Согласно данным статистических исследований, переломы костей являются одними из наиболее часто встречающихся повреждений опорно-двигательной системы. Общее количество пострадавших с переломами в Российской Федерации стабильно составляет свыше 20% в общей структуре травматизма [1, с. 48; 2]. Около 90% пациентов получают адекватное ортопедическое и остеотропное лечение, однако в 0,5–27% случаев наблюдаются осложнения в виде задержанного сращения и несращения костных отломков [3]. Актуальная задача сегодняшнего дня заключается в поиске путей компенсации нарушений костеобразования, способствующих снижению социальных затрат на медицинское обслуживание населения [4].
Наряду с хирургическими мероприятиями одним из перспективных направлений оптимизации репаративного остеогенеза является коррекция метаболизма костной ткани в посттравматическом периоде. Однако в российских клинических рекомендациях фармакологическая коррекция метаболизма костной ткани признана необходимой лишь при лечении патологических переломов, осложняющих остеопороз (Клинические рекомендации МЗ РФ «Патологические переломы, осложняющие остеопороз», 2022 г.). Рекомендовано применение препаратов, содержащих кальций (остеогенон, кальция карбонат) и лекарственные формы витамина D – колекальциферол, альфакальцидол (уровень убедительности рекомендации А, уровень достоверности доказательств 2); при удлинении срока консолидации переломов – препарат Терипаратид (уровень убедительности рекомендации С, уровень достоверности доказательств 4).
Однако в систематическом обзоре K. Barrios-Garay с соавт., посвященном исследованию клинического эффекта добавок аскорбиновой кислоты (витамина С) на регенерацию костей, показано, что данный препарат также ускоряет репаративный процесс. Выраженный стимулирующий эффект доказан при дефиците аскорбиновой кислоты (АК) в рационе и повышенной потребности для курящих и пациентов с гиперхолестеринемией [5].
На сегодняшний день употребление препаратов аскорбиновой кислоты рекомендовано лишь при лечении железодефицитной анемии (Клинические рекомендации МЗ РФ «Железодефицитная анемия», 2021 г.). Вместе с тем, АК оказывает комплексный мембраностабилизирующий, капилляроукрепляющий эффект, критически влияет на формирование коллагеновых волокон, способствует усвоению железа и нормализует процессы кроветворения, участвует в окислительно-восстановительных реакциях, функционировании иммунной системы (методические рекомендации МР 2.3.1.0253-21 «Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации»). Ее физиологическая потребность для взрослых составляет 100 мг/сутки, а для детей – от 30 до 90 мг/сутки, однако, несмотря на многолетнюю положительную динамику обеспеченности витамином С, его дефицит в рационе жителей регионов России составляет от 1–2 до 16,2% [6, 7].
В связи с актуальностью проблемы в базах РИНЦ и MEDLINE был проведен библиографический поиск без ограничения глубины по ключевым словам: «аскорбиновая кислота», «перелом», «остеогенез», «ascorbic acid», «fracture», «osteogenesis».
Цель исследования – обоснование использования аскорбиновой кислоты в качестве доступного препарата для стимуляции заживления переломов на основании данных о механизмах ее участия в регуляции репаративного остеогенеза.
Антигипоксическая, антиоксидантная и противовоспалительная активность АК
Первая фаза репаративного процесса характеризуется выраженными нарушениями микроциркуляции в отломках кости, а также полным прекращением кровообращения непосредственно в зоне повреждения [8]. Ишемия является промоутером гипоксии, приводящей к недостаточности окислительно-восстановительных процессов и энергообеспечения тканей [8, 9]. Кратковременное влияние гипоксии на мезенхимальные стволовые клетки (МСК) – предшественники остеогенных клеток – не вызывает их гибели и активизирует экспрессию пептида антигипоксического пептида HIF-1α. Однако длительная гипоксия в области повреждения вызывает угнетение функциональной активности и гибель МСК [10, 11]. Аскорбиновая кислота обеспечивает пролиферативную и биосинтетическую активность МСК в условиях долгосрочной гипоксии, регулируя деградацию и ингибирование HIF [12].
Внутриклеточная аскорбиновая кислота выполняет функцию резервного компонента дыхательной цепи, транспортируя электроны к молекулам плазматической мембраны (мембранным оксидоредуктазам, убихинону-10 и гидрофобному антиоксиданту альфа-токоферолу), снижая этим выраженность гипоксического поражения клеток [13]. Действие АК в качестве истинного антигипоксанта, снижающего уровень обменных процессов и потребление кислорода, подтверждено на экспериментальной модели гипоксии у мышей при превентивном внутрибрюшинном введении в дозе 100 мг/кг. Ее антигипоксическая активность сопоставима с таковой мексидола и комплексного соединения πQ1968 [14].
Аскорбиновая кислота является наиболее эффективным водорастворимым антиоксидантом в организме человека, нейтрализующим повреждающее действие свободных радикалов. Она играет роль первой и основной линии защиты в системе антиоксидантов плазмы крови, как непосредственно участвуя в связывании свободных радикалов и разрушении перекисей, так и взаимодействуя с SH-глутатионом и липидными антиоксидантами [14, 15].
Клинические исследования показывают, что витамин С необходим для хемотаксиса нейтрофилов в зону повреждения, фагоцитоза, окислительного взрыва, образования NO, апоптоза и НЕТоза. НЕТоз активизируется при супрафизиологических плазменных концентрациях 5 мг/мл и выше в плазме крови, которые достигаются исключительно при внутривенном введении АК от 10 г и более. Внутриклеточный аскорбат может действовать как антиоксидант, в то время как окисленная форма дегидроаскорбат (ДГК) может восстанавливать продукцию активных форм кислорода (АФК) и оксида азота (NO) для микробицидной активности. Активированные нейтрофилы накапливают витамин С в 10 раз больше, чем в норме, при этом из-за его активного использования в посттравматическом периоде его концентрация в плазме и нейтрофилах быстро снижается. АК необходима для естественного апоптоза нейтрофилов через 12–24 часа после их высвобождения в кровоток. В условиях дефицита витамина С нейтрофилы превращаются в некротические клетки, усиливающие системное воспаление [16]. В этом случае нейтрофилы негативно влияют на процесс заживления перелома, поскольку высвобождаемые ими свободные радикалы индуцируют гибель клеточного пула в зоне сращения [17]. Данное негативное влияние может быть компенсировано профилактическим приемом аскорбата не менее 100–200 мг/день [18]. АК в концентрации 750–3000 мкМ способна почти полностью подавлять продукцию тромбоцитами активных форм кислорода in vitro, при этом содержание супероксид-аниона снижается на 60% [19]. На экспериментальной модели сочетанной боевой травмы, включающей перелом бедренной кости свиньи с контролируемым кровоизлиянием, продемонстрировано подавление дисфункционального воспаления и повреждения ДНК после переливания лиофилизированной аутологичной плазмы крови, восстановленной до 50% исходного объема забуференным раствором аскорбиновой кислоты в концентрации от 7,5 мМ до 20 мМ [20].
Следовательно, присутствие достаточного количества аскорбиновой кислоты необходимо для предотвращения вторичного посттравматического повреждения тканей.
Ангиотропная активность АК
Возобновление кровоснабжения в области перелома является необходимым условием инициирования пролиферации, клеточно-тканевой дифференциации, смены катаболической фазы репаративного процесса на анаболическую [21]. АК играет важную роль в обеспечении функционирования сосудистого русла. Она необходима для стимуляции пролиферации и подавления апоптоза эндотелиоцитов, синтеза коллагена IV типа в базальной мембране сосудов. Аскорбат обеспечивает оптимальное функционирование ферментов, участвующих в транскрипции фактора гипоксии HIF-1α – индуктора экспрессии ангиогенных факторов роста VEGF, PDGF, FGFs, PDGF, TGF- β [11, 22].
Участие витамина С в коррекции дисфункций эндотелия подтверждено in vitro в присутствии активатора внутриклеточного окислительного метаболизма – тиазинового красителя метиленового синего; присутствие 0,5 мМ АК и 5 мМ D-глюкозы оказывает синергичное цитопротективное влияние, снижая степень окислительного стресса в культуре эндотелиоцитов [23]. Фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) увеличивает проницаемость эндотелиальной выстилки сосудов микроциркуляторного русла, что вызывает отек тканей. АК в концентрации от 13 до 100 мкМ восстанавливает проницаемость эндотелиального барьера [24] и, следовательно, снижает выраженность отека тканей в посттравматическом периоде. Ранняя цинга вызывает нарушение эндотелия сосудов, которое напоминает атеросклероз и полностью обратимо при ежедневном потреблении около 200 мг аскорбиновой кислоты. Вопрос об оптимальных клеточных и внеклеточных концентрациях аскорбата еще не решен, однако известно, что патологические состояния и заболевания (атеросклероз, диабет с низким гипогликемическим контролем, воспалительные нейродегенеративные заболевания, сепсис, гемодиализ, курение, плохое питание) сопровождаются его системным или локальным дефицитом [22].
Таким образом, аскорбиновая кислота является необходимым фактором для устранения дисфункциональных нарушений и восстановления кровоснабжения в области костной травмы.
Модуляция АК параметров кровообращения и гемостаза
Переломы костей скелета и связанные с ними повреждения кровеносных сосудов вызывают нарушения гемодинамики в травмированной области. Ранний посттравматический период является чрезвычайно сложным вследствие наиболее выраженного снижения кровотока, значительного отека тканей в области повреждения, что обусловливает наибольшее количество послеоперационных осложнений [24]. В течение первых 5 суток развиваются нарушения эластико-тонических свойств всех звеньев артериального русла и затруднение венозного оттока. На уровне микроциркуляции отмечена вазоконстрикция артериальных сосудов малого калибра, что значимо снижает перфузию тканей и уменьшает индекс доставки кислорода. Положительная динамика репаративных процессов тесно связана с восстановлением кровоснабжения пароссальных тканей травмированного сегмента [25, 26].
Аскорбиновая кислота необходима для генерации оксида азота, участвующего в модуляции кровотока. Установлено, что ее однократный пероральный прием в дозе 2 г и инфузия 50 мг/мл в течение 10 мин улучшают кровоснабжение мышц и повышают их работоспособность. Механизм этого явления заключается в активизации эндотелиальной синтазы оксида азота, не связанной с антиоксидантной активностью аскорбата и обусловливающей вазодилатацию артериальных сосудов малого калибра [27, 28].
Коррекция нарушений гемодинамики области перелома может быть достигнута улучшением реологических свойств крови. Установлено, что аскорбиновая кислота в концентрации 3 мг/мл и выше in vitro и при внутривенном введении здоровым курящим и не курящим испытуемым тормозит агрегацию тромбоцитов. Механизм антитромботического эффекта АК заключается в усилении высвобождения оксида азота полиморфноядерными лейкоцитами, который активирует растворимую гуанилатциклазу, являющуюся известным негативным регулятором активации тромбоцитов [29].
Поскольку активность остеогенеза при лечении переломов в значительной степени зависит от кровоснабжения костной и окружающих мягких тканей [21], данные эффекты действия АК могут быть использованы в посттравматическом периоде.
Влияние АК на процесс репаративного остеогенеза
Согласно современным научным данным, аскорбиновая кислота эпигенетически управляет остеогенной дифференциацией и функционированием костных клеток, модулируя доступность хроматина и регулируя транскрипционную активность. АК регулирует деметилирование гистонов (H3K9me3 и H3K27me3) и способствует ТЕТ-опосредованному гидроксиметилированию ДНК 5hmC в промоторах, энхансерах и суперэнхансерах рядом с костно-специфическими генами. Эта эпигенетическая цепь запускает остеобластогенез, обеспечивая экспрессию всех основных про-остеогенных генов. Дифференцировка остеогенных клеток строго и постоянно зависит от витамина С [30]. В культуре эмбриональных стволовых клеток продемонстрирована индукция остеогенеза в присутствии 50–250 мкг/мл, остеокластогенеза – 50 мкг/мл АК [12]. Присутствие 50 мкМ аскорбиновой кислоты в инкубационной среде предупреждает индуцированное преламином А преждевременное старение мезенхимальных стволовых клеток субхондральной кости [31].
Витамин С влияет на гомеостаз экстрацеллюлярного клеточного матрикса, регулируя синтез и созревание коллагена, составляющего 90% фибриллярных белков костной ткани. АК в концентрации 50–100 мкМ положительно регулирует синтез неколлагеновых белков костного матрикса – остеонектина и остеокальцина, а также фермента щелочной фосфатазы [5].
L-аскорбиновая кислота (витамин С) относится к незаменимым водорастворимым витаминам; приматы, морские свинки и крыланы утратили способность синтезировать АК из-за мутации в гене L-гулонолактоноксидазе (Gulo). Концентрация АК в организме человека при пероральном поступлении строго регулируется сразу несколькими механизмами, обеспечивающими ее содержание в плазме не более 80 мкM. При этом в большинстве клеток млекопитающих поддерживаются высокие концентрации внутриклеточной АК, которые могут достигать 1–10 мМ [32].
Согласно данным экспериментальных исследований, содержание аскорбиновой кислоты в плазме крови значительно снижается в течение первых 3 суток после перелома, а через 3 недели посттравматического периода постепенно возрастает до пиковых значений. Этот срок соответствует максимальной функциональной активности клеток костной мозоли [33]. Недостаток потребления аскорбиновой кислоты приводит к уменьшению объема периостального регенерата [34] вследствие угнетения активности интрамембранозного и эндохондрального остеогенеза, а также ингибирования кальцификации периостально образованного хрящевого матрикса [35]. Наблюдаемые явления обусловлены необходимостью участия аскорбиновой кислоты в пролиферативной и биосинтетической активности регенерирующих скелетных тканей. Ухудшение синтеза коллагена, связанное с дефицитом аскорбата, коррелирует со снижением числа клеток, экспрессирующих мРНК остеобластов, – остеонектина, остеопонтина и матриксного GLA-протеина [35].
Установлено, что внутрибрюшинное введение аскорбата (200 мг/кг в сутки) в течение 3 суток до и трижды в неделю в течение 21 суток после моделирования перелома трубчатой кости у крыс ускоряет заживление; однако его сочетанное применение с витамином Е в те же сроки снижает стимулирующий эффект [36]. Внутрибрюшинные инъекции тех же доз аскорбата только лишь в послеоперационном периоде не оказывают заметного влияния на сращение костных отломков [37]. Тем не менее, внутрибрюшинное введение 500 мг/кг витамина С в послеоперационном периоде предотвращает негативное влияние свободнорадикального окисления, индуцированного стимуляцией нейтрофилов инъекциями зимозана, на заживление переломов плечевой кости [38].
Однократное внутримышечное введение 0,5 мг/кг аскорбиновой кислоты при расширении верхней челюсти крыс через 24 ч после травмы стимулирует ее оссификацию [39] и ускоряет заживление экспериментального перелома большеберцовой кости крыс [5]. Совместное инъекционное внутримышечное применение 500 мг/кг аскорбиновой кислоты и аскорбата кальция в сочетании с анаболическим гормоном метандростенолоном в течение 4 недель посттравматического периода ускоряет заживление перелома плечевой кости крыс на 50% [40].
Локальное очаговое введение 1 мл/сутки остеоиндуцирующей композиции, состоящей из аутологичной плазмы крови, официнальных растворов 5% аскорбиновой кислоты и 40% глюкозы, взятых в объемном соотношении 7:2:1, в зону сращения отломков костей таза собак в течение 5 суток после травмы сокращает время консолидации более чем на 50% [41]. Однако аналогичное введение равных объемов официнальных 5%-ных растворов АК и глюкозы либо 5%-ного раствора АК в том же периоде индуцирует формирование фиброзного сращения сопоставленных отломков вертлужной впадины [41, 42]. Очаговое введение раствора аскорбиновой кислоты (0,5 мг/кг) непосредственно в область нарушенного соединения верхнечелюстных костей крыс через 24 ч после травмы также предотвращает ее оссификацию [5].
При пероральном приеме АК прочность костной мозоли прямо пропорциональна ее содержанию в рационе экспериментальных животных с генетическим дефектом синтеза аскорбиновой кислоты (оптимальная концентрация 1 мг/мл потребляемой жидкости) [43]. У пациентов с открытым переломом диафиза большеберцовой кости пероральный прием препарата, содержащего аскорбиновую кислоту, лизин, пролин и витамин B6, на фоне стандартного хирургического лечения позволил сократить период консолидации отломков на 3 недели (в среднем до 10–14 недель) [44]. Ежесуточный пероральный прием витамина С в дозе 0,5–1 г ускорял консолидацию отломков и эффективно предотвращал развитие регионального болевого синдрома у пациентов с травмами костей запястья, стопы и голеностопного сустава [45, 46]. Использование пищевых добавок с витамином С в дозе 300 мг/день улучшало раннее послеоперационное заживление после имплантации зубов у пациентов с хроническим пародонтитом и у пациентов, пролеченных с использованием графтов GBR или Bio-Oss Collagen [47]. В то же время ежедневный прием АК в течение 50 дней после травмы не оказывал значимого влияния на результат лечения пациентов со смещенным или несмещенным переломом дистальной части лучевой кости в отдаленном периоде (52 недели) [48].
При выборе способа введения АК для коррекции ее дефицита в посттравматическом периоде следует учитывать, что максимальный ежесуточный прием до 300 мг в составе продуктов питания позволяет достигнуть пикового уровня в плазме крови от 70 до 85 мкмоль/л [18]. Пероральный прием максимально переносимой однократной дозы 3 г/сутки официнального препарата повышает концентрацию АК в плазме до 200 мкмоль/л и выше. При внутривенном введении 3 г витамина С его концентрация в плазме увеличивается на порядок и может достигать 15000 мкмоль/л при увеличении дозы до 60 г и выше. Прекращение приема приводит к восстановлению физиологических концентраций АК в плазме крови через 24 часа [49]. Исходя из приведенных данных, можно предположить, что в остром посттравматическом периоде инъекционный способ ведения АК будет предпочтительным, поскольку ее супрафизиологические плазменные концентрации позволяют снизить интенсивность вторичного повреждения тканей благодаря описанным выше механизмам. Для успешного течения процесса репаративного остеогенеза в раннем и отдаленном периодах необходимы концентрации АК в пределах физиологических значений, которые могут быть достигнуты пероральным приемом витамина С.
Аскорбиновая кислота, как и любой лекарственный препарат, имеет ряд ограничений и противопоказаний к применению. Ограничениями по отношению к длительному приему высоких доз препарата являются нарушения обмена щавелевой кислоты, мочекаменная болезнь, почечная недостаточность, высокое содержание железа в организме, прогрессирующие онкологические заболевания, тромбофлебит, склонность к тромбозам, сахарный диабет и пр. [46, 50]. В то же время ни в одном доклиническом и клиническом исследовании влияния АК на заживление переломов не сообщалось о побочных эффектах и серьезных неблагоприятных последствиях для здоровья человека [5].
Заключение
Аскорбиновая кислота играет важную роль в процессе репаративного остеогенеза. Ее функции заключаются в регуляции локального и системного воспаления, антигипоксантном и цитопротективном действии на клетки зоны травматического повреждения. Доказано участие АК в регуляции неоангиогенеза, модуляции реологических и гемодинамических параметров кровоснабжения костной ткани. Аскорбиновая кислота является незаменимым индуктором и регулятором остеогенеза. Все перечисленное характеризует аскорбиновую кислоту как метаболически активное вещество многофакторного действия, биологические эффекты которого направлены на обеспечение функционирования и репарации опорных тканей организма. Снижение плазменной концентрации АК в посттравматическом периоде, а также нормализация системных показателей костной ткани и стимуляция ее репарации после экзогенного введения в сочетании с безопасностью и низкой себестоимостью официнальных препаратов убедительно свидетельствуют о целесообразности ее использования в комплексе мероприятий по оптимизации репаративного остеогенеза. Однако клинические и экспериментальные данные представляются противоречивыми, недостаточно изучена зависимость плазменных и внутриклеточных концентраций АК от дозы и способа ее введения. Поэтому необходимы дополнительные, хорошо спланированные доклинические и клинические исследования, так как из-за большой неоднородности имеющихся данных невозможно рекомендовать конкретные схемы применения витамина С для оптимизации сроков и качества заживления переломов различной локализации.