CC BY
44
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 54.056, 544.01, 543.42
МЕХАНИЗМ РАЗВИТИЯ КОКСАРТРОЗА НА МАКРО-, МИКРО- И МОЛЕКУЛЯРНЫХ УРОВНЯХ КОСТНЫХ ТКАНЕЙ ЧЕЛОВЕКА*
О. А. Голованова, С. А. Герк
ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского», г. Омск
Аннотация
Приведены результаты исследования костной ткани человека методами рентгенофазового анализа, ИК-спектроскопии, электронного парамагнитного резонанса, высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спетроскопии с индуктивно связанной плазмой. Показано, что процессы, протекающие в костной ткани при коксартрозе, характеризуются уменьшением кристалличности и упорядоченности структуры гидроксилапатита. Выявлено, что течение коксартроза приводит к изменению коллагена, состав и общее содержание аминокислот при этом отстается постоянным. Приведены результаты исследования морфологии, микротвердости костной ткани человека в «норме» и при патологии. Показано, что процессы, протекающие в пораженной костной ткани, характеризуются уменьшением окристаллизованности минеральной компоненты, уплотнением и деградацией костного вещества, преобразованием коллагена и низкомолекулярной органической составляющей. Ключевые слова:
фосфаты кальция, биоминерализация, костная ткань, костные заболевания, коксатроз, ататит, фазовый состав, аминокислотный состав, элементный состав.
THE MECHANISM OF DEVELOPMENT OF COXARTHROSIS AT MACRO, MICRO AND MOLECULAR LEVELS OF HUMAN BONE TISSUE
Olga A. Golovanova, Svetlana A. Here
F. M. Dostoevsky Omsk State University, Omsk
Abstract
The article presents the results of human bone tissue research by x-ray phase analysis, IR spectroscopy, electron paramagnetic resonance, high-performance liquid chromatography and inductively coupled plasma mass spectrometry. It has been shown that the processes taking place in bone tissue when coxarthrosis occurs, are characterized by crystallinity reduction and orderliness of apatite structure. It has been revealed that the current coxarthrosis leads to collagen change, the structure and the general content of amino acids thus stay constant. The results of the study of morphology and microhardness of human bone tissue under normal and pathological conditions, are presented. It was shown that the processes occurring in the affected bone tissue are characterized by decrease in the crystallinity of the mineral component, compaction and degradation of bone substance, conversion of collagen and low molecular weight organic component.
Keywords:
calcium phosphates, biomineralization, bone tissue, bone diseases, coxarthrosis, atatite, phase composition, amino acid composition, elemental composition, bone diseases.
* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 15-29-04839 офи_м, № 16-33-00535 мол_а).
Введение
В настоящее время интенсивно развивающимся естественнонаучным направлением выступает изучение физиологической основы высокоорганизованных живых минеральных образований в организме человека (биоминералогия). Одни минералы образуются на генетическом уровне и необходимы для полноценного функционирования всех органов и тканей (физиогенные). Важнейшим
представителем физиогенных минералов является костная ткань. Костная ткань — сложнейший эволюционно сформированный биоминерал, составляющий организмов, необходимый для их существования и функционирования. Негативные условия жизнедеятельности (экзо- и эндогенные) нарушают протекание «нормальных» физиопроцессов, что сказывается на «здоровье» кости, прежде всего на ее химическом и структурном составе, в результате развиваются костно-суставные патологии. Среди дегенеративно-дистрофических заболеваний суставов, приводящих к инвалидности, коксартроз стоит на первом месте [1, 2]. Закономерности эпатогенеза данной патологии до сих пор остаются спорными. В данном случае необходимым является комплексное изучение костной ткани специалистами разного профиля (медики, химики, минералоги, и т. д.). Поэтому наше исследование направлено на изучение особенностей химического состава костной ткани и его патогенных изменений при коксартрозе различными физико-химическими методами, что будет способствовать выбору рациональных методов лечения и профилактики различных костных заболеваний.
Стремительный рост числа заболеваний, связанных с метаболическими нарушениями в костной ткани, является серьезной медицинской проблемой во всем мире. ВОЗ оценивает остеопороз как вторую по значимости проблему после сердечно-сосудистых заболеваний [3].
Старение костной ткани связано с возрастными регуляторно-метаболическими сдвигами и является одним из процессов старения организма [4], который проявляется в изменении ультра -и микроструктуры костной ткани, нарушении архитектоники костных органов, а также снижении прочностных свойств кости, что приводит к повышению риска переломов.
Минеральный компонент матрикса характеризуется формированием сдвигов на ультра- и микроструктурном уровне. Так, с возрастом увеличиваются размеры копланарных объединений кристаллов, что приводит к вытеснению водной и органической фракции из внеклеточного матрикса. Изменяется и степень минерализации остеонов. После 57 лет доля остеонов, минерализованных на 75 % и выше, составляет 40 % от общего их числа, в то время как в более молодом возрасте она не превышает 10 %. Таким образом, несмотря на относительное постоянство соотношения основных фракций костной ткани (минеральной, органической и воды), структура остеоцитарной сети, системы полостей, а также органического и минерального матрикса существенно меняется.
Несмотря на стремительный темп развития современной медицины, биотехнологий и биоминералогии, до сих пор сохраняется высокий уровень инвалидности, в первую очередь социально значимой группы заболеваний. Так, в структуре первичной инвалидности в Омской обл. на третьем месте находятся болезни костно-мышечной системы, среди которых заболевания суставов занимают одно из первых мест по неблагоприятным последствиям. По данным еевропейских медицинских агентств, в мире в эндопротезировании крупных суставов нуждается до 10 % населения, из них около 70 % составляют лица трудоспособного возраста. По данным официальной статистики, в Российской Федерации количество, нуждающихся в эндопротезировании составляет 6,7 %. В настоящее время в этом виде дорогостоящих операций на территории Омской обл. нуждается около 20 тыс. чел. [1]. Одним из тяжелых распространенных заболеваний
суставов, приводящих в 60-70 % случаев к эндопротезированию (замена сустава протезом), является коксартроз [2]. Среди заболеваний крупных суставов коксартроз занимает лидирующее место и имеет большое социально-экономическое значение. Так, в 2005-2007 гг. в Омском обл. зарегистрировано 358 таких операций, из них 58 % оперированных женщин и 42 % мужчин, причем наибольший процент больных приходится на возраст 50-69 лет.
Деформирующий коксартроз — одно из наиболее распространенных заболеваний тазобедренного сустава опорно-двигательной системы человека. В основе заболевания лежит дистрофическое изменение структуры суставного хряща, приводящее к его разрушению, обнажению подлежащей кости, костным разрастаниям (остеофиты). Различают три стадии коксартроза. На II, III стадиях развития заболевания происходит не только его поражение, но и перестройка костной ткани сустава, ее уплотнение (часть губчатого вещества преобразуется в компактное) и резорбция. На поздних стадиях заболевания сустав теряет способность выполнять свои функции. Большинство ученых [1-7] считают, что пусковым механизмом коксартроза является нарушение кровообращения в суставе как из-за ухудшения венозного оттока, так и вследствие нарушения артериального притока. Возможно, одной из причин такой ситуации является одностороннее рассмотрение патогенеза заболевания (морфологические изменения в суставе и синовиальной жидкости), традиционно проводимое в медицине на основании результатов рентгенологических и биохимических исследований. Незначительное внимание уделяется сложным изменениям, протекающим на минеральных и органических уровнях, составляющих основу межклеточного вещества костных тканей человека. Кроме того, не всегда учитываются их вариации с возрастом.
Таким образом, целью работы является комплексная оценка закономерностей изменений, протекающих на различных уровнях структурной организации костной ткани человека при коксартрозе.
Материал и методика исследований
Работа является продолжением исследования коллекции удаленных вследствие коксартроза головок бедренных костей мужчин и женщин Омского региона в возрасте от 30 до 79 лет. В качестве контрольных проб костной ткани использованы непораженные образцы, которые извлекались в соответствии с нормативными документами. Для изучения динамики заболевания из бедренных головок получали по три горизонтальных среза: верхний, средний и нижний (порядок чередования приведен в направлении гиалиновый хрящ — бедренная кость), которые в дальнейшем анализировали в виде сухих порошкообразных проб. Усредненный состав разных пораженных пластинок сравнивали между собой и с контрольными образцами.
Для определения фазового состава применялся рентгенофазовый анализ, для удаления органической составляющей была применена процедура обезжиривания, заключающаяся в длительном вымачивании кости в ацетоне (14 сут). Рентгенограммы костных проб получены на дифрактометре ДРОН-3М с использованием Сика-излучения при длине волны X = 1,54056 А, в интервале 10° < 29° < 60° с шагом 0,02 и экспозицией 15 с. Для анализа полученных дифрактограмм применялся программный комплекс D ifWin и Search-Match. Идентификация фаз осуществлялась путем сопоставления экспериментальных дифрактограмм с элементной базой данных Р-Ca-O-H Search-Match. ИК-спектры костных образцов получены методом прессования таблеток с КВг (0,5 и 300 мг KBr) на Фурье-спектрофотометре ФСМ-2201. Предел их обнаружения ~ 10-9 %; погрешность определения ~ 2-5 % (отн.).
Для оценки состояния поверхности и пористости костных тканей были использованы методики металлографического анализа на оптическом микроскопе Neophot-2. Для изучения более тонкой микроструктуры применялся сканирующий электронный микроскоп JEOL JSM-6610LV
фирмы JEOL, Япония. Для определения твердости в поверхность материала с определенной силой вдавливается тело (индентор), по размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твердости материала, которую количественно характеризовали числом твердости по Бринеллю (НВ).
Результаты и обсуждение
Известны следующие уровни организации костной ткани человека: макро- (все виды костных тканей, губчатое, компактное вещество); микро- (остеоны и гаверсовы каналы); ультра-(костные пластины, минерализованные коллагеновые фибриллы); молекулярный (нанокристаллы гидроксилапатита и коллагеновые фибриллы) [3-5]. Процессы преобразования костных тканей на данных уровнях организации при коксартрозе схематично представлены на рис. 1.
Рис. 1. Процессы преобразования при коксартрозе костных тканей на макро- (1); микро- (2); ультра- (3) и молекулярном (4) уровнях и синовиальной жидкости (5)
Так, с помощью сканирующей электронной микроскопии показано, что поврежденные участки костных тканей уплотнены, имеют меньшие размеры костных ячеек (пор). В образцах с кистами обнаружены костные трабекулы с трещинами. Возможно, это связано с особенностями течения коксартроза, а именно с тем, что одновременно с разрушением костной ткани происходит ее уплотнение вследствие перераспределения нагрузки в тазобедренном суставе на кость (рис. 2, 3). На поздней стадии заболевания костная ткань, в отличие от «нормы», плотно упакована, имеет неупорядоченное строение, четко прослеживаются фрагменты разрушения костного вещества с кистозными образованиями. При прогрессировании дегенеративных процессов наблюдается увеличение размеров костных лакун и губчатое вещество головки бедренной кости не только уплотнено, но становится более пористым.
:Г • - . 1 А • % ,
Ч /"V- ^ ■
¡4
-« - 'v Ш - : - -V Ш Ь ■ '
- ■ Кл> \ • ;
- л . - :: > ; '
■ (Лч--
4 " ' ¿st-' it' ■ - :-з ;
2Û.0kV x5Q 200um
a б
Рис. 2. Микрофотографии костной ткани верхнего среза головки бедренной кости в «норме» (а)
и на второй стадии коксартроза (б)
Рис. 3. Микрофотографии костной ткани среднего среза головки бедренной кости при коксартрозе (третья стадия)
Результаты анализа микротвердости поврежденных образцов согласуются с морфологической картиной течения заболевания только для образцов костных тканей мужчин (табл. 1). Микротвердость более поврежденных верхнего и среднего срезов в два раза больше по сравнению с нижней частью головки бедренной кости. Определенных закономерностей по костных тканей женщин не отмечается, возможно, из-за наличия сопутствующих костных заболеваний (например, остеопороза), связанных с особенностями женского организма (период менопаузы) [2].
Таблица 1
Микротвердость образцов костных тканей
Костные ткани Костный срез Костные ткани Костный срез
Верх Середина Низ Верх Середина Низ
Мужские 693,49 613,8 347,9 Женские 231,2 927,0 789,9
Применение спектроскопических методов исследования позволило установить, что при заболевании уменьшается степень кристалличности минеральной основы межклеточного вещества костных тканей — гидроксилапатита. Возможно, ключевыми причинами снижения
кристалличности являются анионные изоморфные замещения в кристаллической решетке минерала ОН- и карбонатными группами, а также уменьшение содержания ионов кальция и увеличение — ионов железа, хрома, меди, марганца и олова.
С помощью термического анализа показано, что в поврежденных костных тканях содержится больше адсорбированных воды и углекислого газа, что приводит к изменению рН биологических жидкостей (межклеточной и синовиальной) и отрицательно сказывается на растворимости гидроксилапатита (рис. 4).
3 4
Рис. 4. Морфология костной ткани 1-4 после отжига при температуре 300, 500, 800 и 900 °С соответственно
Кроме того, проведена корреляция полученных данных термического анализа и ЭПР. Установлено, что органический матрикс пораженных костных тканей содержит меньше коллагеновой компоненты и больше веществ с меньшей, чем у коллагена молекулярной массой. Возможно, в данном случае наблюдается частичное разрушение коллагенового белка. Так, изменения качественного и количественного аминокислотного состава при патологии не было выявлено.
Таким образом, в ходе многочисленных исследований установлено, что процессы преобразования костных тканей при коксартрозе протекают и на всех уровнях составляющих межклеточного вещества, и в окружающих биожидкостях. На фоне разрушения и уплотнения коллагена интенсивно протекают процессы деминерализации, в ходе которых происходит растворение кристаллической основы — апатита за счет изоморфного замещения его структурных ионов, а также благодаря изменению состава и рН поверхностного слоя. При этом в синовиальной жидкости создаются благоприятные условия для осаждения апатита: понижается вязкость и кислотность среды, повышаются концентрации осадкообразующих ионов. Такое
фазообразование можно рассматривать, с одной стороны, как один из факторов, стимулирующих развитие изменений в костных тканях, с другой — как восстановление физико-химических равновесий в организме человека.
ЛИТЕРАТУРА
1. Биохимические изменения в тканях суставов при дегенеративно-дистрофических заболеваниях и способы биологической коррекции: дис. ... докт. биол. наук / С. Н. Лунева. Курган, 2003. 297 с. 2. Сидоренко О. А. Социально-гигиенические особенности заболеваемости и оценка эффективности больных с патологией крупных суставов: автореф. дис. ... канд. мед. наук. Новосибирск. 2002. 23 с. 3. Ерофеев Ю. В. Инновационное развитие системы здравоохранения Омской области // Индустрия здоровья: материалы междунар. мед. форума/выставки. 2009. 4. Сидоренко О. А. Социально-гигиенические особенности заболеваемости и оценка эффективности больных с патологией крупных суставов: автореф. дис. ... канд. мед. наук. Новосибирск, 2002. 23 с. 5. Suchanek W, Yoshimura M. Processing and properties of hydroxyapatite-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants // J. Materials Res. 1998. Vol. 13, №. 1. P. 94-117. 6. Weiner S., Addadi L., Wagner H. D. Materials design in biology // Materials Science and Engineering C. 2000. Vol. 11. Р. 1-8. 7. Organization of apatite crystals in human woven bone / X. Su [et al.] // Bone. 2003. Vol. 32, №. 2. Р. 150-162.
Сведения об авторах
Голованова Ольга Александровна — доктор геолого-минералогических наук, профессор Омского государственного университета им. Ф. М. Достоевского E-mail: golovanoa2000@mail.ru
Герк Светлана Александровна — кандидат химических наук, инженер-исследователь кафедры неорганической химии Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского E-mail: gerksa_11@mail.ru
Author Affiliation
Olga. A. Golovanova — Doctor of Sciences (Geol & Mineral.), Professor of F. M. Dostoevsky Omsk State University
E-mail: golovanoa2000@mail.ru
Svetlana. A. Herc — PhD (Chemistry), Research Engineer at Department of Inorganic Chemistry of F. M. Dostoevsky Omsk State University E-mail: gerksa_11@mail.ru
Библиографическое описание статьи
Голованова, О. А. Механизм развития коксартроза на макро-, микро- и молекулярных уровнях костных тканей человека / О. А. Голованова, С. А. Герк // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2017. — № 4 (9). — С. 37-43.
Reference
Golovanova Olga. A., Herc Svetlana. A. The Mechanism of Development of Coxarthrosis at Macro, Micro and Molecular Levels of Human Bone Tissue. Herald of the Kola Science of the RAS, 2017, vol. 4 (9), pp. 37-43. (In Russ.).
