CC BY
25
ЭKCПEPИМEHTAЛЬHOE МOДEЛИPOBAHИE ABACKУЛЯPHOГO OCTEOHEKPOЗA МЫЩEЛKOB БEДPEHHOЙ И БOЛЬШEБEPЦOBOЙ KOCTEЙ
М.Ю. Зайцева, Г.И. Нетылько
ФГУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. P.P. Вредена Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию», директор - д.м.н. профессор P.M. Тихилов Санкт-Петербург
Для изучения наблюдаемых в клинике патологических процессов широко применяется экспериментальное моделирование. Эксперимент на животных позволяет изучать течение патологического процесса на протяжении длительного времени, определять, какое влияние на него могут оказывать конституциональные, биомеханические и внешние факторы, а также терапевтическое воздействие. Биологическая модель отражает действительность, одновременно упрощая ее и выделяя характерные черты болезненного процесса, отдельные его стороны и даже изолированные моменты болезни [1].
Существует множество методик, моделирующих остеонекроз у различных подопытных животных (крыс, кроликов, собак, свиней, лошадей, цыплят). В подавляющем большинстве остеонекроз головки бедренной кости моделировался исследователями путем удаления надкостницы, пересечения или заполнения костномозгового канала шейки воском [2], а также блокады артериального кровоснабжения введением в бедренную артерию или главную артерию, питающую бедренную кость, талька, суспензии порошка серебра в гуммиарабике, водной взвеси металлического серебра, механического повреждения сосудов, питающих головку бедренной кости экспериментальных животных [6, 7]. Представляют интерес экспериментальные работы по моделированию остеонекроза, индуцированного кортикостероидной терапией [8].
Нами выполнено экспериментальное моделирование остеонекроза мыщелков бедренной и большеберцовой костей с целью выяснения особенностей этиопатогенеза и получения развернутой морфологической картины течения патологического процесса данной локализации.
Для выяснения факторов, играющих роль в развитии заболевания, нами проанализированы истории болезни 48 пациентов, которым в период с 1994 по 2002 гг. в клинике РНИИТО им. Р.Р. Вредена Росздрава был установлен диагноз аваскулярного (асептического) остеонекроза мыщелков бедренной и большеберцовой костей и выполнено его оперативное лечение. Среди них преобладали пациенты старше 60 лет (79,2%).
Анализ клинико-лабораторных данных показал, что аваскулярный остеонекроз мыщелков бедренной и большеберцовой костей достоверно чаще встречался у больных с поздними стадиями ишемической болезни сердца и гипертонической болезни, осложненными сердечной недостаточностью кровообращения (95,9%), для которой характерны явления гипоксемии, неустойчивость химического состава крови и несовершенство гомеостаза при физической нагрузке, а также нарушения всех звеньев азотистого обмена. Сердечно-сосудистая патология у этих больных в различных вариантах сочеталась с ожирением (79,1%), хроническими заболеваниями печени (25,0%), почек (18,8%), сахарным диабетом (14,5%) и варикозным расширением вен нижних конечностей (22,9%). Сочетанная патология у этих больных сопровождалась склонностью к гиперкоагуляции крови (42%), нарушениями липидного обмена (гиперхолестерине-мия в 79,1% случаев), а также проявлениями латентной стадии хронической почечной недостаточности как следствия артериолосклеротического нефросклероза гипертонического и диабетического генезов (субпороговое повышение показателей мочевины в 54,1% случаев и креатинина крови - в 52,1% случаев). При консервативной терапии ранних стадий нетравматического некроза 25 больным (52,1%) внутрисуставно вводили кортикостероидные препараты (от 3 до 15 инъекций), после чего у 19 (39,7%) из них усиливалась боль в суставе и нарастала деформация конечности.
При микроскопическом исследовании у больных гипертонической болезнью и сахарным диабетом были выявлены признаки микроангиопа-тии параартикулярных тканей и внутрикостных сосудов артериального типа с частичной облитерацией просвета за счет эластофиброза, стенози-рующего склероза и гиалиноза стенки артериол, что создавало прецедент для развития хронической сосудистой недостаточности внутрикост-ного кровоснабжения. Помимо этого, в пограничной с очагом некроза костной ткани в ряде случаев были обнаружены признаки острого нарушения внутрикостного кровообращения в виде тромбоза разной степени давности или заполнения просвета сосудов агрегированными каплями жира.
Во всех случаях были выявлены морфологические проявления остеопороза и нарушения минерализации костной ткани вне очага повреждения в виде разрежения губчатой кости, истончения костных балок, сглаженности их контуров, неравномерного окрашивания и расщепления вдоль линий склеивания костного вещества с демаскированием костных пластин.
Из совокупности клинико-морфологических признаков мы предположили, что в развитии остеонекроза мыщелков бедренной и большеберцовой костей, помимо острого нарушения кровоснабжения, может иметь значение хроническая недостаточность внутрикостного кровообращения сосудистого генеза, развивающаяся на фоне нарушений метаболизма и минерализации костной ткани.
Для подтверждения этого проведено экспериментальное исследование с моделированием аваскулярного остеонекроза мыщелков бедренной и большеберцовой костей на 344 половозрелых беспородных белых крысах разного возраста (1 год и старше 2 лет) путем создания зоны хронической латентной ишемии коленного сустава. Хроническую локальную ишемию коленного сустава создавали по методике, предложенной С.С. Беренштейном [3], путем введения в параартикулярные ткани 0,1% раствора адреналина гидрохлорида (по 0,2 мл через каждые 6 часов). Действие препарата связано с прессор-ным эффектом на сосуды в результате влияния на а- и в-адренорецепторы. Сроки наблюдения составили от 3 дней до 8 недель.
Изменения в тканях, составляющих исследуемый и контралатеральный суставы, оценивали на основании данных рентгенографии, выполнявшейся после забоя животных на рентгеновском аппарате «Маммограф», и результатов морфологического исследования блока тканей, составляющих коленные суставы опытной и интактной конечностей. Материал фиксировали в 10%-ном растворе нейтрального формалина, декальцини-ровали в смеси органических кислот - трилоне-В. После традиционной проводки и заливки в парафин изготавливали серийные срезы толщиной 8 мкм, проходящие через мыщелки бедренной и большеберцовой костей, ориентированные во фронтальной плоскости. Препараты окрашивали гематоксилином и эозином, по ван Гизон и альциановым синим. Микроскопическое исследование проводили с помощью светового микроскопа МИКМЕД-2 с увеличением в 28, 70, 140 и 280 раз. Оценивали состояние синовиальной оболочки, сухожилий и связок коленного сустава, питающих его сосудов, суставного хряща, костной ткани и костномозговых структур эпифизов бедренной и большеберцовой костей. Коли-
чественный гистоморфометрический анализ проводили с помощью окуляр-микрометра марки АМ-9-2, а также на основе отечественной полуавтоматической системы анализа цифрового видеоизображения «Рабочее место патоморфолога».
Предварительный морфологический анализ губчатой кости эпифизов бедренной и большеберцовой костей интактных животных разного возраста показал, что по сравнению с молодыми животными, у крыс старше двух лет отмечалась статистически достоверная убыль объема трабекулярной кости. У них наблюдалось истончение костных балок и уменьшение их количества, а также снижалось содержание активных остеобластов, что указывает на угнетение остеогенеза с преобладанием над ним потери костного вещества.
Локальная ишемия исследуемых коленных суставов животных опытных серий, сформированная под воздействием вводимого в параарти-кулярные ткани раствора адреналина, проявлялась гипотермией и сужением артериальных сосудов окружающих мягких тканей. На фоне сосудистой недостаточности у животных разного возраста наблюдали однотипность динамики и характера изменений тканей коленного сустава. К концу наблюдения происходило обеднение клеточного состава кроветворного костного мозга и рарефикация губчатого вещества эпифизов бедренной и большеберцовой костей исследуемых суставов, подтвержденная гистомор-фометрически достоверной убылью объема трабекулярной кости (р<0,05). Хроническая ишемия, моделированная на фоне возрастных изменений костной ткани, приводила к более выраженной степени остеопороза у старых крыс. Однако хроническая ишемия коленного сустава не является достаточным условием для развития субхондрального остеонекроза: ни в одном из наблюдений не было обнаружено признаков некроза миелоидного мозга и костных структур эпифизарных зон бедренной и большеберцовой костей исследуемых суставов.
В целях максимального приближения моделируемого заболевания к соответствующему патологическому состоянию у человека дальнейшее исследование проводилось на крысах с нарушением минерализации костной ткани на фоне заранее индуцированной почечной недостаточности. Хроническую почечную недостаточность вызывали у животных за 6 месяцев до эксперимента по методике, предложенной Н.А. Гав-ришевой [4], путем левосторонней нефрэктомии и повреждения 25% коркового вещества правой почки электрокоагуляцией. Через 2 недели после операции у животных наблюдали повыше-
ние креатинина плазмы крови до 0,083+0,007 ммоль/л (Ы 0,046+0,004), снижение активности щелочной фосфатазы до 0,029+0,002 мкмоль/л (Ы 0,047+0,004) и содержания ионизированного кальция сыворотки крови до 0,64+0,23 мкмоль / л (Ы 1,62+0,36), что свидетельствовало о нарушении азотного и кальциевого обменов. Через полгода после моделирования почечной недостаточности в костной ткани оперированных животных наблюдали морфологическую картину, характерную для начальной стадии ренальной остеодистрофии, не осложненной вторичным гиперпара-тиреозом. Неравномерность окраски и расщепление матрикса костных балок, выраженность базофилии линий склеивания и контуров гаверсовых каналов кортикальной кости свидетельствовали о нарушении минерализации костной ткани.
Локальная ишемия коленного сустава, моделированная на фоне экспериментальной почечной недостаточности, у отдельных животных сопровождалась развитием очагового остеонекроза мыщелков бедренной и большеберцовой костей исследуемых суставов, чего не наблюдали в предыдущих сериях наблюдения. Это свидетельствует о повышении чувствительности к гипоксии костной ткани и костномозговых структур у животных с нарушением минерального обмена почечного генеза. При одинаковых условиях проведения эксперимента остеонекроз у молодых крыс регистрировали в 10,7% случаев, у крыс старше 2 лет - в 17,9%, что мотивировано более выраженной чувствительностью к гипоксии костной ткани и костномозговых структур у животных с сочетанной остеопатией (ренальной остеодистрофией и возрастным остеопорозом).
Для более детального изучения морфологической динамики патологического процесса было решено усложнить методику проведения эксперимента, сочетая моделирование зоны хронической ишемии коленного сустава у животных с заранее индуцированной ренальной остеодистрофией с внутрисуставным введением метил-преднизолона. Внутрисуставное введение глюкокортикостероидов сопровождалось выраженными дистрофическими изменениями тканей связочного аппарата коленного сустава в виде очагового ослизнения и разволокнения ткани сухожилий и связок, вплоть до формирования кист в местах прикрепления связок к кости. У животных, которым внутрисуставно вводили метилпреднизолон, уже на ранних сроках наблюдения были выявлены крупноочаговые некротические изменения суставного хряща мыщелков, а в конце исследования - формирование выраженного гонартроза. Как у молодых, так и у старых животных под влиянием глюкокортикои-
дов к концу эксперимента наблюдали значительное прогрессирование локального остеопороза исследуемых суставов, проявлявшегося уменьшением объема трабекулярной кости и количества костных балок эпифизов бедренной и большеберцовой костей. Под воздействием глюкокор-тикоидов развитие очагового остеонекроза мыщелков бедренной и большеберцовой костей с моделированной хронической ишемией возрастало у молодых животных с 10,7% до 25%, а у старых животных - с 17,8% до 78,6%. Кроме того, наблюдалось ускорение его динамики более чем на неделю.
В результате исследования нам удалось детально проследить морфологическую картину формирования экспериментально созданного сегментарного остеонекроза у животных. Ранними проявлениями сосудистой недостаточности в мыщелках бедренной и большеберцовой костей являлись неравномерность полнокровия и отек костномозговых структур, быстро сменявшиеся запустеванием сосудов с последовательным некрозом костного мозга и костных балок. Со стороны неповрежденной кости наблюдали замещение некротизированного костного мозга грануляционной тканью и остеокластическую резорбцию безостеоцитарных трабекул. Впоследствии во внутренних мыщелках преобладали процессы отграничения участка гибели костной ткани от прилежащей кости путем замещения грануляций волокнисто-хрящевой тканью и формирования вокруг него зоны остеосклероза из сливающихся костных балок. Под влиянием физической нагрузки некротизированные структуры подвергались разрушению. На их месте формировался дефект суставной поверхности, дно которого было представлено склерозирован-ной костью.
В очагах некроза, локализованных в наружных мыщелках, наряду с остеокластической резорбцией некротизированных костных структур демаркационной зоны были выявлены признаки регенерации костной ткани, распространявшиеся со стороны неповрежденной кости вглубь участка повреждения с частичным восстановлением костных структур. У старых животных в очаге некроза наблюдали вялое течение процессов регенерации, что приводило к более выраженным проявлениям гонартроза на поздних сроках исследования. Развитие остеонекроза во всех случаях наблюдения сопровождалось реактивным синовитом, сменявшимся на поздних сроках фиброзированием капсулы.
У животных контрольных серий, которым в параартикулярные ткани и внутрисуставно вводили физиологический раствор, динамики изменения тканей, составляющих коленный сустав, в
сравнении с начальными сроками наблюдения не отмечали. Также не было выявлено признаков механических повреждений тканей, составляющих коленный сустав, связанных с внутрисуставным введением препаратов.
Морфологические признаки стадийности экспериментально моделированного остеонекроза совпадали с наблюдаемыми в клинической практике у больных [5]. Однако у экспериментальных животных не наблюдалось уплотнения костных структур в очаге некроза, а также в отличие от экспериментального исследования, ни в одном из клинических наблюдений не удалось выявить восстановления структуры костной ткани очага субхондрального остеонекроза.
Таким образом, совокупность данных, полученных в результате экспериментально-клинического исследования, позволяет сделать вывод о полиэтиологичности аваскулярного остеонекроза мыщелков бедренной и большеберцовой костей. Ведущее значение в генезе патологического процесса играет нарушение внутрикостно-го кровообращения с развитием очаговой ишемии и некроза субхондральной кости, обладающей несовершенной, слабо развитой сетью коллатерального кровообращения.
Фоном для развития очагового субхондраль-ного остеонекроза, являются:
а) хроническая пролонгированная недостаточность кровоснабжения субхондральной кости с уменьшением притока крови в результате сужения просвета сосудов артериального типа, вызванного макро- и микроангиопатией;
б) снижение толерантности костной ткани к гипоксии при остеодистрофии смешанного ге-неза, доказанное в ходе экспериментального моделирования патологического процесса;
в) увеличение физической нагрузки на ослабленную структуру костной ткани и сдавление гипертрофированными жировыми клетками тонкостенных сосудов ригидного костномозгового пространства, создающие дополнительные условия к нарушению кровоснабжения костной ткани при ожирении.
Причинами ишемии структур, составляющих костную ткань, могут являться:
- неспособность патологически измененных сосудов обеспечить кровоток, адекватный потребностям субхондральной кости при физической
нагрузке;
- окклюзия суженных внутрикостных сосудов тромботическими массами при склонности к гиперкоагуляции и угнетении фибринолиза крови;
- агрегация сывороточных липидов в микро-сосудистом русле при гиперлипидемии.
Созданная в эксперименте модель аваскуляр-ного остеонекроза мыщелков бедренной и большеберцовой костей является патогенетически адекватной клинической картине болезни и может быть использована для испытания средств профилактики и методов лечения гонартроза, остеопороза и остеонекроза. Наиболее пригодным для этих целей является моделирование локальной ишемии в сочетании с внутрисуставным введением метилпреднизолона у старых животных с сочетанной остеопатией (возрастным остеопорозом и экспериментальной ренальной остеодистрофией) ввиду высокой степени про-гнозируемости моделируемого процесса: доля возникновения остеонекроза превышает 78%.
Литература
1. Андреев С.В. Моделирование заболеваний / С.В. Андреев. — М.: Медицина, 1973. — 336 с.
2. Белова И.П. Морфологические изменения при суб-капитальном переломе шейки бедренной кости в эксперименте / И.П. Белова // Труды Ленинградского научного общества патологоанатомов. — Л., 1977. - Вып. XVIII. - C. 177- 122.
3. Беренштейн С.С. Способ моделирования асептического некроза головки бедренной кости / С.С. Бе-ренштейн // Ортопедия, травматология. — 1993. — № 2. - C. 35-36.
4. Гавришева Н.А. Экспериментальная модель хронической почечной недостаточности / Н.А. Гавришева, О.Д. Ягмуров, А.В. Ботина, В.Л. Эммануэль // Нефрология. - 2001. - Т. 5, № 2. - С. 67-74.
5. Зайцева М.Ю. Патоморфологические изменения костной ткани при остеонекрозе мыщелков бедренной и большеберцовой костей / М.Ю. Зайцева, А.В. Ка-земирский, К.А. Новоселов и др. // Травматология и ортопедия России. - 2003. - № 1. - С. 15-19.
6. Попов И.В. Современные взгляды на этиологию, патогенез и принципы лечения остеохондропатии головки бедренной кости - болезни Легга-Кальве-Пертеса (обзор литературы) / И.В. Попов // Травматология и ортопедия России. - 2002. - № 2. -С. 59-66.
7. Шумада И.В. Об асептическом некрозе и кистовидной перестройке эпифизов костей у взрослых / И.В. Шумада, О.Я. Суслова, В.И. Стецула и др. // Ортопедия, травматология. - 1980. - № 7. - С. 33-37.
8. Wang G. The patogenesis and prevention of steroid induced osteonecrosis / G. Wang, Q. Cui, G. Balian // Clin. Orthop. - 2000. - N 370. - P. 295-310.
