CC BY
17
УДК: 577.1:616.71-018.4.007.234-092.4
ИЗМЕНЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ И ОБМЕНА КОСТНОЙ ТКАНИ ПРИ ПОСТИММОБИЛИЗАЦИОННОМ ОСТЕОПОРОЗЕ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
Ш.У УСМАНОВ, A.M. ДЖУРАЕВ, Х.Р. РАХМАТУЛЛАЕВ
CHANGES OF MINERAL COMPONENTSAND METABOLISM OF BONE TISSUE AT POSTIMMOBILIZATION OSTEOPOROSIS IN THE EXPERIMENT
SH.U. USMANOV, A.M. DJURAEV, KH.R. RAKHMATULLAEV
Научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии
Минеральные компоненты и обмен костной ткани изучены при иммобилизационном остеопорозе в эксперименте на 90 мышах после моделирования искусственного остеопороза, с резекцией бедренной кости. Контрольную группу составили 40 интактных животных. Исследования выявили значительное нарушение минерализации внеклеточного матрикса при формировании остеопоротических изменений: максимальный дефицит кальция составил 45%, фосфора - 80%, магния - 82% по сравнению с физиологическими значениями интактных животных. При высоком дефиците макроэлементов ремо-делирование костной ткани значительно «страдает», так как показано, что допустимый дефицит, не оказывающий существенного влияния на ремоделирование кости, не превышает 20%. Особенностью минерального гомеостаза при иммобилизационном остеопорозе в эксперименте является выраженный пролонгированный дефицит макроэлементов костной ткани, главным образом, магния и неорганического фосфора, а затем и кальция.
Ключевые слова: костная ткань, метаболизм, иммобилизационный остеопороз.
Mineral components and metabolism of bone tissue at immobilization osteoporosis in the experiment on 90 mice after modeling of artificial osteoporosis with resection of femoral bone have been studied. 40 intact animals were in the control group. Investigations revealed significant disorder of mineralization of territorial matrix at forming osteoporotic changes: maximal deficit of calcium -45%, phosphorus - 80%, magnesium - 82% in compare with physiological amounts of intact animals. Peculiarity of mineral homeostasis at immobilization osteoporosis in the experiment is evident prolonged deficit of bone tissue macro-elements, especially magnesium and non-organic phosphorus and then calcium.
Key-words: bone tissue, metabolism, immobilization osteoporosis.
В процессе длительной иммобилизации конечности нарушается восстановление и ремоделирование костной ткани, что в свою очередь приводит к постепенному снижению ее минеральной плотности (МПК) и формированию постиммобилизационного остеопороза (ПИО) [4]. Известно, что кальций и другие макро- и микроэлементы являются факторами, определяющими снижение МПК и при системном остеопорозе (ОП) [1,8]. Наряду с потерей макроэлементов, в патогенезе ОП определенную роль играет «качество» костной ткани, которое «зависит от особенностей строения матрикса, параметров микроархитектоники трабекулярной сети, наличия дефектов минеральных компонентов» [5,12]. В отношении ИОП дискуссия продолжается.
Цель исследования: изучение минеральных компонентов и обмена костной ткани при иммобилизационном остеопорозе в эксперименте.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Эксперимент проведен на 90 самцах и самках крыс линии У^аг массой 90-110 г, содержавшихся в условиях вивария при температуре 20-22^C и световом режиме «день-ночь» на стандартном рационе. 40трехмесячным крысам (опытная группа) моделировали ИОП резекцией
костей нижних конечностей правой задней конечности на уровне ее проксимального эпиметафиза, получая при этом неопороспособное бедро. Наблюдения за крысами осуществляли на 30-, 60-, 120-, 150-, 180-, 201-, 240- и 270-е сутки после операции. Контрольную группу составили 40 интактных животных того же пола и возраста, что и животные опытной группы. Выведение животных из опыта проводили с соблюдением «Правил проведения работ с экспериментальными животными». Эвтаназию в соответствующие сроки эксперимента осуществляли фторотаном.
В гомогенатах бедренных костей нагружаемой и оперированных задних конечностей определяли содержание кальция, неорганического фосфора, магния, общего белка. Биохимические исследования выполнены на селективном биохимическом анализаторе Микролит (Kohelab) унифицированными методами с использованием фирменных наборов реагентов, контрольных материалов и калибраторов (La-Chema). Математическая обработка результатов проведена с использованием дисперсионного, дискриминантного, факторного, корреляционного и непараметрического анализов с построением математической модели ИОП. Контроль формирования остеопоротических изменений в бедренных
Shoshilinch tibbiyot axborotnomasi, 2016, IX (4)
61
костях животных проводили рентгенографическими и морфологическими методами.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Направленность изменений концентрации кальция костной ткани аналогична у опытных и интактных животных: постепенный рост с максимумом на 210-150 сутки эксперимента (табл. 1). Однако абсолютный прирост кальция костной ткани по сравнению с началом эксперимента у интактных крыс составил 8,8 ммоль/г ткани (293%, р<0,05), что, по-видимому, является физиологической характеристикой пиковой массы крыс. В то же время, как и у опытных крыс, в оперированной конечности содержание кальций увеличилось всего на 3,7 ммоль/г ткани (123%, р<0,05).
Таким образом, критический период накопления кальция при развитии остеопоротических изменений в костной ткани соответствовал 120-м суткам после ампутации голени, когда концентрация кальция в оперированной конечности по сравнению с интактными животными была ниже в 1,8 раза, в коллатеральной - в 1,4 раза (табл. 1). Эти данные в полной мере соответствовали окончательному формированию остеопоротических изменений, имевших через три месяца иммобилизации определенное гистологическое подтверждение в костной ткани [3,8,11].
Таблица 1. Концентрация кальция костной ткани (моль/г ткани) ции, М±т
Рост концентрации неорганического фосфора костной ткани бедра у интактных животных обнаружили через два месяца наблюдения, то есть раньше, чем накопление Са (табл. 2). Абсолютный прирост фосфора составил 10,8 ммоль/г ткани по сравнению с 30-ми сутками наблюдения (514%, р<0,05). Возрастное снижение его содержания в костной ткани выявили спустя полгода от начала эксперимента, то есть у 9-месячных крыс. При иммобилизационном остеопорозе динамика концентрации фосфора в целом близка таковой у интактных животных, однако ее максимум соответствовал не 90-м, а 120-м суткам эксперимента, когда амплитуда роста ниже и составила на оперированной и коллатеральной конечности соответственно 7,7 (367%, р<0,05) и 6,6 ммоль/г ткани (314%, р<0,05).
Таким образом, при экспериментальном иммобилизационном остеопорозе концентрация фосфора костной ткани достоверно ниже возрастной нормы в 3,3-4,7 раза, то есть дефицит этого макроэлемента более выраженный и более пролонгированный (на протяжении полугода), чем дефицит кальция.
У всех животных максимальное накопление магния в костной ткани соответствовало 210-м суткам эксперимента (табл. 3), однако в динамике формирования ПИО концентрация магния была в 16-5,4 раза ниже физиологических значений (р<0,05). У интактных крыс прирост
крыс при моделировании остеопороза в условиях иммобилиза-
Серия
Срок наблюдения (сутки после операции)
эксперимента До операции 30 60 90 120 150 180 210 240 270
Интактные 3,1±0,3 3,1±0,5 4,9±2,6 11,8±2,6* 5,9±3,8 5,9±3,7 4,3±0,14** 3,1±0,1 -
п=6 п=6 п=6 п=4 п=6 п=6 п=8 п=8
оперирован- 3,0±0,3 2,9±,4 3,4±0,4 5,4±2,1 6,4±2,8** 6,5±4,0** 5,3±1,5* 4,4±0,1** 3,1±0,1 3,5±0,34
ш ная конеч- п=5 п=4 п=4 п=3 п=5 п=4 п=3 п=3 п=5 п=5
1 ность
¡5 контрла- 3,2±0,4 3,5±0,2 5,1±3,2 8,7±1,0** 6,9±3,8** 5,1±1,5* 4,4±0,1** 3,1±0,04 3,1±0,7
° теральная п=4 п=4 п=3 п=5 п=4 п=3 п=3 п=5 п=5
конечность
Примечание. р<0,05: а - по сравнению с интактными животными, б - по сравнению с фоном.
Таблица 2. Динамика концентрации неорганического фосфора (ммоль/г ткани) костной ткани крыс при моделировании остеопороза в условиях иммобилизации, М±т
Серия эксперимента
Срок наблюдения (сутки после операции)
До операции
30
60
90
120
150
180
210
240
270
Интактные 10,3±0,3 10,3±0,3 12,9±4,6 9,6±1,6 13,8±3,9 5,2±4,1 4,3±0,14 3,1±0,1 -
п=5 п=6 п=6 п=4 п=6 п=4 п=8 п=8
оперирован- 2,1±0,5 1,5±0,3 2,2±0,5* 3,9±2,0* 9,8±0,3** 7,0±3,5* 2,3±0,1 3,1±0,2 6,2±1,4 2,0±0,3
ш ная конеч- п=5 п=3 п=3 п=3 п=3 п=3 п=3 п=3 п=5 п=3 I ность
н
¡§ контрла- 1,7±0,2 2,5±0,2 3,9±3,0 8,7±3,3 4,8±2,7 2,3±0,2 3,0±0,1 5,6±2,8 2,0±0,1
° теральная п=3 п=4 п=3 п=3 п=4 п=3 п=3 п=4 п=3 конечность
Примечание. р<0,05: а - по сравнению с интактными животными, б - по сравнению с фоном.
Ш.У Усманов, А.М. Джураев, Х.Р. Рахматуллаев
Таблица 3. Динамика концентрации магния (моль/г ткани) костной ткани крыс при моделировании остеопороза в условиях иммобилизации, М±т
Срок наблюдения (сутки после операции)
Серия до 30 60 90 120 150 180 210 240 270
эксперимента операции
Интактные 0,9±0,44 1,21±0,3 2,1±0,6* 1,11±0,46 2,1±0,8* 2,01 3,12 0,63 -
п=6 п=6 п=6 п=4 п=6 ±0,74** ±0,52** ±0,09**
0,53 п=4 п=8 п=7
оперирован- ±0,07 0,28 0,35 0,52 0,67±0,06 0,66 0,37 2,13 0,67 0,32
О) -С ная конеч- п=5 ±0,07** ±0,18* ±0,43* п=3 ±0,4* ±0,02* ±0,08 ±0,09
ность п=3 п=3 п=3 п=4 п=3 п=3 п=5 п=3
н -С контрла- 0,42±0,03 0,14 0,16 0,53 0,62 0,61 1,99 0,66 0,33±0,06
с о теральная п=3 ±0,06* ±0,09* ±0,15* ±0,45* ±0,09* +0 1*** ±0,05 п=3
конечность п=4 п=3 п=3 п=4 п=3 п=3 п=4
Примечание. р<0,05: а - по сравнению с интактными животными, б - по сравнению с фоном.
содержания магния по сравнению с началом эксперимента составил 589% (р<0,05), в то время как в опытной группе - только 402% (р<0,05), что составило 68% от физиологической нормы (р<0,05). Таким образом, дефицит магния при ПИО обнаружили в течение 8 месяцев после операции, своего максимума он достиг на 180-е сутки эксперимента - в 5,4 раза ниже физиологического уровня.
Полученные данные свидетельствуют о значительном дефиците в динамике формирования ПИО в эксперименте в первую очередь магния и неорганического фосфора в костной ткани. Исходя из того, что ответная реакция скелета на иммобилизацию выражается в ускорении резорбции, а затем в последующей активации костеобразования [7], можно предположить, что значительное снижение концентрации магния и фосфора в костной ткани является одним из лимитирующих факторов костеобразования. Располагаясь на поверхности кристаллов гидроксиапатита, магний важен как кофактор многих ферментативных реакций и, прежде всего, как облигатный кофактор щелочной фосфатазы, поэтому его дефицит может непосредственно лимитировать процесс минерализации.
Стабилизация субъединиц рибосом также происходит при участии магния, то есть следствием его дефицита может быть снижение белкового синтеза в клетке, в том числе и костного коллагена.
Поскольку остеобласты, последовательно синтезирующие органический и минеральный матриксы костной ткани, содержат большие количества полифосфат-зависимых ферментов [9], то данная популяция клеток при значительном снижении концентрации фосфата в костной ткани могла быть метаболически «инертна». Низкие концентрации магния и неорганического фосфора лимитируют образование комплексов магний - аде-нозинтрифосфорная кислота (АТФ2) - и магния фосфат.
В большинстве ферментативных реакций, к которым относятся и реакции синтеза анаболической фазы ремо-делирования кости и в которых АТФ играет роль донора фосфата, участвует комплекс М§АТФ2, следовательно, можно ожидать снижения пула макроэргов. Низкие
концентрации магния негативно влияют и на гликоли-тическую активность костной ткани, так как он является кофактором нескольких реакций.
Наверное, можно отметить, что дефицит магния -одна из важнейших причин нарушения минерализации при ПИО, так как ингибируется система аденилатцикла-за - цАМФ, которую относят к основным регулятором процесса кальцификации [6,10].
Ряд авторов считают неорганический фосфат ключевым фактором костеобразования наравне с остеобластами, поскольку повышение его концентрации стимулирует экспрессию генов, регулирующих создание органической матрицы и дальнейшую ее минерализацию [10]. Проведенный эксперимент, напротив, обнаруживает существенное снижение его содержания. Также есть данные, что фосфат оказывает опосредственное влияние на дифференциацию остеобластов [2].
Таким образом, дефицит магния и неорганического фосфора оказывает негативное влияние на синтез как органического, так и минерального матрикса костной ткани при иммобилизации, тем самым снижая эффективность костеобразования. В то же время возможна стимуляция резорбции кости, поскольку дефицит магния активирует лизосомальную АТФазу, что способствует активации лизосом, непосредственно участвующих в резорбции костной ткани.
ВЫВОДЫ
Исследование костной ткани экспериментальных крыс после ампутации нижних конечности выявило значительное нарушение минерализации внеклеточного матрикса при формировании остеопоротических изменений: максимальный дефицит кальция составил 45%, фосфора - 80%, магния - 82% по сравнению с физиологическими значениями интактных животных. При высоком дефиците макроэлементов ремоделирование костной ткани значительно «страдает», так как показано, что «допустимый» дефицит, не оказывающий существенного влияния на ремоделирование кости, не превышает 20%.
Следовательно, особенностью минерального гомео-стаза при иммобилизационном остеопорозе в экспери-
ЗИозЫМпсИ ИЬЫуЛ ахЬого1:пота5|, 2016, IX (4)
63
менте является выраженный пролонгированный дефицит макроэлементов костной ткани, главным образом, магния и неорганического фосфора, а затем и кальция. Существенное снижение концентрации основных макроэлементов как непосредственно, так и опосред-ственно негативно влияет на ремоделирование костной ткани, с одной стороны, лимитируя синтез органического и минерального матрикса, с другой стороны, стимулируя резорбцию. Данная реакция проявлялась уже через месяц после иммобилизации и носила системный характер, поскольку изменения выявлены как в оперированной, так и в контралатеральной конечности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гюльназарова C.B. О структурных и биохимических изменениях костной ткани при моделировании иммобилизационного остеопороза. Новые технологии в лечении повреждений и заболеваний опорно-двигательной системы. Материалы Юбил. междунар. науч.-практ. конф. травматологов-ортопедов. Екатеринбург-Ревда 2001: 103-4.
2. Гюльназарова C.B. Особенности лечения переломов и их последствий в условиях иммобилизационного остеопороза. Сборник статей Уральского НИИ травматологии и ортопедии им. В.Д. Чаклина. Екатеринбург Издательский дом «Автограф» 2006: 15-27.
3. Джураев A.M., Усманов Ш.У. Иммобилизация на-тижасида келиб чикдциган остеопорознинг экс-периментал модели. Актуальные вопросы верте-брологии и артрологии. Тезисы науч.-практ. конф. Ташкент 2013: 390.
4. Корнилов Н.В. Адаптационные процессы в органах скелета. СПб Морсар А.В 2001: 296.
5. Оганов B.C. Костная система, невесомость и остео-пороз. М Слово 2003: 260.
6. Остеопороз: эпидемиология, клиника, диагностика, профилактика и лечение. Под ред. А.Н. Коржа и др. Харьков Золотые страницы 2002: 648.
7. Офицерова Н.В. Изменение содержания минеральных компонентов кости и остеотропных гормонов в крови при заживлении закрытых переломов костей голени, леченных по методу Г.А. Илизарова: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Бишкек 2002: 20.
8. Радионова С.С. Качество костной ткани как фактор риска переломов при остеопорозе. Проблемы остеопороза в травматологии и ортопедии. Материалы 3-й конф. с междунар. участием. М 2006.
9. Трифонова Е.Б., Осипенко А.В. К вопросу о значении минеральных компонентов костной ткани в механизме формирования иммобилизационного остеопороза в эксперименте. Вестн Уральской мед акад науки 2009; 1: 85-88.
10. Bikle D.D. The impact of skeletal unloading on bone formation. Gravit Space Biolog Bull 2003; 16 (2): 45-54.
11. Kongo Y. Cyclic adenosine monophosphate/protein kinase A mediates parathyroid hormone/parathyroid hormone related protein receptor regulation of osteo-clastogenesis and expression Bringhurst. J Bone Miner Res 2002; 17 (9): 1667-79.
12. Sato T. Immobilization decreases duodenal calcium absorption througta 1,25-dihydroxyvitamin D dependent pathway. J Bone Miner Metab 2006; 24 (4): 291-9.
ЭКСПРИМЕНТДА ПОСТИММОБИЛИЗАЦИОН ОСТЕОПОРОЗДА СУЯК ТУЦИМАСИ АЛМАШИНУВИ BA МИНЕРАЛ КОМПОНЕНТЛАРНИНГ УЗГАРИШИ
Усманов Ш.У, Джураев A.M., Рахматуллаев Х.Р.
Научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии
Экспериментда 90та каламушнинг сон суягини резекция билан сунъий остеопороз х,осил цилиб минерал компонентлар ва суяк туцимаси алмашинуви урганилди. Контрол группани 40 та интакт х,айвонлар ташкил цилди. Кузатув х,ар охирги 30 кунда утказилди. Кузатув натижалари остеопоротик узгаришларнинг шакллани-шида ташци туцима матриксининг сезиларли минерализация бузилишларини курсатди: кальцийнинг макси-мал етишмовчилиги 45%, фосфор - 80%, магний - 82%. Макроэлементларнинг юцори етишмовчилигида суяк туцимасининг цайта моделлашуви сезиларли даражада «жабрланади», кам даражали етишмовчиликда эса бу курсаткич 20% бу жараёнга таъсир цилади. Утказилган тажрибада суяк туцимаси макроэлементларнинг этиш-мовчилиги Иммобилизацион остеопорозда минерал гомеостазнинг хусусияти асосан магний ва неорганик фосфор, х,амда кальций эканлигини курсатди.
Контакт: Усманов Ш.У.,
НИИТО отделения детской ортопедии, докторант.
Тел: +99898 310-81-53.
Email: [email protected]
