Введение

На механическое поведение твердых тканей, таких как кости и зубы, существенно влияют возрастные изменения, которые изменяют их состав, структуру и производительность в течение всей жизни. Эти ткани выполняют критические несущие и защитные функции, а их прогрессирующее ухудшение с возрастом представляет собой серьезные клинические проблемы в ортопедии, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Понимание этих изменений имеет решающее значение для клиницистов и исследователей для улучшения стратегий лечения, разработки лучших материалов для стоматологических и ортопедических применений и разработки вмешательств, которые поддерживают целостность тканей в пожилых популяциях.

Возрастные модификации твердых тканей выходят за рамки простой потери минералов. Они охватывают изменения в коллагеновых поперечно-сшивающих моделях, микроархитектурное ухудшение, изменения в содержании воды и накопление микроповреждений, которые коллективно ухудшают механические свойства, такие как вязкость, эластичность и усталостная устойчивость. Эти изменения повышают восприимчивость к переломам, компрометируют восстановление зубов и снижают показатели успеха хирургических имплантатов. В этой статье подробно рассматривается, как старение влияет на механическое поведение костей и зубов, с акцентом на основные механизмы, клинические последствия и новые стратегии для смягчения этих эффектов.

Обзор композиции Hard Tissue

Твердые ткани представляют собой композиционные материалы, в основном состоящие из минерализованного внеклеточного матрикса. Неорганический компонент состоит в основном из кристаллов гидроксиапатита (Ca10(PO4)6(OH)2), которые обеспечивают жесткость, прочность на сжатие и твердость. Органическая матрица представляет собой преимущественно коллагеновые волокна типа I, расположенные в иерархической структуре от наномасштаба до макромасштаба. Эта коллагеновая сеть придает гибкость и прочность на растяжение, позволяя твердым тканям поглощать энергию и противостоять разрыву при физиологической нагрузке.

Состав и организация этих компонентов различаются между костной и зубной тканями.Кость проявляет пористую, динамическую структуру, которая подвергается непрерывному ремоделированию посредством скоординированных действий остеобластов, остеокластов и остеоцитов. Напротив, зубные ткани, такие как эмаль, дентин и цемент, в значительной степени бесклеточны после созревания и демонстрируют минимальную способность к ремоделированию. Эмаль является наиболее минерализованной тканью в организме, с содержанием минералов примерно 96% по весу, в то время как дентин содержит около 70% минеральной и 20% органической матрицы, в первую очередь коллаген. Эти композиционные различия приводят к различным механическим свойствам, которые меняются по-разному с возрастом.

Возрастные изменения в жестких тканях

По мере старения твердых тканей происходит несколько структурных и композиционных изменений, которые влияют на их механические свойства. Эти изменения многофакторны, включают генетические, гормональные, пищевые и экологические воздействия. Наиболее значительные возрастные модификации включают снижение минеральной плотности, изменения в сшивании коллагена, увеличение накопления микроповреждений и изменения содержания воды и пористости.

Косточки меняются с возрастом

Плотность костей имеет тенденцию уменьшаться с возрастом после достижения пиковой костной массы в раннем взрослом возрасте, обычно около 30 лет. У женщин ускоренная потеря костной массы происходит в течение первых 5-10 лет после менопаузы из-за отмены эстрогена, что приводит к ежегодной потере 2-3% корковой кости и 5-10% трабекулярной кости. Это снижение приводит к повышенной хрупкости и более высокому риску переломов, особенно в бедре, позвоночнике и запястье. Остеопороз, состояние, характеризующееся ослабленной прочностью костей, поражает примерно 54 миллиона американцев и ответственен за 2 миллиона переломов ежегодно только в Соединенных Штатах.

Микроархитектура кости с возрастом ухудшается несколькими способами. Трабекулярная кость подвергается истончению и потере связи, превращая пластинчатую структуру в стержнеподобную структуру, которая менее способна противостоять сжимающим и сдвигающим силам. Кортикальная кость становится более пористой из-за увеличения внутрикортикального ремоделирования, создавая пустоты, которые действуют как концентраторы напряжения. Эти архитектурные изменения снижают способность кости поглощать энергию и сопротивляться перелому даже у людей с нормальной минеральной плотностью кости по стандартам двухэнергетической рентгеновской абсорбционометрии.

Коллагеновые поперечно-сшивающие паттерны также меняются с возрастом. Ферментативные поперечные связи, обеспечивающие структурную целостность, становятся менее распространенными, в то время как неферментативные поперечные связи, образующиеся в результате прогрессирующего гликирования конечных продуктов (AGE), накапливаются. AGE закрепляют коллагеновую сеть и снижают ее способность к пластической деформации, делая кость более хрупкой и повышая ее восприимчивость к распространению трещин. Этот механизм особенно важен при диабете, где гипергликемия ускоряет образование AGE и еще больше ухудшает качество костей.

Накопление микроповреждений является еще одним признаком старения костей. Микроскопические трещины, называемые линейными микротрещинами и диффузными повреждениями, накапливаются по всей костной матрице из-за повторяющейся нагрузки и снижения ремонтной способности. Апоптоз остеоцитов увеличивается с возрастом, что ставит под угрозу способность кости обнаруживать и восстанавливать микроповреждения путем целенаправленного ремоделирования. Это приводит к положительной обратной связи, когда накопление повреждений еще больше ухудшает качество костей и увеличивает риск переломов.

Изменения зубной ткани

Твердые ткани зуба также испытывают значительные возрастные модификации, которые влияют на их механические характеристики. Эмаль становится более хрупкой с возрастом из-за нескольких факторов: снижение содержания воды, увеличение минеральной плотности и изменения в органической матрице. Содержание воды эмали уменьшается примерно на 10-15% между молодостью и старостью, уменьшая ее способность рассеивать энергию и делая ее более подверженной разрыву и перелому. Повышенная минеральная плотность закаляет эмаль, но снижает ее прочность на перелом, делая ее более восприимчивой к инициированию трещин и распространению под окклюзионными нагрузками.

Дентин проявляет более сложные возрастные изменения. Вторичное осаждение дентина продолжается на протяжении всей жизни, постепенно уменьшая размер мякотной камеры и объем коронального дентина. Это осаждение изменяет распределение напряжения внутри зуба, потенциально влияя на резистентность к переломам. Дентин также подвергается повышенному склерозу, при окклюзии дентиновых канальцев интратубулярным дентином и образовании перитубулярного дентина. Этот склероз снижает проницаемость дентина и может влиять на его способность поглощать энергию при нагрузке. Коллагеновая матрица дентина накапливает AGE, похожие на кость, что приводит к повышенной жесткости и снижению вязкости.

Цемент, минерализованная ткань, покрывающая корни зубов, продолжает откладываться на протяжении всей жизни, увеличиваясь в толщине в 2–3 раза между молодостью и старостью. Этот гиперцементоз может влиять на механические характеристики комплекса пародонтальных связок и изменять перенос нагрузки от зуба к альвеолярной кости. Механические свойства выдержанного цемента плохо характеризуются, но его повышенная толщина может способствовать резистентности к переломам корней у пожилых пациентов.

Периодонтальная связка подвергается возрастной дегенерации с пониженной плотностью коллагеновых волокон, снижением клеточности и увеличением накопления AGE. Эти изменения снижают способность связки поглощать и распределять окклюзионные силы, потенциально увеличивая механические требования к основному цементу и альвеолярной кости. Результирующие изменения распределения нагрузки могут способствовать увеличению подвижности зубов и риска переломов у пожилых людей.

Последствия для механического поведения

Возрастные изменения влияют на механическое поведение твердых тканей с помощью нескольких взаимосвязанных механизмов.Понимание этих последствий имеет важное значение для прогнозирования риска переломов, проектирования стоматологических реставраций и разработки материалов для ортопедических и зубных имплантатов, которые соответствуют механическим свойствам старых тканей.

Сниженная жесткость

Жесткость, энергия, необходимая для распространения трещины до отказа, существенно уменьшается с возрастом как в костной, так и в зубной тканях. В кости жесткость уменьшается на 30-50% между молодым взрослым и пожилым возрастом, в зависимости от места скелета и направления нагрузки. Это снижение в первую очередь обусловлено охрупкостью коллагеновой сети от перекрестного сшивания AGE, что снижает способность ткани подвергаться пластической деформации перед кончиками трещин. Увеличение содержания минералов и снижение содержания воды также способствуют, делая ткань более хрупкой. Клиническое следствие заключается в том, что старая кость более склонна к росту трещин под ударными нагрузками, что приводит к переломам от падений, которые не будут вызывать травму у молодых людей.

У зубов пониженная вязкость проявляется как повышенная восприимчивость к сколованию эмали и растрескиванию дентина. Вязкость эмали с возрастом снижается примерно на 20-30%, что делает ее более уязвимой к переломам при обычной мастикации или от случайной травмы. Вязкость дентина также снижается, но в меньшей степени, из-за более высокого содержания коллагена. Сочетание хрупкой эмали и менее совместимого дентина создает механическое несоответствие, которое может увеличить концентрации стресса на дентин-эмальном соединении, общем месте для инициации трещины в старых зубах.

Снижение эластичности

Эластичность, способность ткани деформироваться обратимо под нагрузкой, с возрастом снижается как в костях, так и в зубах.Модуль Янга, мера жесткости, обычно немного увеличивается или с возрастом остается стабильным в кости, при этом пост-доходный штамм значительно уменьшается. Это означает, что стареющая кость может выдерживать меньшую деформацию до наступления постоянного повреждения, уменьшая свою способность поглощать энергию от ударов. Снижение эластичности объясняется повышенной минерализацией, накоплением AGE-сшивок и снижением содержания воды, все из которых закаляют коллаген-минеральный композит.

В зубных тканях эмаль с возрастом становится жестче и менее эластичной, утрачивая способность приспосабливаться к сжимающим деформациям без переломов. Дентин также показывает пониженную эластичность, хотя величина изменения меньше, чем в эмали. Потеря эластичности в дентин-эмальном комплексе снижает способность зуба равномерно распределять окклюзионные нагрузки, концентрируя стресс в конкретных точках и увеличивая риск переломов, особенно в зубах с существующими реставрациями или трещинами.

Измененное распределение нагрузки

Изменения микроархитектуры кости и геометрии зубов изменяют распределение нагрузок в этих тканях во время физиологической активности. В кости трабекулярное истончение и потеря связи создают области высокой концентрации напряжения, которые превышают прочность выхода ткани, что приводит к локальному сбою, который может распространяться до катастрофического перелома. Кортикальная пористость кости создает усилители напряжения, которые уменьшают эффективную площадь поперечного сечения, доступную для переноса нагрузки, увеличивая вероятность усталостного сбоя при циклической нагрузке.

В зубах вторичное осаждение дентина и уменьшение целлюлозной камеры изменяют внутреннюю геометрию, изменяя распределение напряжений внутри коронки и корня. Анализы конечных элементов показали, что у старых зубов наблюдаются более высокие пиковые напряжения на окклюзионной поверхности и на цементоэнамелевой развязке при симулированных мастикаторных нагрузках. Такое измененное распределение нагрузки может способствовать увеличению частоты переломов зубов и трещин корней, наблюдаемых в пожилом населении.

Снижение сопротивления усталости

Устойчивость к усталости, способность выдерживать повторную нагрузку без сбоев, снижается с возрастом в твердых тканях. В кости утомляемость жизни снижается на 50-80% между молодым возрастом и старостью, а это означает, что старая кость выходит из строя после меньшего количества циклов нагрузки на том же уровне стресса. Это снижение объясняется снижением способности к восстановлению повреждений, увеличением накопления микроповреждений и деградацией коллагеновой сети. Клиническим следствием является то, что пожилые люди более восприимчивы к стрессовым переломам от малоударных видов деятельности, таких как ходьба или стояние, особенно в нижних конечностях.

Стоматологические ткани также демонстрируют пониженную утомляемость с возрастом. Эмаль и дентин показывают снижение циклической усталости от мастикации, бруксизма и других стоматологических нагрузок. Это способствует увеличению частоты неудачи восстановления зубов, перелома лопатки и растрескивания корней у пожилых пациентов. Сочетание сниженной утомляемости и измененного распределения нагрузки делает старые зубы особенно уязвимыми к отказу от повторных окклюзионных сил.

Клеточные и молекулярные механизмы возрастных изменений

Структурные и механические изменения в старых твердых тканях происходят из клеточных и молекулярных процессов, которые развиваются в течение жизни. В кости плотность остеоцитов уменьшается с возрастом из-за апоптоза, что ставит под угрозу механосенсорную сеть, которая обычно регулирует ремоделирование костей в ответ на механические нагрузки. Снижение функции остеоцитов ухудшает обнаружение микроповреждений и набор остеокластов для целенаправленного восстановления, позволяя повреждениям накапливаться беспрепятственно. Активность остеобластов также снижается, снижая скорость образования костей и приводя к чистой потере костной массы. Активность остеобластов может увеличиваться у женщин в постменопаузе из-за дефицита эстрогена, ускоряя резорбцию костей за пределами скорости образования.

В зубных тканях клеточные механизмы возрастных изменений различаются из-за ограниченной ремоделирующей способности зубов. Одонтобласты, клетки, ответственные за образование дентина, с возрастом подвергаются постепенному старению и снижению активности. Это приводит к уменьшению отложения реакционного и третичного дентина в ответ на травму или износ, что ставит под угрозу способность зуба к самовосстановлению. Клетки целлюлозы подвергаются апоптозу и уменьшению пролиферации, что приводит к уменьшению способности ткани к восстановлению и снижению иннервации, что ставит под угрозу способность зуба реагировать на механический стресс. Накопление AGE в коллагене дентина происходит за счет неферментативной гликации, процесса, ускоряемого окислительным стрессом и воспалением, которое увеличивается с возрастом.

Окислительный стресс играет центральную роль в клеточном старении как костной, так и зубной тканей. Реактивные формы кислорода (РОС) с возрастом накапливаются и вызывают повреждение белков, липидов и ДНК, компрометируя клеточную функцию и способствуя апоптозу. В кости РОС ухудшают дифференцировку и функцию остеобластов, способствуя остеокластогенезу, способствуя потере чистой кости. В зубных тканях РОС повреждают одонтобласты и клетки пульпы, снижая их способность к образованию и восстановлению дентина. Защитные силы антиоксидантов снижаются с возрастом в обеих тканях, сдвигая баланс в сторону окислительного повреждения и ускоряя деградацию тканей.

Клинические последствия

Возрастная деградация механических свойств твердой ткани имеет глубокие клинические последствия для риска переломов, успеха восстановления зубов и хирургических исходов. Остеопоротические переломы затрагивают одну из трех женщин и одного из пяти мужчин старше 50 лет, причем переломы бедра вызывают значительную заболеваемость и смертность. Риск переломов позвонков увеличивается экспоненциально с возрастом старше 60 лет, что обусловлено потерей костной ткани и снижением прочности сжатия позвонков. Текущая клиническая оценка риска переломов в первую очередь зависит от измерений минеральной плотности костей, которые охватывают только около 60-70% изменения прочности костей. Включение оценок качества костей, включая микроархитектуру и перекрестное связывание коллагена, может улучшить прогнозирование риска переломов, особенно у пациентов с нормальной или пограничной плотностью костей.

В стоматологии механические свойства старых тканей представляют особые проблемы для восстановительного и протезного лечения. Стоматологические реставрации, помещенные у пожилых пациентов, испытывают более высокие показатели отказов из-за повышенной ломкости зубов, уменьшенной адгезии дентина и несоответствия между восстановительными свойствами и окружающей тканью. Снижение жесткости стареющей эмали увеличивает риск маргинального скола вокруг композиционных реставраций, в то время как снижение эластичности дентина может привести к переломам корней под стрессами, создаваемыми зубными имплантатами. Имплантатная остеоинтеграция может быть скомпрометирована в стареющей кости из-за снижения остеогенной способности, а последующая механическая производительность интерфейса имплантата-косточки зависит от снижения качества кости и измененного распределения нагрузки. Тщательное рассмотрение старения тканей необходимо при выборе восстановительных материалов и разработке имплантированных протезов для пожилых пациентов.

Стратегии смягчения возрастных изменений

Исследования продолжают изучать стратегии смягчения последствий старения на твердые ткани, включая фармакологические подходы, биоматериалы, регенеративные методы и вмешательства в образ жизни, направленные на восстановление или усиление механических свойств.

Фармакологические вмешательства для костей включают бисфосфонаты, которые снижают резорбцию кости и поддерживают костную массу; аналоги паратиреоидных гормонов, которые стимулируют образование костей; и деносумаб, ингибитор RANKL, который снижает активность остеокластов. Эти агенты в первую очередь направлены на костную массу и микроструктуру, с ограниченным воздействием на качество коллагена или накопление AGE. Новые методы лечения, направленные на формирование AGE или способствующие клиренсу AGE, представляют собой многообещающие возможности для улучшения качества кости независимо от минеральной плотности. Для стоматологических тканей разрабатываются актуальные фторидные приложения, которые могут уменьшить хрупкость эмали, и разрабатываются биоактивные стеклянные материалы, которые высвобождают ионы для содействия реминерализации и восстановлению тканей.

Стратегии биоматериалов направлены на разработку материалов, соответствующих механическим свойствам старых тканей для снижения концентрации стресса и улучшения переноса нагрузки. Для ортопедических применений композиционные материалы с адаптированной жесткостью и прочностью могут быть разработаны для соответствия сниженному модулясу и резистентности к переломам стареющей кости, снижения риска перипротезных переломов и повышения долговечности имплантата. В стоматологии восстановительные материалы с меньшей жесткостью могут снижать напряжение на интерфейсе восстановления зубов, уменьшая частоту предельного отказа и вторичного кариеса. Биоматериалы, которые высвобождают биологически активные агенты, такие как факторы роста или анти-AGE соединения, могут активно улучшать механические свойства окружающих твердых тканей с течением времени.

Подходы регенеративной медицины направлены на восстановление или замену старых твердых тканей функциональными тканевыми эквивалентами. Терапия стволовыми клетками для регенерации костей использует мезенхимальные стволовые клетки из костного мозга или жировой ткани для содействия остеогенезу и улучшения качества костей. Системы доставки факторов роста с использованием фактора роста тромбоцитов (PDGF) или костных морфогенетических белков (BMP) стимулируют новое формирование костей и могут обратить вспять возрастную потерю костной массы. Для стоматологических тканей регенерация пульпы с использованием стволовых клеток из отшелушенных лиственных зубов или стволовых клеток зубной пульпы обещает восстановление образования дентина и жизнеспособности зубов в старых зубах. Разрабатываются подходы биопечати и тканевой инженерии для создания специфических для пациента костных трансплантатов и стоматологических тканей с контролируемыми механическими свойствами.

Факторы образа жизни играют решающую роль в поддержании механических свойств твердой ткани на протяжении всей жизни. Весовые упражнения стимулируют формирование костей и улучшают микроархитектуру костей, при этом тренировка с отягощениями показывает особую пользу для костной массы и силы. Адекватное потребление кальция, витамина D и белка поддерживает здоровье костей, при этом избегая курения и чрезмерного потребления алкоголя снижает окислительный стресс и накопление AGE. Пищевые вмешательства с антиоксидантами, такими как витамин С и витамин Е, могут уменьшить окислительное повреждение в твердых тканях, хотя клинические данные остаются ограниченными. Для стоматологических тканей поддержание хорошей гигиены полости рта и снижение потребления кислых продуктов и напитков сохраняет целостность эмали и снижает скорость эрозии.

Будущие направления

Растущее понимание возрастных изменений в механическом поведении твердой ткани стимулирует инновации в нескольких областях исследований. Передовые методы визуализации, такие как периферическая количественная компьютерная томография с высоким разрешением и микрокомпьютерная томография, позволяют in vivo оценивать микроархитектуру костей и могут использоваться для мониторинга возрастных изменений и ответов на лечение у пациентов. Рамановская спектроскопия и инфракрасная визуализация с преобразованием Фурье предоставляют информацию о перекрестном связывании коллагена и минеральном составе, что потенциально позволяет неинвазивную оценку качества ткани наряду с традиционными измерениями плотности костной ткани.

Разработаны подходы к вычислительному моделированию, включающие анализ конечных элементов и многомасштабные модели механики, для прогнозирования механического поведения старых твердых тканей на основе их микроструктуры и состава. Эти модели могут имитировать влияние возрастных изменений на риск переломов и производительность имплантатов, позволяя клиницистам оптимизировать стратегии лечения для отдельных пациентов. Алгоритмы машинного обучения применяются к большим наборам данных клинических и визуализационных данных для выявления пациентов с наибольшим риском перелома или неудачи восстановления зубов, что позволяет проводить целенаправленные профилактические вмешательства.

Для восстановления твердой ткани разрабатываются новые биоматериалы с программируемыми механическими свойствами, реагирующими на физиологические условия. Самоисцеляющие материалы, способные восстанавливать внутренние повреждения через встроенные микрокапсулы или сосудистые сети, могут решать проблемы снижения восстановительной способности старых костей и дентина. Биоматериалы, высвобождающие агенты для ингибирования образования AGE или содействия ферментативному сшиванию, могут со временем активно улучшать механические свойства окружающих тканей. Стимуло-чувствительные материалы, изменяющие жесткость или жесткость в ответ на рН, температуру или ферментативную активность, могут адаптироваться к изменяющимся потребностям старых тканей во время заживления и функциональной нагрузки.

Интеграция фармакологических, биоматериальных и регенеративных подходов, вероятно, даст наиболее эффективные стратегии для поддержания механических свойств твердой ткани на протяжении всей жизни. Персонализированные медицинские подходы, учитывающие генетическую предрасположенность человека, образ жизни и статус заболевания, могут оптимизировать вмешательства для сохранения качества костей и зубов. Продолжение исследований фундаментальных механизмов старения твердой ткани обеспечит основу для этих инноваций, что позволит разработать целевые методы лечения, которые улучшают качество жизни для пожилых людей.

Заключение

Возрастные изменения глубоко влияют на механическое поведение твердых тканей через изменения в составе, структуре и клеточной функции. Снижение жесткости, снижение эластичности, изменение распределения нагрузки и снижение усталостной устойчивости увеличивают восприимчивость старых костей и зубов к переломам и сбоям, со значительными клиническими последствиями для риска переломов, успеха восстановления зубов и хирургических исходов. Понимание этих изменений на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях имеет важное значение для разработки эффективных стратегий поддержания целостности твердых тканей на протяжении всей жизни. Фармакологические вмешательства, передовые биоматериалы, регенеративная терапия и модификации образа жизни предлагают дополнительные подходы к решению возрастной деградации. Поскольку глобальное население продолжает стареть, исследования старения твердых тканей останутся критическим приоритетом для улучшения результатов в отношении здоровья и качества жизни у пожилых людей.