The value of food macro and micronutrients in optimizing bone mineral density

Abstract

At the present time, the shortage of macro - and microelements, which contributes to the development of various pathological conditions, including osteoporosis and osteopenia is a very topical problem. In this review the results of clinical and experimental studies that prove the necessity of nutritional deficiency correction of macro - and micronutrients through the use of vitamin-mineral complexes containing osteotrophic minerals (magnesium, zinc, copper, manganese, boron) for the prevention and treatment of osteopenia and osteoporosis are presented and discussed.

Full Text

П o определению Всемирной организации здравоохра- нения остеопороз - системное заболевание скелета, характеризующееся снижением плотности костной массы и нарушением микроархитектоники костной ткани, приво- дящими к увеличению хрупкости костей и риска переломов. Факторы риска остеопороза и связанных с ним перело- мов костей подразделяют на немодифицируемые (генети- ческие) и модифицируемые (низкая физическая актив- ность, злоупотребление алкоголем, избыточное потребле- ние кофе, табакокурение, недостаточная масса тела, силь- но редуцированные диеты, а также ряд алиментарных фак- торов). Согласно современным представлениям генетиче- ские факторы, определяющие вариабельность минераль- ной плотности костной ткани (МПКТ), составляют 75-80%, тогда как на долю экзогенных факторов приходится 20-25% [1-6]. Генетические факторы Вклад генетических факторов в развитие остеопороза составляет примерно 75-80%. Индивидуальные различия МПКТ связаны с существованием 5 разных аллельных ва- риантов гена рецептора витамина D (VDR), который посредством связывания 1,25(OH)2D3 влияет на резорбцию костной ткани и увеличивает абсорбцию кальция. Со сни- женной МПКТ и увеличенным риском переломов у жен- щин ассоциируется и ТТ-генотип полиморфизма гена C677T метилентетрагидрофолатредуктазы, катализирую- щей превращение 5,10-метилентетрагидрофолата в 5-ме- тилентетрагидрофолат. Помимо этого показано влияние полиморфизма гена рецептора эстрогенов, в том числе и в сочетании с полиморфизмом гена рецептора витамина D на МПКТ у женщин в постменопаузе [10, 11, 14]. Алиментарные факторы Алиментарные (пищевые) факторы могут существенно воздействовать на генетическую программу остеогенеза. По данным ФГБНУ «НИИ питания» при оценке фактиче- ского питания распространенность такого алиментарного фактора риска развития остеопороза, как неоптимальное (менее 1:1) соотношение кальция и фосфора в рационе, составила 88%, избыточное потребление натрия отмеча- лось у 85% пациентов, сниженное потребление кальция, витаминов С, D, А и В2 - у 19, 27, 56, 59 и 82% соответственно [5, 6]. Установлено, что рационы с низким содержанием белка приводят к снижению МПКТ за счет уменьшения всасыва- ния кальция в кишечнике. Повышенный уровень гомоци- стеина относят к факторам риска развития остеопороти- ческих переломов, поскольку он отрицательно коррелиру- ет с МПКТ [15, 16]. При низком потреблении витамина В2 риск переломов у женщин, гомозиготных по Т-генотипу и имеющих повы- шенный уровень гомоцистеина в плазме крови, в 1,8 и 2,6 раза выше по сравнению с теми, кто имеет СС-генотип. Проявление полиморфизма гена C677T метилентетрагид- рофолатредуктазы также зависит и от обеспеченности ор- ганизма фолиевой кислотой, витаминами В12 и В6 [15]. Для усвоения кальция совершенно необходимо присут- ствие витамина D: он нейтрализует действие разных анти- кальцинирующих веществ, является регулятором фосфор- но-кальциевого обмена. Хорошими источниками витами- на D являются молоко, печень, яйца, салат-латук. В качестве пищевых добавок желательно вводить в рацион питания жир, содержащийся в печени трески или палтуса. Дефицит витамина D приводит к снижению всасывания кальция в кишечнике, повышению уровня паратиреоидного гормо- на в сыворотке крови, нарушению процессов ремоделиро- вания и минерализации костной ткани [12]. Уровень витамина К в сыворотке крови положительно коррелирует с МПКТ. Значение витамина С в остеогенезе определяется его ролью в синтезе и созревании коллагена, а также в образовании в печени транспортной формы ви- тамина D - 25-гидроксивитамина D (25-ОHD) и в почках - активных гормональных форм этого витамина: 1,25-ди- гидроксивитамина D - 1,25(ОН)2D и 24,25-дигидроксиви- тамина D - 24,25(OH)2D. Установлена прямая корреляция между потреблением витаминов В6 и В2 и минеральной плотностью шейки бедренной кости [16]. Показано, что Рациональная фармакотерапия как недостаток, так и избыток витамина А (при потребле- нии более 1500 мкг/сут) в рационе приводит к двукратно- му увеличению риска перелома бедренной кости [13]. Определенную роль в развитии этого заболевания иг- рают эстрогены. Их недостаток вызывает повышение уровня цитокинов (интерлейкин-1, 2 и фактор некроза опухоли ) и снижение уровня остеопротегерина, вовле- ченных в механизмы потери костной ткани и атерогенеза. Природные биологически активные вещества класса фи- тоэстрогенов (изофлавоны), как и эндогенные эстрогены, увеличивают общее количество кальция, удерживаемого в костной ткани, снижают активность остеокластов, резор- бирующих кость [7]. Макро- и микроэлементы Однако наиболее важным для поддержания МПКТ яв- ляется обеспеченность организма макро- и микроэлемен- тами. Полноценное и сбалансированное питание является одним из главных факторов их адекватного поступления в организм. В организм человека с пищей поступает большое коли- чество биологически активных веществ. Ряд веществ - макро- и микроэлементы - входят в состав гормонов, ви- таминов, ферментов. Они необходимы для роста (цинк, марганец, йод), кроветворения (железо, медь, цинк, ко- бальт), синтеза соединительной ткани (медь) и костей (кальций), играют ключевую роль в ингибировании и ка- тализировании ряда важнейших биохимических процес- сов. При патологии костной системы (остеопения, остеопо- роз) особое значение придается таким эссенциальным макро- и микроэлементам, как магний, медь, цинк, марга- нец, и условно-эссенциальному бору. При этом медь, мар- ганец и цинк являются кофакторами ферментов, ответ- ственных за синтез коллагена и гликозаминогликанов, и непосредственно участвуют в синтезе костного матрикса [17]. В таблице представлены нормы физиологических по- требностей и пищевые источники остеотропных макро- и микроэлементов для взрослого населения [18]. Кальций В организме человека содержится около 1000 г кальция, из них около 99% (в форме гидроксиапатита) - в скелете и 1% - во внеклеточной жидкости и мягких тканях [2]. Под- держание положительного баланса кальция зависит от ин- тенсивности его всасывания в кишечнике, которое регули- руется активными метаболитами витамина D [19]. Отрица- тельный баланс кальция может быть вследствие его глубо- кого дефицита в пище, низкого уровня паратиреоидного гормона или витамина D. Во внеклеточной жидкости со- держание кальция поддерживается на постоянном уровне, что при недостаточном поступлении его с рационом обес- печивается усилением резорбции костной ткани за счет прогрессирующей остеопении [19, 20]. Увеличение упо- требления пищевых источников кальция способствует предотвращению резорбции кости, достижению положи- тельного кальциевого баланса и усилению антирезорбтив- ного эффекта эстрогенов [21]. Известно, что недостаточное потребление кальция в пе- риод роста организма приводит к снижению пика костной массы и в дальнейшем может стать причиной риска пере- ломов даже у молодых лиц, может приводить к уменьше- нию пиковой массы костей на 5-10%, что увеличивает ча- стоту перелома шейки бедра в зрелом возрасте на 50%. Вы- сокое потребление кальция уменьшает потерю костной массы и риск остеопороза у пожилых людей [2, 22]. Было показано, что среди лиц, употреблявших кальций более 765 мг/сут, частота переломов бедра на 60% ниже, чем при потреблении менее 470 мг/сут. В то же время ока- залось, что поступление с рационом кальция у пациентов с остеопорозом было даже несколько выше, чем у лиц моло- же 50 лет с низким риском развития этого заболевания [23], что, возможно, было обусловлено дополнительным употреблением биологически активных добавок к пище, содержащих соли кальция. Самым легкоусвояемым является кальций молока и мо- лочных продуктов (см. таблицу). Для удовлетворения су- точной потребности в кальции достаточно употреблять ежедневно 0,5 л молока или 100 г сыра. Из растительных продуктов он усваивается значительно меньше, чем из мо- лока, например из моркови - только 13,4%. Фосфор Известно, что избыточное содержание в пище неорга- нических фосфатов затрудняет всасывание кальция. Как видно из таблицы, оптимальным для всасывания и усвое- ния кальция является его соотношение с фосфором (Са:Р) в пределах, близких к 1:0,8 [18]. Соотношение, близкое к оптимальному, имеется только в молоке и молочных про- дуктах, а также в некоторых овощах, ягодах и фруктах. Во всех остальных пищевых продуктах это соотношение сильно сдвинуто в сторону фосфора. Поэтому при пре- обладании в рационе мясных продуктов и хлеба отноше- ние Са:Р может сильно отличаться от оптимального. Избы- точное потребление фосфора с одновременным неболь- шим количеством кальция в диете приводит к вторичному повышению уровня паратиреоидного гормона и повыше- нию костной резорбции. Таким образом, более важной ха- рактеристикой рациона является отношение кальция к фосфору, нежели потребление самого фосфора [24, 25]. Наряду с этим известно, что к снижению МПКТ приво- дит дефицит в пище остеотропных минералов - магния, марганца, цинка, меди, бора и др. Магний Основным депо магния является костная ткань. Магний необходим для нормального протекания множества био- Нормы физиологических потребностей и пищевые источники остеотропных макро- и микроэлементов Показатели Нормы потребления, мг/сут Пищевые источники Макроэлементы Кальций 1000-1200 Сыр, творог, молоко, кисломолочные продукты, яйца, бобовые (фасоль, соя), орехи (миндаль), злаки, кунжут, капуста, ботва молодой репы, салат-латук, фасоль Фосфор 800 Сыр, бобовые, крупы, рыба, хлеб, яйца, птица, мясо, грибы, орехи Магний 400 Крупы, рыба, соя, мясо, яйца, хлеб, бобовые (горох, фасоль и т.д.,), орехи, курага, брокколи, бананы, сине-зеленые водоросли, семена, все необработанные злаки, отруби Микроэлементы Цинк 12,0 Мясо, рыба, субпродукты, яйца, бобовые, семечки тыквенные, отруби пшеницы Медь 1,0 Мясо, морепродукты, орехи, зерновые, какао, отруби Марганец 2,0 Печень, крупы, фасоль, горох, гречиха, арахис, чай, кофе, зеленые листья овощей Бор 2,0 Фрукты (виноград, груши, яблоки), овощи, орехи, злаковые, бобовые, молоко химических реакций и физиологиче- ских процессов, активирует более чем 300 ферментов. Он содержится в хло- рофилле большинства растений, мор- ских и сине-зеленых водорослях, не- которых орехах, семенах, бобовых, необработанных злаках, отрубях. Жесткая (в которой содержится мно- го минералов) вода также является хо- рошим источником магния. Однако ее обычно смягчают, и уровень маг- ния значительно снижается [18]. Магний регулирует минерализацию костной ткани, ее равномерный рост, гибкость, прочность и увеличивает репаративный потенциал костей. Де- фицит магния в организме связан с низкой костной массой и остеопоро- зом [26]. Как известно, костная ткань со- стоит на 70% из кальциевых соедине- ний, на 22% - из коллагена и на 8% - из воды. При недостаточной обеспе- ченности магнием отмечается нару- шение структуры (дисплазии) соеди- нительной ткани, связанной с умень- шением синтеза белков вследствие де- стабилизации транспортной РНК, снижением активности гиалуронан- синтетаз, повышением активности металлопротеиназ, гиалуронидаз и лизиноксидазы [27]. При хроническом дефиците маг- ния нарушается соотношение магния и кальция (Mg:Ca). Применение экспе- риментального рациона с очень низ- ким содержанием магния (7% от нор- мального уровня потребления) спо- собствовало развитию выраженной гипомагниемии, гипокальциемии, ха- рактерных для остеопороза измене- ний костной ткани (разрежению ее вплоть до образования полостей), а компенсация алиментарного дефи- цита магния - восстановлению струк- туры костной ткани [28]. Эпидемиологические исследования показали, что более высокое значение отношения Mg:Ca в питании соответ- ствует более низкой встречаемости остеопороза. Употребление значи- тельных количеств магния соответ- ствует повышенной МПКТ у мужчин и женщин [29]. Показано, что повыше- ние содержания магния в рационе бе- ременных женщин способствовало увеличению МПКТ шейки бедра и по- ясничного отдела позвоночника у де- тей при наблюдении в течение 8 лет после их рождения [30]. Марганец Наибольшее содержание марганца в организме отмечают в костях, пече- ни, гипофизе. Марганец необходим для нормаль- ного роста, поддержания репродук- тивной функции, процессов остеоге- неза, нормального метаболизма со- единительной ткани, регуляции углеводного и липидного обмена. Он ак- тивирует мукополисахаридполимера- зу и галактозилтрансферазу, которые участвуют в биосинтезе хондроитин сульфата - одного из основных ком- понентов хряща, что определяет важ- ную роль этого микроэлемента в регу- ляции метаболизма костной и соеди- нительной ткани. Недостаточное поступление в ор- ганизм марганца сопровождается за- медлением роста, нарушениями в ре- продуктивной системе, повышенной хрупкостью костной ткани, наруше- ниями углеводного и липидного об- мена. Хронический дефицит марган- ца и меди характеризуется снижени- ем активности остеобластов, мине- рализации костной ткани и увеличе- нием костной резорбции и плотно- сти вследствие инактивации марга- нецзависимых ферментов, прини- мающих участие в синтезе гликозаминогликанов и других углеводных компонентов протеогликанов [31]. В эксперименте 25-дневный дефи- цит марганца в рационе способство- вал снижению его концентрации в ко- сти на 2,0% на фоне выраженных при- знаков (в 88% случаев) остеопороза и инактивации ряда марганецзависи- мых гликозилтрансфераз. Нормали- зация уровня марганца в диете приво- дила к быстрой коррекции его содер- жания в кости и восстановлению ее структуры. В то же время известно, что избыток марганца в пище усили- вает дефицит магния и меди [31]. Медь Наибольшее количество меди в ор- ганизме находится в печени и костях. Медь, являясь кофактором для лизил- оксидазы, участвует в синтезе колла- гена и эластина, необходимых для об- разования белкового каркаса скелетных костей, сосудистой стенки. Она важна для кроветворе- ния (транспортирует железо из печени), работы нервной, иммунной и антиоксидантной системы, особенно для под- держания структуры фермента супероксиддисмутазы, предупреждающего преждевременное старение кожи. В то же время избыток в питании меди приводит к дефи- циту цинка и молибдена. Повышенное содержание меди в организме отмечается при острых и хронических воспа- лительных заболеваниях, бронхиальной астме, заболева- ниях почек, печени, инфаркте миокарда и некоторых зло- качественных новообразованиях. Медь участвует в модификации лизиновых остатков кол- лагена и эластина, является кофактором ферментов, обес- печивающих синтез компонентов матрикса костной тка- ни (например, фермента лизилоксидазы - ген LOX), что имеет важное значение для образования внутри- и межмо- лекулярных поперечных связей в коллагене. Недостаточ- ное количество этих поперечных сшивок обусловливает нарушения роста, остеогенеза и хрупкость костей и про- является при дефиците меди [31, 32]. В эксперименте показано, что дефицит меди приводит к нарушению структуры коллагена и снижению устойчиво- сти кости к скручиванию и угловой деформации. У челове- ка проявлениями недостаточной обеспеченности организ- ма медью служат нарушения функции сердечно-сосуди- стой системы, скелета, дисплазия соединительной ткани, замедление роста кости и развитие остеопороза [32-34]. Цинк В организме человека содержится от 1,5 до 3 г цинка: 60% - в мышцах и костной ткани, а 20% - в коже. Цинк яв- ляется кофактором более чем 300 ферментов, участвую- щих в репликации ДНК и РНК, делении клеток (цинк конт- ролирует экспрессию генов в процессе клеточного цикла). В комплексе с аминокислотой цистеином он принципи- ально важен для экспрессии генов (цинковые пальцы яв- ляются центральной структурой ДНК-связывающих доме- нов рецепторов гормональной формы витамина D, эстро- генов, прогестерона). Основной запас (около 30% цинка всего организма) на- ходится в костях, он быстро уменьшается при недостаточ- ном поступлении цинка в организм или нарушении его усвоения, отмечаемом с возрастом или у женщин в постме- нопаузе, что приводит к повышенной резорбции кости и высвобождению цинка из костной ткани [35, 36]. Результаты двойного слепого многоцентрового про- спективного исследования 387 здоровых европейцев в возрасте 55-87 лет (ZENITH) свидетельствуют об отрица- тельной корреляционной связи между усвоением цинка и концентрацией пиридинолина и дезоксипиридинолина в моче (маркеры резорбции кости) и положительной - меж- ду уровнем остеокальцина в сыворотке крови (маркер формирования костной ткани) и содержанием цинка в эритроцитах [37]. Дефицит цинка может приводить к усилению накопле- ния кадмия, свинца, железа и меди. Показано, что концент- рация в сыворотке крови магния и цинка у пациенток с постменопаузальным остеопорозом и остеопенией значи- мо ниже, чем у здоровых женщин [33]. Избыточное поступ- ление цинка может снизить общее содержание и поступ- ление в организм меди. Бор В организме человека содержится около 20 мг бора (в костях, зубной эмали, почках, легких, лимфатических узлах, печени, мышцах, семенниках, мозге) [38]. Роль бора в процессах остеогенеза определяется непо- средственным влиянием на метаболизм витамина D, а так- же регуляцией активности паратиреоидного гормона, ко- торый ответствен за обмен кальция, фосфора и магния. Поэтому механизм влияния бора на метаболизм костной ткани аналогичен эффектам витамина D. Повышенное со- держание бора в пище увеличивает экспрессию борат- транспортера в тощей кишке и понижает - в почках [39]. Бор оказывает выраженное воздействие на процессы роста клеток костной ткани и хряща, повышение уровня белков остеогенеза - остеокальцина, коллагена 1-го типа, белков морфогенеза костей 4, 6 и 7, а также остеопонтина, сиалопротеина кости (ген BSP), белка Runx2 и др. [40-42]. Даже при достаточном содержании в пище кальция де- фицит бора приводит к снижению прочности кости, со- кращению популяции остеобластов, относительного тра- бекулярного объема, что корректируется добавлением его в пищу [43-45]. В эксперименте показано, что добавление бора на фоне приема кальция и витамина D способствовало нормализа- ции массы тела животных, увеличению уровней эстрадио- ла в плазме крови и повышению прочности ткани бедрен- ной кости, увеличивало содержание кальция, магния и фосфора в костях и повышало механическую прочность берцовой кости [46-48]. Коррекция нарушения МПКТ В соответствии с Клиническими рекомендациями, под- готовленными Российской ассоциацией по остеопорозу [49], основной задачей его профилактики являются улуч- шение качества жизни пациентов и предотвращение рис- ка переломов костей скелета. Этой задаче в полной мере соответствует применение в терапии остеопении и остео- пороза витаминно-минеральных комплексов, содержа- щих не только кальций и витамин D3, но и другие остео- тропные минералы. Как демонстрируют данные многочисленных исследо- ваний, дополнительный прием витаминно-минеральных комплексов, содержащих кальций, витамин D3 и остео- тропнные элементы (магний, цинк, медь, марганец, бор и др.), у женщин с остеопенией в постменопаузе оказывает стабилизирующее влияние на МПКТ, корригирует уровень эстрогенов и паратгормона, не приводит к гиперкальцие- мии и повышению экскреции кальция с мочой [2, 8, 50, 51]. В эксперименте показано, что применение витаминно- минеральных комплексов аналогичного состава способ- ствует улучшению и ускорению темпов сращивания ко- стей после перелома за счет усиления синтеза коллагенов 1 и 3-го типов, приводящего к формированию полноценного костного матрикса [52].