CC BY
20
© В.И. Шевцов, Ю.М. Ирьянов, 1999
Морфология травматического воспаления при переломах
В.И. Шевцов, Ю.М. Ирьянов
Morphology of traumatic inflammation for fractures
V.I. Shevtsov, Y.M. Irianov
Российский научный центр "Восстановительная травматология и ортопедия" им. академика Г. А. Илизарова, г. Курган (Генеральный директор — академик РАМТН, д.м.н., профессор, заслуженный деятель науки РФ В.И. Шевцов)
Методами световой и электронной микроскопии исследованы регенераты, формирующиеся в зоне перелома диафизов большеберцовых костей взрослых собак в условиях остеосинтеза аппаратом Илизарова. Установлено, что морфофункциональное состояние регенератов через 3, 5 суток после перелома отражает различные фазы острого травматического воспаления. В очаге травматического воспаления наблюдается дегрануляция тучных клеток и тромбоцитов, усиление проницаемости сосудов микроциркуляторного русла, лейко- и эритродиапедез, пристеночное и внутрисосудистое тромбообразование, изменение формы эритроцитов, появление экссудата, деструкция и кальцификация адипоцитов костного мозга. Впервые обнаружено массовое образование в зоне перелома депозитов иммунных комплексов, их кальцификация и фагоцитоз, что свидетельствует о важнейшей роли иммунологических процессов в качестве пусковых механизмов в происхождении и развитии травматического воспаления при переломах.
Ключевые слова: чрескостный остеосинтез, воспаление, ультраструктура, тучные клетки, тромбоциты, микроциркуляция.
Regenerates, formed in the zone of tibial shaft fractures in adult dogs in the conditions of osteosynthesis with the Ilizarov apparatus, are studied by methods of light and electron microscopy. It is established, that morphofunctional condition of the regenerates 3, 5 days after fracture reflects different phases of acute traumatic inflammation. Degranulation of mast cells and thrombocytes is noted in the focus of traumatic inflammation, as well as hyperpermeability of microcirculatory bed vessels, leuko- and erythrodiapedesis, parietal and intravascular thrombogenesis, change of erythrocytic shape, exudate appearance, destruction and calcification of bone marrow adipocytes. Mass formation of immune complex deposits in the zone of fracture is noted for the first time as well as their calcification and phagocytosis, indicative of the most significant role of immunological processes as starting mechanisms in origin and development of traumatic inflammation in case of fractures.
Keywords: transosseous osteosynthesis, inflammation, ultrastructure, mast cells, thrombocytes, microcirculation.
В экспериментальных исследованиях установлено, что образование гематомы, и особенно процесс воспаления, играет важнейшую роль в развертывании репаративного костеобразования [1-3], что нашло подтверждение и в клинической практике. Некоторые авторы [4] считают, что без воспаления вообще невозможно образование регенерата кости. При этом полагают, что детрит, появляющийся в зоне перелома при разрушении клеток и межклеточного матрикса, оказывает решающее воздействие на формирование регенерата. Вместе с тем установлено, что
МАТЕРИАЛЫ И М
В настоящей работе исследованы регенераты, формирующиеся в зоне перелома диафизов большеберцовых костей 15 взрослых собак через 3 и 5 суток после флексионной остеокла-зии и остеосинтеза аппаратом Илизарова1. Ма-
Животных оперировали к.м.н.: Н.В. Петровская, И.И. Мартель, А.А. Шрейнер.
появление обширной гематомы значительно тормозит эндостальное и периостальное репара-тивное костеобразование. Известно, что самые ранние этапы воспалительного процесса связаны с ультраструктурными изменениями в клетках и межклеточном матриксе [5]. Вместе с тем электронно-микроскопические исследования регенератов на ранних этапах заживления переломов немногочисленны, а в условиях остео-синтеза аппаратом Илизарова вообще отсутствуют, что и определило цель нашего исследования.
териал исследовали при помощи методов световой микроскопии просветленных неокрашенных препаратов и полутонких срезов после ШИК-реакции и докрашивания метиленовым синим, трансмиссионной и сканирующей электронной микроскопии.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Метод закрытой флексионной остеоклазии является щадящим по отношению к костному мозгу и мягким тканям [6]. Участок операционной травмы при этом ограничен зоной вокруг линии излома. Вместе с тем, морфофункцио-нальное состояние регенератов через 3 и 5 суток после операции можно охарактеризовать как различные фазы острого травматического воспалительного процесса. Морфология его, как и при воспалении, вызванном многими другими повреждающими агентами [7, 8], представлена альтерацией, экссудацией - переходом плазмы крови и ее форменных элементов из капилляров и венул в окружающую ткань и пролиферацией, отражающей репаративные процессы. Проведенное нами исследование показало, что травматическое воспаление при заживлении переломов тесно связано с процессами иммунитета и имеет ряд других отличительных особенностей.
Альтерация сопровождается накоплением в тканях медиаторов воспаления: гистамина, се-ротонина, кининов, гиалуронидазы и др., главная роль в секреции которых принадлежит тучным клеткам (лаброцитам или тканевым базо-филам по международной гистологической номенклатуре) [9]. Начальный этап острого воспалительного процесса связан, таким образом, с выделением ими медиаторов воспаления, повышающих проницаемость обменных микрососудов [5].
Установлено, что через 3, 5 суток после перелома в регенерате выявляются периваскуляр-но локализованные тучные клетки, характеризующиеся выраженным полиморфизмом. На 3 сутки после операции особенно многочисленны лаброциты, относящиеся к типу клеток с выраженной дегрануляцией. Они имеют почти правильную округлую форму и 14-16 мкм в диаметре (рис. 1). Их специфические гранулы, содержащие, как известно [7, 8], гепарин, гиста-мин и серотонин, 0,8-1,2 мкм в диаметре располагаются в субплазмалеммальном слое, непосредственно на поверхности клеток или находятся на различных этапах экзоцитоза. В некоторых тучных клетках все пространство под плазмалеммой заполнено секреторными гранулами, которые, отделяясь целыми скоплениями от клеток, выявляются в межклеточном пространстве, что свидетельствует об остром возбуждении секреторного процесса. Наблюдаются и клетки, находящиеся на стадии постепенного выделения содержимого гранул с образованием в цитоплазме электронно-прозрачных вакуолей, что отражает секрецию по мерокриновому типу. На 3 сутки после операции встречается и голокриновый тип секреции тучных клеток, когда процесс дегрануляции сопровождается распа-
дом и гибелью клеток. На этом этапе многочисленны и опустошенные в результате секреции клетки с вакуолизированной цитоплазмой, содержащие лишь незначительное количество гранул. Через 5 суток после операции выявляется и четвертый тип тучных клеток меньшего размера (8-9 мкм в диаметре), в цитоплазме которых аккумулируются мелкие секреторные осмиофильные гранулы, что отражает процесс дифференцировки и созревания клеток.
Рис. 1. Тучная клетка в стадии дегрануляции. Специфические секреторные гранулы (стрелка) локализуются на поверхности клетки и путем экзоцитоза выделяются в межклеточное пространство. 3 суток после перелома. Электронная сканограмма. Увеличение 5000
Таким образом, проведенные исследования показали, что через 3, 5 суток после перелома осуществляется секреция тучными клетками в межклеточную среду регенерата комплекса важнейших физиологически активных веществ (гепарина, гистамина и серотонина), что вместе с периваскулярным расположением лаброцитов обеспечивает выполнение ими функции локальных короткодистантных регуляторов клеточно-тканевого метаболизма и уровня сосудистой проницаемости в формирующемся регенерате. Известно, что секретируемые ими провоспали-тельные тканевые гормоны гистамин и серото-нин, кроме повышения сосудистой проницаемости, стимулируют фагоцитоз, обладают деполи-меризующим эффектом, усиливающим тканевую проницаемость [7].
Аналогичными эффектами, как известно [7, 8], обладают и вазоактивные амины тромбоцитов, скопления которых выявлены нами в зоне перелома как в сосудах, так и экстраваскулярно (рис. 2). Проведенные исследования показали, что дегрануляции тромбоцитов предшествуют процессы их адгезии и агрегации, что является начальной стадией нарушения микроциркуляции, воспалительной гиперемии, стаза в капиллярах и образования тромбов в венулах [8, 10]. Установлено, что при адгезии (прилипании)
кровяных пластинок к внутренней поверхности поврежденной или измененной стенки сосуда в зоне перелома они теряют присущую им диско-видную или овальную форму и превращаются в результате активации в шаровидные образования с многочисленными нитевидными цито-плазматическими отростками - псевдоподиями, что согласуется с данными других авторов [10], полученными при изучении других объектов. С помощью псевдоподий тромбоциты прикрепляются к эндотелию, эритроцитам и друг к другу, образуя агрегаты, что сопровождается образованием волокон фибрина. Многочисленные крупные агрегаты тромбоцитов выявлены нами в поврежденных сосудах зоны перелома, где они вместе с волокнами фибрина образуют тромбы, почти полностью закупоривающие просвет сосуда (рис. 3, 4). Агрегаты тромбоцитов выявляются и в серозно-фибринозном экссудате интерстициальной ткани, особенно многочисленные на 3 сутки после операции, где они инициируют коагуляцию крови с появлением обширной сети волокон фибрина, окутывающих группы экстравазальных эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов, а также фрагменты разрушенных стромальных клеток.
Рис. 2. Начальная стадия пристеночного тромбооб-разования на люминальной поверхности венулы. Адгезия эритроцитов (длинная стрелка) и активированных тромбоцитов (короткая стрелка). Диапедез эритроцита через межэндотелиальные щели (тонкая стрелка). Между эритроцитами видны цитоплазма-тические мостики. Активированные тромбоциты шаровидной формы образуют псевдоподии и агрегаты. Агрегаты тромбоцитов и эритроциты связаны волокнами фибрина (толстая стрелка). 3 суток после перелома. Электронная сканограмма. Увеличение 1500
На 5 сутки после перелома тромбы подвергаются организации. В кровяные сгустки начинают проникать фибробласты, клетки грануляционной ткани и капилляры, что обеспечивает постепенное замещение их соединительной тканью и реваскуляризацию.
Рис. 3. Тромб в просвете венулы. 5 суток после перелома. Электронная сканограмма. Увеличение 150
Рис. 4. Фрагмент рис.3. Шиповидные эритроциты (стрелки) в тромбе, на люминальной поверхности венулы и в периваскулярном пространстве. 5 суток после перелома. Электронная сканограмма. Увеличение 1500
Проведенные исследования показали, что дегрануляция тучных клеток и тромбоцитов в очаге травматического воспаления сопровождается усилением проницаемости не только капилляров, но и других сосудов микроциркуля-торного русла - артериол и венул. В капиллярах отмечается разобщение межэндотелиальных контактов и появление в этих участках вакуоле-подобных структур, часто содержащих миели-новые фигуры, образующиеся в результате частичной деструкции клеток (рис. 5). Усиление проницаемости капилляров обеспечивает и повышение уровня трансэндотелиального обмена, о чем свидетельствует формирование ме-жэндотелиальных люков и эндотелиальных пор, появление многочисленных микропиноцитоз-ных везикул и их интенсивное новообразование в маргинальных участках эндотелиоцитов, разрыхление и фрагментация базальной мембраны под действием гиалуронидазы тучных клеток.
Рис. 5. Деструкция маргинальных участков эндоте-лиоцита венулы. Образование вакуолеподобной структуры и миелиновых фигур. 3 суток после перелома. Электронограмма. Увеличение 15000
В венулах и артериолах зоны перелома отмечается вакуолизация, отек, локальная деструкция и десквамация эндотелиоцитов, появление участков микроклазмоцитоза. В подэндоте-лиальном пространстве формируются короткие волокна фибрина, что свидетельствует о начальном этапе фибриноидного набухания и отека. В участках межэндотелиальных контактов с участием краевых поверхностных складок образуются вакуолеподобные структуры и микропузыри, появляются микроскопления плазмы. В поврежденных эндотелиоцитах отмечается кариорексис, цитоплазма в них уплотнена и осмиофильна, митохондрии вакуолизированы, люминальная поверхность фестончата и содержит многочисленные везикулы. Под поврежденными эндотелиоцитами в интиме выявляются метаболически активные гладкомышечные клетки, образующие многочисленные цито-плазматические контакты с эндотелиоцитами.
В артериолах появляются разрывы внутренней эластической мембраны, на 5-е сутки после перелома заполняющиеся сетью фибриллярных структур, что свидетельствует о развертывании репаративных процессов.
Увеличение проницаемости сосудов в зоне перелома сопровождается экссудацией плазмы и форменных элементов крови в интерстици-альные пространства. Проникновение плазмы из просвета сосудов осуществляется с участием механизмов пиноцитоза (микровезикулярного транспорта), цитопемзиса (за счет активизации
двигательной активности маргинальных цито-плазматических выростов эндотелиоцитов и образования вакуолеподобных структур и микропузырей) и благодаря активизации трансэндо-телиального транспорта.
Переход форменных элементов крови из сосудов (лейко- и эритродиапедез) осуществляется транэндотелиально через образовавшиеся в эндотелии люки и щели в несколько этапов. На начальном этапе наблюдается краевое стояние эритроцитов и лейкоцитов, затем осуществляется их адгезия на люминальной поверхности сосудов, после чего происходит их эмиграция за пределы сосудистой стенки.
В зонах пристеночного и внутрисосудистого тромбообразования эритроциты приобретают форму тутовых ягод. Отличительной особенностью их является наличие на поверхности выростов в виде шипов, вакуолей или каплеобразных выступов. При этом их форма меняется от двояковогнутой у шиповидных нормоцитов до вздутого диска, неполной и полной сферы. В последнем случае шиповидные эритроциты трансформируются в игольчатые сфероиды, являющиеся, как известно [10], предгемолити-ческой формой эритроцитов.
При адгезии часть эритроцитов взаимодействует друг с другом, образуя цитоплазматиче-ские мостики, отсутствующие у свободно расположенных клеток. Соединенные цитоплазма-тическими мостиками эритроциты сохраняют свою жизнеспособность, о чем свидетельствует их характерная, свойственная им в норме двояковогнутая шаровидная форма. Шиповидные эритроциты, являющиеся стареющими формами, цитоплазматические мостики не образуют.
Ультраструктура экссудата через 3, 5 суток после перелома позволяет охарактеризовать его как серозно-фибринозный. Он содержит белки плазмы, их преципитаты в виде мелкофибриллярных и зернистых структур, волокна фибрина различной толщины, лейкоцитарные инфильтраты, клеточный детрит и депозиты иммунных комплексов, идентифицированные на основании данных проведенных нами ультраструктурных исследований и сопоставления их с известными литературными данными [7, 8]. Продукты деструкции клеток вызывают эмиграцию лейкоцитов и накопление их в воспалительном экссудате.
Иммунные комплексы особенно многочисленны на 3 -и сутки после перелома, когда они выявляются в костно-мозговом канале обоих отломков на значительном удалении от зоны излома. Через 5 суток они обнаруживаются небольшими компактными скоплениями на поверхности мембран некоторых периваскуляр-ных фибробластоподобных клеток. Иммунные комплексы, образованные за счет взаимодействия антител со структурными антигенами по-
врежденных тканей, ШИК положительны, что свидетельствует о наличии в их составе глико-протеинов. На ультраструктурном уровне, как показали наши исследования, они представляют собой двухкомпонентное образование, состоящее из мелкогранулярного электронно-плотного материала, с вкрапленным в него веществом, значительно более прозрачным для электронов. Известно, что [7, 8] иммунные комплексы через систему комплемента или минуя ее активизируют секреторную активность клеток, аккумулирующих медиаторы воспаления: гистамин, серотонин, простагландины и др. и индуцируют резкое повышение сосудистой проницаемости, лейкоцитарную инфильтрацию, выпадение фибрина. Они обеспечивают также реализацию хемотаксиса полиморфноядерных лейкоцитов и макрофагов и стимулируют фагоцитоз и элиминацию детрита.
Характерной особенностью иммунных комплексов при переломах является их участие в процессах кальцификации (локального кальци-ноза), о чем свидетельствует выявление солей кальция в виде скоплений игловидных кристаллов, ультраструктурно сходных с кристаллами гидроксилапатита, в аморфном электронно -прозрачном веществе и по периферии мелкогранулярного компонента депозитов иммунных комплексов (рис. 6).
Факторов, вызывающих локальный кальци-ноз при травматическом воспалении через 3, 5 суток после перелома, можно выделить несколько. К ним следует отнести: гиперкальцие-мию вследствие усиленного выхода кальция из поврежденных костей, увеличение активности фосфатаз, высвобождающихся из разрушенных структур, образование комплексов с плазменными белками, гликопротеинами, липопротеи-нами и особенно комплексов протеолипидов, повышение метаболической активности тучных клеток, тромбоцитов, лейкоцитов, деполимеризацию гликозаминогликанов, физико-химические изменения поврежденных тканевых структур и др.
В связи с выявленной нами ролью иммунных комплексов в процессах кальцификации некол-лагеновых структур через 3, 5 суток после перелома представляется логичным объяснение механизмов минерализации в данном случае и с позиций учения Г. Селье [11] о кальцифилак-сии, поскольку в зоне перелома появляются сенсибилизирующий и разрешающий факторы. Сенсибилизирующий фактор - гиперкальцие-мия действует как тканевой сенсибилизатор. Агенты, выступающие в роли разрешающих факторов, локализуют реакцию в конкретной области - в зоне перелома. Разрешающими факторами могут быть, как известно [7], травматическое повреждение вследствие усиления активности высвобождающихся фосфатаз и още-
лачивания среды и продукты секреции тучных клеток, в частности, серотонин.
Рис. 6. Адгезия сегментоядерных лейкоцитов на поверхности кальцифицированного иммунного комплекса. С помощью псевдоподий лейкоциты внедряются в него и резорбируют. В участках контакта лейкоцитов с иммунным комплексом происходит его деминерализация и разжижение. На противоположной стороне лейкоцитов наблюдаются явления микро-клазмоцитоза и локальной деструкции. ^ - 5 суток после перелома. Электронограмма. Увеличение 10000
Отложения минералов в виде игловидных кристаллов апатита через 3, 5 суток после перелома наблюдаются также в тромбоцитах, на волокнах фибрина и в адипоцитах костного мозга.
В участках костно-мозгового канала, про-ксимальнее и дистальнее зоны, непосредственно примыкающей к линии излома, среди небольших скоплений паравазальных эритроцитов располагаются адипоциты на различных стадиях дезинтеграции (рис. 7). Деструкция адипоци-тов на множество липидных капель - липосом 0,1-0,2 мкм в поперечнике и хиломикронов (до 1 мкм) осуществляется при помощи кооперативного взаимодействия двух типов клеток. Моно-нуклеарные макрофаги - липофаги внедряются в толщу адипоцитов, захватывают и адсорбируют цитоплазматическими выростами содержащиеся в них нейтральные липиды - триглице-риды. С противоположной стороны липофагов продукты переработанных и переваренных ли-пидов (жирные кислоты, глицерин, моноглицерин и др.) секретируются в межклеточное про-
странство. Они адсорбируются ретикулярными клетками, функционирующими по типу одноклеточных жировых желез. В их цитоплазме всосавшиеся продукты соединяются с жирными кислотами и глицерофосфатом и образуют новые триглицериды. Последние аккумулируются в клетках в виде липидных включений, которые затем через цитоплазматические отростки выделяются в межклеточное пространство по типу мерокриновой и частично голокриновой секреции, то есть с разрушением цитоплазматических мембран и наличием процессов микроклазмоци-тоза.
Хиломикроны расщепляются липопротеид-липазами эндотелиоцитов, которые, как известно [9] активируются гепарином, высвобождающимся из тучных клеток. Образовавшиеся жирные кислоты могут быть использованы в качестве «горючего» для удовлетворения энергетических потребностей клеток в процессе формирования регенератов при заживлении переломов.
Таким образом, проведенные исследования показали, что важнейшей особенностью травматического воспаления при заживлении переломов является полиморфизм клеточных популяций и их функциональная гетерогенность. В результате совместной биосинтетической и секреторной активности различных клеточных элементов: незрелых, зрелых и дегранулирован-ных тучных клеток, макрофагов различной степени активности, лейкоцитов, лимфоцитов, тромбоцитов, жировых клеток и др., интерсти-циальные пространства в зоне воспаления обогащаются вазоактивными веществами - регуляторами сосудистой и тканевой проницаемости, ферментами (протеолитическими, лизосомаль-ными и др.), питательными веществами и метаболитами, коагулянтами и ингибиторами коагулянтов, нуклеиновыми кислотами и другими биологически активными веществами, что обес-
печивает стимуляцию репаративно-восстановительных процессов.
Рис. 7. Деструкция адипоцитов (стрелка) на множество липидных капель - липосом. 5 суток после перелома. Электронограмма. Увеличение 8000
Впервые обнаруженное нами массовое образование в зоне перелома депозитов иммунных комплексов, их кальцификация и фагоцитоз свидетельствуют о важнейшей роли иммунологических процессов в качестве пусковых механизмов в происхождении и развитии травматического воспаления, что согласуется с данными других авторов [5]. С учетом этого необходимо определять тактику физиотерапевтических и фармакологических методик лечения на ранних этапах заживления переломов.
1. Слуцкий Л.И. Биохимия регенерата кости как специфическая разновидность грануляционно-фиброзной ткани. Механизмы регенерации костной ткани. - М., 1972. - С.179-189.
2. Schenk R., Willenegger H. Morphological findings in primary fracture healing. Callus Formation, 1967. - Р.75-86.
3. Krompecher St. Local tissue metabolism and the quality of the callus. Callus Formation. - 1967. - Р.275-300.
4. Kuntscher G. Experimental and clinical solutions of the callus formation. Callus Formation. - 1967. - Р.153-158.
5. Чернух А.М. Воспаление. - М.: Медицина, 1979. - 448 с.
6. Илизаров Г.А., Ирьянов Ю.М. Особенности остеогенеза в условиях напряжения растяжения //Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 1991. - №2. - С. 194-196.
7. Серов В.В., Шехтер А.Б. Соединительная ткань. - М.: Медицина, 1981. - 312 с.
8. Серов В.В., Пауков В.С. Ультраструктурная патология. - М.: Медицина, 1975. - 432 с.
9. Хэм А., Кормак Д. Гистология. - М.: Мир, 1983. - Т.2. - 254 с.
10. Крымский Л.Д., Нестайко Г.В., Рыбалов А.Г. Растровая электронная микроскопия сосудов и крови. - М.: Медицина, 1976. -168с.
11. Селье Г. Многопричинные болезни // Архив патологии. - 1967. - N°5. - С.6-17. Рукопись поступила 02.02.1999.
