роль кремния в костном ремоделировании, был проведен ряд клинических исследований по изучению влияния кремния в составе пищевых добавок на костную массу и прочность костной ткани. 

В двух эпидемиологических исследованиях показано повышение МПК при использовании диеты с высоким содержанием кремния. Во Фрамингемском когортном исследовании при потреблении пищи, содержащей кремний, отмечено достоверное повышение МПК в бедре как у женщин в пременопаузе, так и у мужчин, однако у женщин в постменопаузальном периоде МПК не изменялась. 

В другом проспективном исследовании Aberdeen Prospective Osteoporosis Screening Study (APOSS) была также продемонстрирована положительная ассоциация с МПК позвоночника и шейки бедра с содержанием кремния в пище у пременопаузальных женщин и постменопаузальных, принимающих заместительную гормональную терапию (ЗГТ). Слабо положительная связь наблюдалась у женщин в постменопаузе, которые в прошлом принимали ЗГТ, и полностью отсутствовала у тех, кто никогда не использовал ЗГТ. Высказываемое мнение, что эстрогены и кремний потенцируют действие друг друга. 

Добавки, содержащие кремний, применяются в разных областях. Исследования биологической активности органических соединений кремния, проведенные еще в СССР, позволили синтезировать вещества, обладающие ярко выраженными нейротропными, ранозаживляющими, противоопухолевыми и иммуномодулирующими действиями. 

В заключении можно утверждать, что меры по профилактике переломов, связанных с остеопорозом, должны быть комплексными и включать, помимо специальных антиостеопоротических препаратов, дозированную физическую нагрузку и правильное питание, сбалансированное по содержанию кальция, витамина D, белков и микроэлементов. Среди эссенциальных нутриентов важную роль в формировании и минерализации костной ткани, а также в развитии соединительной ткани играет кремний. В последнее время возросло количество экспериментальных и клинических исследований, в которых показано положительное влияние кремнийсодержащих добавок на МПК и активно обсуждается возможность использования их в комплексной профилактике остеопороза. Однако потенциальная биологическая роль кремния и доля участия его в остеогенезе изучены не до конца. Растущее внимание медицинской общественности к этому важному нутриенту позволит улучшить понимание его роли и места в здоровье костной ткани.