CC BY
17
© Группа авторов, 1999
О механизме патологического обызвествления суставного хряща при развитии дегенеративно-дистрофических изменений в тканях синовиальной среды
The mechanism of pathologic calcification of articular cartilage in development of degenerative changes in synovial tissues
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)
В эксперименте на 32 собаках проведены биохимические исследования дегенеративно-дистрофических изменений суставного хряща: содержание минеральных компонентов, хроматографическое и электрофоретическое разделение фракций гликозаминогликанов. Установлено, что при дегенеративно-дистрофических процессах в суставном хряще образуется патологически обызвествленная соединительная ткань.
Ключевые слова: дегенеративно-дистрофические изменения, суставной хрящ, матрикс, минеральная фаза, глико-заминогликаны.
Biochemical studies of degenerative-and-dystrophic changes of articular cartilage are made experimentally, using 32 dogs: content of mineral components, chromatographic and electrophoretic separation of glycosaminoglycane fractions. It is established, that pathologically calcified connective tissue is formed in articular cartilage during degenerative-and-dystrophic processes.
Keywords: degenerative-and-dystrophic changes, articular cartilage, matrix, mineral phase, glycosaminoglycanes.
К.С. Десятниченко, С.Н. Лунева, Е.Л. Матвеева
K.S. Desiatnichenko, S.N. Luniova, E.L. Matveyeva
ВВЕДЕНИЕ
Как ранее нами показано, в числе нарушений в структуре и составе суставного хряща при развитии дегенеративно-дистрофических изменений (ДДИ) одним из ведущих симптомов является существенное увеличение содержания минеральных компонентов в пораженном хряще [1]. Механизм биологической минерализации, в том числе патологического обызвествления, изучен недостаточно. В разное время в качестве фактора, способствующего минерализации, рассматривали отдельные компоненты органического матрикса: гликозаминогликаны, коллаген, липиды [2,3]. В настоящее время показано, что роль местного фактора минерализации выполняют не отдельные компоненты органического матрикса, а комплексы составляющих, находящихся в специфической связи при определенном количественном и качественном соотношении [4]. Между тем, раскрытие механизма как физиологического, так и эктопического обызвествления имеет важное значение и в
фундаментальных исследованиях биологии тканей опорно-двигательного аппарата, и в прикладных разработках по созданию современных технологий коррекции патологических изменений в последнем.
Выяснению роли и взаимосвязи органического и минерального компонентов суставного хряща при его кальцификации, наблюдаемой в ряде патологических состояний, посвящена настоящая работа. Изучение влияния чрескост-ного остеосинтеза на синовиальные ткани и получение однотипной клинической картины различных стадий дегенеративно -
дистрофических изменений суставного хряща стало возможным благодаря выполнению экспериментальных моделей, заключающихся в проведении различных оперативных вмешательств методом чрескостного компрессионно -дистракционного остеосинтеза по Илизарову (ЧКДО).
МАТЕРИАЛЫ И М
Работа выполнена на 32-х беспородных собаках в возрасте от 1 года до 4-х лет с массой тела 10-30 кг. Вмешательства на скелете различной продолжительности и степени сложности ЧКДО позволили моделировать в эксперименте ДДИ различной глубины: начальные изменения - 1-я группа животных (аппарат Илиза-рова из 4 кольцевых опор накладывали на ин-тактную голень), выраженные изменения - 2-я группа (осуществляли остеотомию в средней 1/3 диафиза большеберцовой кости, остеосинтез аппаратом Илизарова с последующим удлинением голени на 30 %), глубокие изменения - 3-я группа (животным с той же величиной удлинения голени и 90-суточной фиксацией через 8 месяцев после 1 -й операции производили удлинение контралатеральной конечности в том же режиме) [5]. После эвтаназии животных вскрывали коленные суставы на оперированной и контралатеральной конечностях, суставной хрящ бедренной и большеберцовой костей соскабливали скальпелем.
Отпрепарированную хрящевую ткань взвешивали на электронных аналитических весах Tekator (Sartorius, ФРГ), лиофильно высушивали на установке Lyph Lock 4,5 (Labconco, США). В высушенных образцах хряща после жесткой деградации влажным озолением или относительно мягкого кислотного гидролиза определяли основные компоненты минеральной фазы и внеклеточного органического матрикса: кальций — глиоксаль-бис-оксианиловым методом, неорганический фосфат - по образованию окрашенного комплекса в присутствии молибдата аммония и малахитового зеленого, сульфат -турбдиметрическим методом с BaCl2 в растворе полиэтиленгликоля (М.в. 50000), гексуроновые кислоты (ГУК) - по Bitter, Muir, гексозы - ан-троновым методом. Для выделения гликозами-ногликанов (ГАГ) хряща использовали папаи-новый гликолиз [6], фракционирование ГАГ осуществляли посредством анионообменной хроматографии и электрофореза на агарозе [7].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Уже на этапе препаративного выделения суставного хряща визуально четко определялись различия в зависимости от глубины ДДИ: хрящ коленных суставов животных с начальной стадией ДДИ был матовый, с бледно-сиреневыми либо розовыми пятнами; у животных с ярко выраженными ДДИ хряща суставные поверхности матовые, шероховатые, с фиолетовыми пятнами, толщиной 1 мм и менее; хрящ коленных суставов с глубокими ДДИ местами был истончен до обнажения субхонд-ральной кости, приобретал темно-фиолетовую окраску, появлялись участки прорастания суб-хондральной кости в виде возвышающихся над суставной поверхностью бугров.
У животных с начальной стадией ДДИ хряща коленных суставов увеличение содержания минеральных компонентов составило: Ca - в 3 раза в суставном хряще оперированной конечности и почти в 2 раза в контралатеральном; P -на 17,3% в оперированной конечности, на 21,8% в контралатеральной (рис. 1). Отношение Са/Р в хряще коленных суставов этой серии эксперимента в 2,6 раза превышало нормальные значения. Данное отношение характеризует качественный состав минеральной фазы матрикса.
Среди известных соединений величина отношения Ca/P колеблется от 0,5 (СаНРО4) до 1,67 [Саю(РО4)б](ОН) 2 с промежуточными значениями 1,33 (Са4Н(РО4)3) и 1,5 (Са3(РО)2), в нормальном хряще значение этого показателя составляет 1,95. Исходя из этого, можно пред* Операции выполнены д.м.н. А.А. Ларионовым.
положить, что помимо ортофосфата кальция в гиалиновом хряще присутствуют другие соединения Са, в первую очередь сульфат кальция.
Рис. 1. Содержание компонентов минеральной фазы хряща коленных суставов собак с начальной стадией дегенеративно-дистрофических изменений
В хряще коленных суставов животных с ярко выраженными ДДИ (2-я серия эксперимента) отношение Са/Р было увеличено в 4,3 раза в оперированной и в 4 раза в контралатеральной конечностях (р<0,01). За столь значительное возрастание коэффициента Са/Р в патологически измененном хряще ответственен, в первую очередь, Са-компонент. Снижение концентрации Р было менее значительно (рис. 2). У животных с глубокими ДДИ суставного хряща показатель кристаллизации в 11 раз превышает значение такового в интактном хряще, что происходит исключительно за счет кальцификации ткани (рис. 3).
Ca P Ca/P Сульфаты
Рис. 2. Содержание компонентов минеральной фазы хряща коленных суставов собак с ярко выраженными дегенеративно-дистрофическими изменениями
1 удлинение
О 2 удлинение
Норма (100%)
.<4
Ca
P
Ca/P
SO4
Рис. 3. Содержание компонентов минеральной фазы хряща коленных суставов собак с глубокими дегенеративно-дистрофическими изменениями
В специальном эксперименте in vitro мы проверили возможность присутствия в хрящевой ткани сульфата кальция как отдельной фазы, так и Са, связанного с сульфатами ГАГ. Для этого опытные и контрольные образцы хряща диализовали при 37° в течение 48 часов против раствора Ва02. При определении в противодиа-лизате концентрации сульфата выяснили, что в измененном хряще почти в 2 раза уменьшается количество аниона, проходящего через полупроницаемую мембрану, однако содержание кальция в подвергнутом диализу хряще практически не изменилось.
Общее количество кальция в хряще при выраженных ДДИ примерно в 2,5 раза выше содержания РО4 3- и SO42-. Исходя из вышесказанного, можно предположить, что увеличение содержания Са в ХКС экспериментальных животных происходит главным образом за счет кальция, фиксированного на структурах органического матрикса. Источником дополнительного кальция, несомненно, является субхондраль-ная кость, подвергающаяся резорбции.
Усиление кальцийсвязывающей способности органического матрикса хряща, по-видимому, связано с глубокими изменениями его макромо-лекулярного состава. Наиболее существенные из них состоят в уменьшении доли гиалуроно-вой кислоты и значительном возрастании кислых гликопротеидов (ГП) и сульфатированных гликозаминогликанов. Так, в хроматографиче-ских профилях папаинового гидролизата фракций хряща, прочно связанных с коллагеном, полученных при разделении на анионообменни-ке, нами обнаружено увеличение содержания
хондроитинсульфатов, дерматансульфата и гликановых фрагментов ГП во всех группах экспериментальных животных по сравнению с интактными (рис. 4).
Рис. 4. Хроматографические профили гликозаминогликанов хряща коленных суставов собак: а) интактных; б) с глубокими дегенеративно-дистрофическими изменениями.
I - гиалуроновая кислота;
II - гликановые цепи протегликанов;
III - хондроитинсульфаты;
IV - кератансульфат
При электрофоретическом разделении гид-ролизата хряща при общем сходстве полученных результатов выявлена также более выраженная, чем в норме, гетерогенность гликозаминогликанов одного класса в отношении степени сульфатирования, что выражается в более диффузных электрофоретических полосах, им соответствующих (рис. 5).
1 2 3 4 5 6 Рис. 5. Электрофореграммы гликозаминогликанов:
а) дегенеративно измененного суставного хряща коленных суставов собак в 1% агарозном геле, 0,1 МНСЬ буфер, рН4,0; А - ХС, В - КС. 1, 3 - ГАГ суставного хряща; 2, 4 - ГАГ синовиальной оболочки;
б) дегенеративно измененного суставного хряща коленных суставов собак в 1% агарозном геле, 0,1 MliCL буфер, pH4,0; А - ХС, В - КС. 1, 3 - ГАГ суставного хряща после обработки хондроитиназой АС; 2, 4 - ГАГ суставного хряща; 5, 6 - ГАГ суставного хряща после обработки хондроитиназой АВС
Наши наблюдения об одновременном увеличении степени минерализации и дисагрегирова-нии ПГ в патологически измененном хряще согласуются с данными других авторов. Существенно новыми являются данные о возрастании доли ГП в составе хрящевого матрикса, экс-прессируемых нехондроцитами. В подтверждение этому предположению приводим еще одно наблюдение. При изучении степени однородности коллагена хрящей экспериментальных животных посредством катионообменной хроматографии нами получен дополнительный пик коллагена, со сродством к катионообменнику как у коллагена типа I, характерного для фиброзной ткани, но не свойственный здоровой хрящевой ткани [1]. В случае далеко зашедших ДДИ хряща наблюдалось увеличение площади этого пика в 5 раз.
Мы полагаем, что при ДДИ суставного хряща формируется особый вид патологически
измененной соединительной ткани, названный М. Юристом эластоидом [8], который предшествует эктопическому обызвествлению. Эласто-ид представляет собой смесь фибриллярных и глобулярных белков, протеиновых комплексов, ГАГ, ГП, липопротеидов и других веществ, образующих комплексы с кальцием. По своим гистохимическим свойствам эластоид сходен с распавшимся, деградированным эластином, описанным при обызвествлении сосудистой стенки. При патологическом обызвествлении способная к минерализации матрица образуется не путем синтеза, а путем деградации с образованием эластоида. Представленные в настоящей работе данные дают основания считать, что в случае ДДИ образуется супрамолекулярный комплекс соединений со свойствами эластоида, инициирующего патологическое дистрофическое обызвествление суставного хряща.
ЛИТЕРАТУРА
1. Биохимические и биомеханические изменения суставного хряща при многоэтапном удлинении конечности у собак / В.И. Шевцов, К.С. Десятниченко, С.Н. Лунева и др. / Тез. докл. на межд. науч.-практич. конф. // Гений ортопедии. - 1996. -№ 2-3. С. 147.
2. Glimcher M.J. - In: Calcification in Biological Systems. - Washington, 1960. - P. 421-487.
3. Irving J.T., Wuthier R.E. Histochemistry and biochemistry of calcification with special reference to the role of lipids // Clin. Orthop. -1968. - №.56. - P. 237-260.
4. Десятниченко К.С. Об участии белково-липидных комплексов в минерализации зубной эмали // Вопр. мед. химии. - 1979. - N° 3.- С. 255-260.
5. Изменения в составе макромолекулярных соединений при дегенеративно-дистрофических изменениях в суставном хряще / К.С. Десятниченко, Л.И. Грачева, А.А. Ларионов и др. // Актуал. вопр. биологии опорно-двигат. аппарата: Материалы VIII школы стран СНГ. - Киев, 1996. - С. 57.
6. Леонтьев В.К., Петрович Ю.А. Биохимические методы исследования в клинической и экспериментальной стоматологии. -Омск, 1976. - 92 с.
7. Матвеева Е.Л., Русова Т.В., Макушин В.Д. Изменение метаболизма протеогликанов в синовиальных тканях коленного сустава собак в разных биомеханических условиях // Гений ортопедии. - 1997. - № 3. - С. 41-47.
8. Меерзон Т.И. Вопросы патогенеза тканевых обызвествлений // Клин.мед. - 1968. - № 10. - C.26-32.
Рукопись поступила 25.09.1999.
Вышли из печати
А.М. Мархашов
Атлас кровеносных сосудов позвоночника
Курган, 1998. - 209 с., ил. 269.
В атласе рассматривается рентгеноанатомия кровеносных сосудов позвоночника человека. Освещены вопросы топографии и формирования кровеносных сосудов разных слоев позвонка, а также предпозвоночной клетчатки и фасции. Представлена индивидуальная анатомия каждого отдела позвоночника. Описаны сосудистые связи между венами позвонков и венами головы, венами пищеварительного тракта, почек и венами глубоких мышц спины.
Предназначен для вертебрологов, нейрохирургов, травматологов, рентгенологов и студентов. Атлас подготовлен как на бумажных носителях, так и в электронном виде на компакт-дисках.
Цена 100 руб._
