Количественный анализ рост-стимулирующего эффекта напряжения растяжения в фасциях скелетных мышц при удлинении по Илизарову Текст научной статьи по специальности «Клиническая медицина»

> Г. А.Илизаров, С. Н. Леонова, 1995

Количественный анализ рост-стимулирующего эффекта напряжения растяжения в фасциях скелетных мышц при

удлинении по Илизарову

Г. А. Илизаров,

С. Н. Леонова

Российский научный центр "Восстановительная травматология и ортопедия" им. академика Г А. Илизарова, г.Курган (Генеральный директор — академик РАМТН, д.м.н., профессор В.И. Шевцов)

Стимулирующее влияние напряжения растяжения на рост соединительнотканных структур показано на примере мышечных фасций удлиняемой конечности у собак. Описаны и количественно оценены изменения в фибробластической популяции и межклеточном матриксе фасций, свидетельствующие об активизации клеточных синтезов и интенсивном процессинге межклеточных структур. Установлено, что в первый месяц дистракции преобладают явления роста, а к концу второго месяца дистракции — процессы дифференцировки клеток и элементов межклеточного матрикса. Ключевые слова: напряжение растяжения, рост, мышечные фасции, стереометрия.

Биомеханическими исследованиями установлено, что из мягких тканей конечности, удлиняемой по Илизарову, фасции передней группы мышц испытывают наибольшее влияние растяжения. В периоде дистракции это воздействие возрастает, при этом наблюдается равномерное растяжение фасций по их длине [1]. Мышечные фасции, как пленочные соединительнотканные структуры, в условиях дозированного и ориентированного растяжения представляют идеальную модель для из-

учения тонких механизмов стимулирующего эффекта растяжения на рост и формообразование. Ультраструктурные проявления фор-могенного эффекта напряжения растяжения описаны в нашей предыдущей статье [2]. В данной работе представлены результаты количественного морфологического анализа рост - стимулирующего эффекта напряжения растяжения в мышечных фасциях удлиняемой конечности.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследовали собственные фасции передних большеберцовых мышц взрослых собак, которым через 5 дней после закрытой флек-сионной остеоклазии производили дозированное удлинение голени по Илизарову с темпом 1 мм в сутки. Материал для электронно - микроскопического изучения фасций брали в средней трети голени по передней поверхности после эвтаназии животных, обрабатывали стандартным способом и про-

водили ультраструктурно - стереологический анализ по описанной ранее методике [5]. Количественную оценку реакции основных элементов соединительной ткани фасций — ее фибробластической популяции и структур межклеточного матрикса - производили на материале от 14 животных к концу 1-ой, 2-ой недели, 1-го и 2-го месяца дистракции и у взрослых интактных собак.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Рост-стимулирующий эффект напряжения растяжения проявляется в следующих ультраструктурных и количественных изменениях характеристик фибробластической популяции фасций. К концу первой недели дистракции объем фибробластов в единице объема ткани фасций увеличивается в 1,7 раза по сравнению с аналогичным параметром у взрослых интактных собак, объем их ядерного и цитоплазматического компартментов в единице объема ткани фасций возрастает соответственно в 3 и 1,4 раза. Отмечается увеличение объемной и поверхностной плотности шероховатого эндоплазматического

ретикулума (ЭПР) (рис. 1).

Изменения в структуре фибробластической популяции фасций к концу 1-ой недели дистракции представлены на рис. 2. Они состоят в возрастании объемной доли ее ядерного компартмента в 1,5 раза по сравнению со взрослыми интактными собаками, что свидетельствует об увеличении доли молодых, малодифференцированных клеток с высоким ядерно-цитоплазматическим отношением, и увеличении объемной доли ЭПР шероховатого типа в 2 раза.

Эти сдвиги в объемных соотношениях ци-топлазматических компартментов фиб-

робластической популяции сохраняются и на 14 сутки дистракции. К этому сроку наблюдается пик полиморфизма фибробласти-ческой популяции фасций в течение всего исследованного периода дистракции. Можно выделить следующие типы фибробластов: малодифференцированные и юные фиб-робласты (располагающиеся, в основном, в периваскулярных зонах микрососудов), умеренно активные и гиперактивные фиброблас-ты ( коллагенобласты I и II типов, соответственно [6]) (рис. 3).

На последующие сроках дистракции полиморфизм фибробластической популяции фасций несколько снижается. На 28 сутки дистракции преобладают активные коллагенобласты I и II типа, а к концу второго месяца дистракции основным клеточным типом в фасции является умеренно активный коллаге-нобласт I типа. Отражением прогрессивной дифференцировки клеток фибробластическо-го ряда после 1-го месяца дистракции являются изменения в структуре фибробластической популяции фасций, которые представлены на рис. 2. Они состоят в уменьшении объемной доли ее ядерного компартмента по сравнению с первыми двумя неделями дистракции и, следовательно, снижении ядерно -цитоплазматического отношения и числа малодифференцированных клеток. Это сопровождается увеличением объемной доли цитоплазмы и ЭПР - основного цитоплазматического компартмента, определяющего дифференцировку фибробластов в направлении специфических биосинтезов [6].

В исследованном периоде дистракции объем фибробластической популяции в единице объема ткани фасций возрастает и достигает своего максимума в 7,5 раз выше, чем значение со зетствующего параметра у интакт-ных взрослых собак, на 28 сутки дистракции и несколько снижается на 58 сутки дистракции (рис. 1). Поверхностная плотность фибробластов постепенно увеличивается в периоде дистракции, достигая к концу 2-го месяца максимума, в 5 раз превышающего значение этого параметра у интактных взрослых собак. Поверхностно-объемное отношение фибробластов имеет минимальное значение на 28 сутки дистракции и почти в два раза выше к концу 2-го месяца дистракции, что количественно подтверждает преобладание крупных гиперактивных клеток на 28 сутки дистракции и более дифференцированных фибробластов к концу 2-го месяца удлинения.

Прогрессивное возрастание объема фибробластической популяции в единице объема

ткани фасций в исследованном периоде дистракции характеризуется увеличением оценок стереологических параметров основных внутриклеточных компартментов фибробластов - ядерного, цитоплазматического, ЭПР (рис. 1). Динамика объемной, поверхностной плотности и поверхностно-объемного отношения для ядер фибробластов в исследованные сроки дистракции аналогична характеру изменений оценок этих же параметров для фибробластов, проходя через пик объемной плотности на 28 сутки дистракции (рис. 1).

Возрастание суммарного объема ядерного компартмента фибробластической популяции в единице объема ткани фасций связано как с увеличением объема фибробластов в единице объема ткани, так и с возрастанием относительного объема ядер в единице клеточного объема фибробластов в 2-3 раза, что может быть связано с полиплоидизацией ядерного материала в периоде дистракции [7]. В то же время объемная доля ядерного компартмента в структуре фибробластической популяции максимальна в первые две недели дистракции и составляет, как уже было показано на рис.2, 35,68% и 29,74% на 7 и 14 сутки дистракции и снижается до 21,96% и 23,07% соответственно на 28 и 58 сутки дистракции. Это свидетельствует о преобладании более дифференцированных форм к концу 1-го и 2-го месяца дистракции и снижении ядерно - цитоплазматического отношения в процессе этой дифференцировки. На всех исследованных сроках дистракции ядерные компартменты фибробластов имеют сходную ультраструктуру, свидетельствующую о высоком уровне ядерных синтезов (рис. 3).

Суммарный объем шероховатого ЭПР — основного биосинтетического органоида цитоплазмы фибробластов — возрастает в единице объема ткани фасций в исследованном периоде дистракции (рис. 1), достигая на 28 сутки максимального значения (в 70 раз выше оценок соответствующего параметра у взрослых интактных собак) и несколько снижается к концу 2-го месяца дистракции. Увеличение объемной плотности ЭПР в периоде дистракции связано как с возрастанием объемной плотности фибробластов, так и с увеличением относительного объема ЭПР в единице клеточного объема фибробластов, также достигающего максимального значения (в 10 раз выше, чем у интактных взрослых собак) на 28 сутки дистракции.

I сний

№1, 1996

5

о

т—

СО

ш

0 п

й в

1 '1 8

О. о

Ю го

5

о

«а

ю О

0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

0,189

Г г-ТЧ —

П 1ПЗ

г-ЭЕн

П ПА*

0.025 -

Взрослые интактные собаки

14

28

58

Дистракция, дни

со со о

ь

ю °

4 »

о. -8-

0) <о

5 5

к о

0) А ю О

0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0

Взрослые интактные собаки

14 28

Дистракция, дни

0,038

П П11 щЬж

58

о

>зГ

о

ГО

2 н го

ГО 5

го § с

о с[ X

Г)

О) гД

ю О

0,025

0,02

0,015

0,01

0,005

0,021

0,0039

0,0003

0,001

Взрослые интактные собаки

14

28

Дистракция, дни

0,0126

58

? 2

8 §

х о

X О)

а т

а> х

т I-

0 «

£ 8

1 =

ЕГ о

О с!

£ *

5

>х~ X

Э"

о го

-9-

го

0

т-

т

го

1

X

I-ф

а.

Взрослые интактные собаки

Дистракция, дни

Рис. 1. Динамика биосинтетической активности фибробластов фасций в периоде дистракции аппаратом Илизарова

у взрослых собак.

Гипертрофия цистерн ЭПР фибробластов фасций в периоде дистракции сопровождается возрастанием поверхностной плотности его мембран, максимальное значение которой почти в 70 раз выше, чем у взрослых интакт-ных собак и не различается достоверно к концу 1-го и 2-го месяца дистракции (рис. 1). При этом относительная площадь этой основной работающей мембранной структуры ЭПР в единице клеточного объема фибробластов в периоде дистракции постоянно нарастает и достигает максимального значения к 58 дню дистракции.

Сходный биосинтетический потенциал фибробластической популяции фасций на 28 и 58 сутки дистракции, определяемый сходной поверхностной плотностью ЭПР фибробластов в эти сроки дистракции, достигается путем различной организации этого ци-топлазматического компартмента. Так, на 28 сутки дистракции ЭПР имеет больший относительный объем и соответственно меньшее, чем на 58 сутки дистракции поверхностно-объемное отношение, что свидетельствует о преобладании накопительной функции гипертрофированных цистерн ЭПР на 28 сутки дистракции за счет возрастания их объема. Это количественно подтверждает преобладание в фибробластической популяции фасций на 28 сутки дистракции коллагенобластов II типа, а к концу 2-го месяца дистракции — более дифференцированных, умеренно активных коллагенобластов I типа.

Таким образом, количественный анализ фибробластической популяции фасций показал пролонгированный характер рост - сти-

мулирующего эффекта напряжения растяжения. В исследованном периоде дистракции происходит возрастание объема фибробластов и их биосинтетических компартментов в единице объема ткани фасций. В первые две недели дистракции в структуре фибробластической популяции преобладают малодиффе-ренцированные формы с высоким ядерно -цитоплазматическим отношением. Их последующая прогрессивная дифференцировка приводит к возрастанию полиморфизма фибробластической популяции, максимально выраженному на 14 сутки дистракции. Преобладание в этом периоде дистракции клеточных форм ранних этапов дифференциров-ки, юных фибробластов с гипертрофией структур Гольджи в их цитоплазме свидетельствует о преимущественной специализации фибробластической популяции в синтезе протеогликонов и гликопротеинов, структурных предшественников внеклеточного коллагеногенеза [6]. Последующая прогрессивная дифференцировка фибробластической популяции и становление коллаген - продуцирующей функции фибробластов отчетливо выражены к концу 1-го и, особенно, 2-го месяца дистракции, что проявляется в максимальной в исследованном периоде дистракции гипертрофии ЭПР - цитоплазматическо-го компартмента, обеспечивающего реализацию этой специфической функции коллагенобластов. Выявленные изменения в структуре и функции фибробластической популяции хорошо согласуются с количественными и ультраструктурными изменениями элементов межклеточного матрикса фасций.

Дистракция 7 дней

2,29%

Дистракция 14 дней

3,79%

Дистракция 28 дней

Дистракция 58 дней

23,07

69,20

%

Ш Цитоплазма 11 Ядро □ ЭПР

78,40%

Взрослые интактные собаки

20,40%

1,20%

Рис. 2. Изменения относительного объема внутриклеточных компартментов в структуре фибробластической популяции фасций в периоде дистракции аппаратом Илизарова у взрослых собак.

гснрш Ортопедии №1, 1996

Рис. 3. Цитоархитектоиика (а) и ультраструктура (б) активированных фибробластов фасций на 14 сутки дистрак-ции: а) сканограмма. х 13390, б) электронограмма, х 14300.

Под влиянием напряжения растяжения в периоде дистракции наблюдаются изменения в ультраструктуре и количественном содержании элементов межклеточного матрикса, свидетельствующие об их активном новообразовании. На 7 сутки дистракции объемная плотность коллагеновых фибрилл достоверно снижается (рис. 4), а объемные плотности основного вещества и эластических волокон достоверно возрастают, соответственно в 2,9 и 1,6 раза (рис. 5). Эти обратные тенденции в изменении относительного объема основного (коллагеновые фибриллы — КФ) и минорных (основное вещество, эластические волокна — ОВ и ЭВ, соответственно) компонентов межклеточного матрикса отмечаются до 28 суток дистракции.

Объемная плотность коллагеновых фибрилл снижается в течение 1-го месяца дистракции и достигает к концу его минимального в периоде дистракции значения, а затем начинает возрастать. В то же время объемная плотность основного вещества возрастает в течение 1-го месяца дистракции, достигая к концу его максимального значения в периоде дистракции — в 5,3 раза выше значения соответствующего параметра у взрослых интакт-ных собак, и затем резко снижается к концу 2-го месяца дистракции. Объемная плотность эластических волокон растет в течение всего исследованного периода дистракции, достигая к концу 2-го месяца максимального значения, которое в 3,4 раза превышает значение соответствующего параметра у интактных взрослых собак (рис. 5).

Эти количественные данные свидетельствуют о сдвиге в периоде дистракции в новообразовании структур межклеточного матрикса - активная продукция минорных структур (ОВ, ЭВ) предшествует во времени периоду увеличения относительного объема коллагеновых структур.

Отмеченную тенденцию подтверждают и вторичные стереологические параметры,

определяющие отношение объемов основного вещества и эластических волокон к объему коллагеновых фибрилл в единице тестового объема ткани фасций и относительный объем всех компонентов межклеточного матрикса (КФ, ОВ, ЭВ) в единице объема межклеточного вещества фасций.

Так, объем основного вещества, приходящийся на объем коллагеновых фибрилл в 1 см3 фасций, и объем основного вещества, содержащийся в единице объема межклеточного матрикса возрастают в течение 1-го месяца дистракции, достигая максимальных значений на 28 сутки, соответственно в 9,6 и 7,9 раза превышающих значение этого параметра у взрослых интактных собак, и затем к концу 2-го месяца дистракции снижаются (рис. 5).

Объем эластических волокон, приходящийся на объем коллагеновых фибрилл в 1 смЗ фасций и содержащийся в единице объема межклеточного матрикса фасций, постоянно нарастает в периоде дистракции, достигая максимальных значений к концу 2-го месяца, соответственно в 4,4 и 4,0 раза превышающих значение этого параметра у взрослых интактных собак (рис. 5).

Объем коллагеновых фибрилл в единице объема межклеточного матрикса снижается в течение 1-го месяца дистракции, достигая минимального значения на 28 сутки, и затем возрастает к концу 2-го месяца дистракции (рис. 4).

Эти данные свидетельствуют о преобладании синтеза протеогликонов и гликопротеи-нов в первый месяц дистракции. На основе этих структурных предшественников [6] происходит интенсификация внеклеточного фиб-риллогенеза коллагеновых структур, что проявляется возрастанием объемной доли коллагеновых фибрилл к концу 2-го месяца дистракции.

Таким образом, рост-стимулирующий эффект напряжения растяжения на структуры

межклеточного матрикса фасций проявляется в активном их новообразовании в течение всего исследованного периода дистракции. Причем активная продукция основного вещества, представленного структурными гли-копротеинами и протеогликанами [6], предшественниками коллагеногенеза, максимально выражена в течение 1-го месяца дистракции и предшествует во времени периоду увеличения относительного объема коллагено-

вых структур, достигающего максимального значения к концу 2-го месяца дистракции. Пролонгированный рост относительного объема эластических волокон в течение всего исследованного периода дистракции связан с участием этих структур в формировании ци-тостромальных контактов фибробластов и реализации формогенного эффекта напряжения растяжения [2].

с ц

а

ю

*■ 5

X

5 I £0 ±-

о 3

о £

^

г

ф £ ю О

1

0,9 0,8 0,7 0,6-0,5 0,4-0,3-0,2 0,1 0

0,4347

Л*. .,-•• 1

ш

т-

рр"

ь'

0,^597

>

Взрослые 7

интактные собаки

0,7368

14

0,6337

28

Дистракция, дни

0,7419

_

Щш

58

х 3 со о

X

о

го ц

с

О

го £

о

ю о

2

о

У О о >5

Ш

I

Ф

3 О

С с;

а ю ь- з О -9-

=г о го -8-

■о

о

Взрослые интактные собаки

Дистракция, дни

Рис. 4. Динамика относительного объема коллагеновых фибрилл фасции в периоде дистракции аппаратом Илиза-

рова у взрослых собак.

Гснрш

№1, 1996

гс а

ь

0

ф со

1 з

Ш

о х

о 5 § -е-

I<*>

о 2 О о

5

ф

г*

ю О

ш

0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

1

0,091

0,032

Взрослые интактные собаки

14

0.168

28

Дистракция, дни

0,083

58

Взрослые интактные собаки

14 28

Дистракция, дни

а

х с;

ш 5

I- о.

1

о £ **

и Ш

О о 5

X I о

ш 0)

£ «

о р

° §

0,4

0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

0,336

рщ

0,25

УШ?1

П 114 0.119

0,035

■н

Взрослые интактные собаки

14

28

58

Дистракция, дни

с; С х а

ю >х ^ ^

"О- о

3 -8-

ш со

2 5 х о

2? -

я

с

с; §

0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0

0,0068

0,0077

0,0038

Взрослые интактные собаки

14

Дистракция, дни

Рис.5. Динамика относительного объема основного вещества и эластических волокон фасций в периоде дистракции

аппаратом Илизарова у взрослых собак.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дьячкова Г. В. Мышечно - фасциальный аппарат голени при удлинении ее по методу Г. А. Илизарова: Автореф. дис... канд. мед. наук. — Новосибирск, 1982. — 16 с.

2. Илизаров Г. А., Асонова С. Н. Ультраструктурные проявления формогенного эффекта напряжения растяжения в фасциях скелетных мышц при удлинении по Илизарову // Гений ортопедии. — 1996. — №2. — С. 30 - 37.

3. Диплом № 355 (СССР). Общебиологическое свойство тканей отвечать на дозированное растяжения ростом и регенерацией (эффект Илизарова) / Г. А. Илизаров. — Заявлено 25.12.1985 г. № ОТ. — 11271; Опубл. 23.IV. 1989; Бюл. "Открытия, изобретения." — 1989. —№ 15; Приоритет от 24.Х1. 1970 г.

4. Шеховцова Н. С., Шрейнер А. А., Мартель И. И. Морфологические изменения волокнистых структур и гемомикроцир-куляторного русла фасциального аппарата при удлинении голени по методу Илизарова в эксперименте // Чрескост. компрес. - дистракц. остеосинтез в травматологии и ортопедии: Сб. науч. трудов. — Курган, 1986. — Вып. XI. — С. 138-145.

5. Асонова С. Н. Использование метода стереологического анализа для исследования тканевых и ультраструктурных характеристик соединительной ткани // Значение открытых Г.А.Илизаровым общебиол. закономерностей в регенерации тканей: Сб. науч. трудов. — Вып. 13. — Курган, 1988. —С. 50-55.

6. Серов В. В., Шехтер А. Б. Соединительная ткань. — М.: Медицина, 1981. — 312 с.

7. Бродский В. Я., Урываева И. В. Клеточная полиплоидия. Пролиферация и дифференцировка. — М.: Наука, 1981. — 259 с.

Рукопись поступила 15.10.92 г.

Вышел в свет учебник

«ТРАВМАТОЛОГИЯ»

для преддипломной И ПОСТДИПЛОМНОЙ ПОДГОТОВКИ. Он одобрен и рекомендован к печати Минздравмедпромом России.

Учебник написан академиком РАМН А. Ф. Красновым и его учениками: академиком РАМТН, профессором Г. П. Котельниковым и доцентом В. Ф. Мирошниченко

Учебник хорошо иллюстрирован и современно оформлен. В нем 200 схем и рисунков, объем 450 страниц (30,2 пл.).

Стоимость 33 тыс. рублей (в том числе НДС, СН и расходы по пересылке).

Для получения учебника необходимо перечислить требуемую сумму на расчетный счет 367301 в Самарском ОСБ № 28 (443099, г. Самара, ул. Куйбышева, 93), кор. счет 600164013 в ЦРКЦ г. Самары, код 613, МФО 151001.

В графе «Назначение платежа» ОБЯЗАТЕЛЬНО указать: «На развитие Ассоциации травматологов-ортопедов России».

Заявку на необходимое количество учебников с приложением копии платежного поручения и указанием подробного почтового адреса заказчика направлять по адресу: 443013, г. Самара, ул. Тухачевского, 226, Ассоциация травматологов - ортопедов России, Трифонову Александру Владимировичу, факс (8462) 36-09-31.