CC BY
73
2/2П11 ВЕСТНИК _2/201_]_МГСУ
ОЦЕНКА ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА КОСТНОЙ ТКАНИ НИЖНЕЙ ЧЕЛЮСТИ НА СЕКЦИОННОМ МАТЕРИАЛЕ МЕТОДОМ РАСТРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ С ЭНЕРГОДИСПЕРСИОННЫМ РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫМ
АНАЛИЗОМ
EVALUATION OF ELEMENTAL COMPOSITION OF BONE TISSUE OF THE MANDIBLE IN AUTOPSY MATERIAL BY SCANNING ELECTRON MICROSCOPY WITH ENERGY DISPERSIVE X-RAY
SPECTRAL ANALYSIS
A.M. Цициашвили, A.M. Панин, O.B. Зайратьянц, М.Г. Панин,
А.П. Пустовгар, П.Д. Капырин
A.M. Tsitsiashvili, A.M. Panin, O.V. Zairatyants, M.G. Panin,
A.P. Pustovgar, P.D. Kapyrin
ГОУ ВПО МГМСУ, ГОУ ВПО МГСУ
В статье приведены результаты исследования костной ткани нижней челюсти на секционном материале методом растровой электронной микроскопии с энергодисперсионным рентгеноспектралъным анализом.
The article contains results of bone tissue of the mandible in autopsy material by scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectral analysis.
Введение
Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и прочих.
Различают атомный и молекулярный спектральный анализы, которые позволяют определять элементный и молекулярный состав вещества, соответственно. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют различные методы спектрального анализа: эмиссионный, абсорбционный, рентгеновский и другие.
Разработано большое количество спектрометров, как портативных (ИСП-30, СПС-99, Xlt-800), так и в виде детекторов (Genesis EDAX), которыми оснащают растровые электронные микроскопы (Quanta 200, 400, 600). Растровый электронный микроскоп (Quanta 200) — прибор, принцип работы которого, заключается в сканировании поверхности образца сфокусированным электронным пучком и анализе отраженных от поверхности частиц. Анализ частиц позволяет получать информацию о рельефе поверхности, о фазовом различии и кристаллической структуре приповерхностных
слоев. Анализ рентгеновского излучения, возникающего в процессе взаимодействия пучка электронов с образцом, дает возможность качественно и количественно охарактеризовать химический состав приповерхностных слоев.
Актуальность
Спектральный анализ применяется в различных отраслях науки и промышленности: физике, химии, экологии, геологии, металлургии, сельском хозяйстве, археологии, некоторых видах тяжелой и легкой промышленности (в том числе производстве фармацевтических препаратов), биологии [5,8,13,14].
Среди медицинских дисциплин спектральный анализ используется в практике судебно-медицинской экспертизы при установлении механизма образования телесных повреждений и конкретного орудия преступления, определении видовой принадлежности костной ткани и идентификации личности по костным останкам, диагностике острых и хронических отравлений некоторыми «металлическими» ядами. Это имеет большое значение для раскрытия умышленных убийств и других тяжких преступлений [1,7,9,10,13,19]. В последние годы, спектральный анализ применяется в клинике ортопедии и травматологии для оценки состояния костной ткани и изучения физико-химических свойств кость-замещающих материалов при оперативных вмешательствах на тазобедренном суставе [6,15,18].
Определенный интерес представляет содержание некоторых микроэлементов в тканях нижней челюсти человека. Изучению данного вопроса посвящены работы немногих авторов[20,21]. Они определяли качественный состав микроэлементов костной ткани нижней челюсти спектральным анализом у трупов. Наиболее фундаментальное исследование в данной области провел В.М.Семенюк (1973г.). На секционном материале проводили забор костных фрагментов нижней челюсти. Полученные фрагменты озоляли. Для определения качественного состава микроэлементов применяли спектральный метод анализа на кварцевом спектрометре ИСП-30. Количественный состав микроэлементов определяли биохимическими методами исследования [11,16,17]. Выявили, что он мало меняется в течение жизни. Некоторые элементы с возрастом накапливаются в костной ткани нижней челюсти, а концентрация других снижается.
Спектральный анализ является самым чувствительным методом аналитической химии. Современный прибор для проведения спектрального анализа Genesis EDAX, встроенный в систему растрового электронного микроскопа Quanta 200, позволяет проводить одновременно качественный и количественный анализ, исследовать структуру поверхности материала.
Цель: оценить элементный состав костной ткани нижней челюсти на секционном материале методом спектрального анализа.
Материалы и методы: исследование проводилось на базе Московского городского центра патологоанатомических исследований при Городской клинической больнице № 33 им. проф. А.А.Остроумова, кафедры патологической анатомии ГОУ ВПО «МГМСУ» Минздравсоцразвития России и танатологического отделения № 6 Бюро судебно-медицинской экспертизы Департамента здравоохранения города Москвы. Методом случайного отбора были выбраны 11 умерших от сердечно-сосудистых заболеваний. Из них 5 женщин и 6 - мужчин в возрасте от 32 до 59 лет. Из нижней челюсти в двух местах проводили забор образцов костной ткани размерами 3 х 10 мм: в области подбородка (под левым резцом) и косой линии (под левым моляром). Всего, таким образом было получено 22 образца, которые сразу помещали в отдельные сухие стерильные емкости. Каждому образцу присваивали индивидуальный шифр (рис.1).
Рис.1. Образец костной ткани, помещенный в сухую стерильную емкость, с индивидуальным шифром
Полученный материал был помещен в переносную сумку-холодильник и при температуре +5 градусов по Цельсию, в течение 3 часов, перевезен на базу Научно-образовательного центра новых строительных технологий и материалов ГОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».
Каждый образец извлекался из стерильной емкости стерильными перчатками и поочередно помещался на специальный столик (рис.2), в камеру растрового электронного микроскопа Quanta 200, дополнительно оснащённого системой энергодисперсионного рентгеноспектрального анализатора Genesis EDAX (рис.3). Прокладкой между столиком и биоптатом являлась двухсторонняя клейкая пленка на основе углерода (углеродный скотч). После укладки материала, дверцу камеры закрывали.
Рис.2. Вид столика (диаметр 10 мм) для укладывания образца.
Рис.3. Внешний вид растрового электронного микроскопа Quanta 200, оснащённого системой энергодисперсионного рентгеноспектрального анализатора Genesis EDAX
Путем программного управления, чтобы предотвратить массовое образование ионов атмосферных газов, которые могут рекомбинировать с ионами анализируемого вещества и разрушать их, в камере создавали вакуум. После достижения в системе вакуума, электронная пушка, содержащая термокатод в качестве источника электронов, ускоряла их до заданной энергии и сводила в пятно малых размеров, из которого
пучок расходился под углом до 10 градусов и проходил несколько электромагнитных линз. Линзы проецировали пятно на поверхность объекта, формируя остросфокусиро-ванный зонд. Электроны, попадая на объект, взаимодействовали с веществом приповерхностного слоя и вызывали различные эффекты, сопровождающиеся эмиссией вторичных электронов, рентгеновским и световым (катодолюминесцентным) излучением. Основной детектор улавливал электроны, преобразовывал их в электрический сигнал, который после усиления поступал на монитор, управляя яркостью текущего элемента изображения (пикселя). С помощью генератора развертки и отклоняющей системы электронный зонд сканировал поверхность объекта, образуя растр телевизионного типа. Сигнал на выходе детектора изменялся при перемещении зонда от точки к точке, поэлементно отображая структуру объекта. Этот сигнал, модулируя яркость сопряженных пикселей на экране монитора, создавал изображение объекта (Схема 1).
Синхронно с движением электронного пучка по поверхности объекта осуществлялось высвечивание сопряженного элемента изображения на экране дисплея. Образующаяся на экране картина отображала распределение вторичных электронов на поверхности образца. В приборе предусмотрено получение оцифрованного изображения высокого разрешения с возможностью его ввода, обработки и записи (рис.4а,4б).
После фиксации изображения исследуемый образец с помощью электронного микрозонда облучался очень узким направленным потоком электронов высокой энергии, внутренняя электронная оболочка атомов облучаемого вещества переходила в возбуждённое состояние и испускала рентгеновское излучение характерного спектра. Анализируя полученные данные, система энергодисперсионного рентгеноспектраль-
ного анализатора Genesis EDAX сопоставляла показатели спектров химических элементов и выстраивала графики и таблицы (Схема 2; График 1; Таблица 1).
Рис.4а. Электронная микрофотография образца костной ткани из подбородочной области (трупный материал).
Рис.4б. Электронная микрофотография образца костной ткани из области косой линии (трупный материал).
Схема 2. Принцип работы рентгенос-пектрального анализатора
График 1. График энергодисперсионного спектра, где горизонтальная ось - шкала энергии (Кило электронно Вольт): вертикальная ось -критические пики соответствующие каждому элементу
Таблица 1. Распределение элементов в весовом и атомном соотношении, где Wt % - весовой процент (от 100); At % - атомный процент (от 100)
Диаграмма, построенная на основании значений таблицы 1,
где С - углерод, N - азот, О - кислород, № - натрий, М^ - магний, Р - фосфор, 8 - сера, К - калий, Са - кальций
Element Wt % At %
C 37.85 52. D4
N 07.36 08.74
O 23.18 24.11
Na 00.91 00.66
Mg 00.D8 00.26
P 09.48 05.09
S 00.34 00.18
K 00.32 00.14
Ca 20.17 08.37
После проведенного исследования путем программного управления камера микроскопа заполнялась воздухом. Дверцу открывали и помещали образец обратно в стерильную емкость.
Результаты и обсуждения:
В исследованных образцах костной ткани нижней челюсти зафиксированы химические элементы: кальций, фосфор, сера, калий, натрий, магний, кремний, серебро, углерод, азот и кислород, что согласуется с данными В.М.Семенюк (1973) [11,16,17]. Кость является резервом минералов и органом минерального обмена веществ. Исследование ее элементного состава и сопоставление полученных данных с биохимическим анализом крови может косвенно указывать на патологические процессы, происходящие в организме.
Сравнение образцов костной ткани, полученных из подбородочной области и области косой линии, проводилось по содержанию кальция и фосфора.
Распределение Са в различных участках нижней челюсти у трупов неравномерно, о чем говорят различные его показатели, представленные в таблице и на диаграмме. Отмечаются различные пики в разном возрасте как у мужчин, так и женщин. Встречаются наблюдения, когда содержание Са у лиц старшего возраста выше, чем у более молодых. Нельзя исключить, что это динамические показатели. Поверхностные слои минерализованного вещества кости являются областями наиболее интенсивного обмена и зоной постоянно протекающих процессов костной перестройки [4]. Степень минерализации кости и соответственно ей механические параметры зависят от характера и уровня функциональных нагрузок [2]. Очевидно, что, продолжающиеся в течение всей жизни процессы активной перестройки и обновления костных структур с одной стороны являются важным механизмом в поддержании минерального гомеостаза, а с другой обеспечивают структурную адаптацию кости к меняющимся условиям функционирования [2,3]. В организме постоянно поддерживается баланс между содержанием Са в крови и кости. В случае нарушения этого баланса, мобилизационные механизмы организма стремятся к восстановлению уровня Са в крови, в том числе за счет его мобилизации из кости. Мы не имели возможности оценить содержание Са в крови, оценить уровень некоторых гормонов отвечающих за кальциевый обмен. Тем
не менее, при анализе медицинскои документации и результатам вскрытии, среди умерших не было выявлено лиц, страдающих заболеваниями соединительной ткани, желез внутренней секреции, органов пищеварения или мочевыделительной системы. Это были лица, погибшие от сердечно-сосудистых заболеваний, стоящих, как известно, на первом месте среди причин смерти, не только в РФ, но и в мире.
Сравнение подбородочной области и косой линии по содержанию СаиР (по возрасту)
40
35
8 I 30 £ ^ 3 3 25
V Я
14 2 т а 20
V О 20
V ^ -ш т
ч о 15 -
V у
а о 10
"" а с
я
5
32 35 36 43 44 50 53 54 56 57 59
Возраст
Омгишсмж' ( и/1' ИОлГмриДЫ'ИНЩ ойлнттм II №1С1М1 липши (по пт рясту I
32 35 36 43 44 511 53 и Н $7 Ширпгт
I Погромом шм ойлмсгь »Косл« .шшш
Несмотря на неравномерность распределения элементов в различных участках челюсти, баланс между Са и Р сохраняется и в большинстве наблюдений равен 2:1. Данное соотношение считается оптимальным для костей человека [12]. Главная функция фосфора связана с ростом и поддержанием целостности костной ткани и зубов. Нарушения соотношения между кальцием и фосфором, изменение химического состава кости может задержать или ускорить нормальную кальцификацию.
0
Таким образом, при исследовании костной ткани нижней челюсти у трупов методом спектрального анализа обнаружено, что распределение Са и Р неравномерно. Отмечены различные пики содержания данных элементов в разных возрастных группах и у разных полов. Встречаются наблюдения, когда содержание Са у лиц старшего возраста выше, чем у более молодых. Несмотря на неравномерность распределения элементов в различных участках челюсти, баланс между Са и Р сохраняется и в большинстве наблюдений равен 2:1. Спектрометр, встроенный в систему растрового электронного микроскопа позволяет изучать элементный состав костной ткани в качественном и количественном отношении, изучать рельеф поверхности костной ткани.
Спектральный анализ является объективным методом исследования и может быть внедрен в систему диагностических мероприятий в учреждениях и лабораториях, занимающихся изучением костной ткани. Этот метод, в совокупности с традиционными гистологическим и лучевым методами диагностики, способен дополнить представления о состоянии костной ткани в норме и при ее различной патологии.
Список литературы:
1. Арутюнов С. Д., Нагоева А. А., Прокопов А. А. «Использование спектрометрических методов анализа в судебной стоматологии» // Стоматолог. -М.:Просвещение, 2008, №12.-С.23-26.
2. Беневоленская Л. И. «Руководство по остеопорозу» под ред. Л.И. Беневоленской // М.: БИНОМ. 2003. 523с.
3. Денисов-Никольский Ю. И., Докторов А. А., Матвейчук И. В. «Патогенетические основы остеопороза»//«Руководство по остеопорозу» под ред. Л.И. Беневоленской / М.: БИНОМ. 2003. 523с.
4. Докторов А. А., Денисов-Никольский Ю. И. «Морфофункциональные корреляции структуры костных клеток и подлежащего матрикса в развивающейся кости» // Арх. анатомии, гистологии и эмбриологии. - 1991. - 100, N1:0004-1947. - С. 68-74.
5. Зайдель А.Н. «Основы спектрального анализа.» М.: Наука, 1965. 322с.
6. Калашников С.А., Загородний Н.В. «Низкофрикционная артропластика тазобедренного сустава» // Травматология и ортопедия: современность и будущее: материалы междунар. конгр. М., 2003. - С. 77.
7. Калашников С.А. Макаренко Т.Ф. Загородний Н.В. «Определение металлов в тканях человека с помощью спектральных методов исследования»//Судебно-медицинская экспертиза №6, 2003, стр. 34.
8. Карнаухов В. Н. «Спектральный анализ в клеточном мониторинге состояния окружающей среды»/ Наука, 2001г., 186 стр.
9. Крымова Т.Г., Колкутин В.В. «Применимость элементного состава костной и зубной ткани для диагностики признаков человека.» // Судебно-медицинская экспертиза, 2007.- № 6.- С. 19-24.
10. Крышова Т.Г., Колкутин В. В., Беняев Н. Е. «Исследование элементного состава костной ткани методом лазерной масс-спектрометрии в целях диагностики медико-биологических признаков человека» // Судебно-медицинская экспертиза : научно-практический журнал. — 2007. — Том 50, № 5 . — С. 32-37.
11. Курляндский В.Ю., Семенюк В.М., Манова Т.Г., Силакова В.Г., Рогинская Л.К «Оптимизация условий проведения спектрального анализа минерализованной ткани нижней челюсти человека» // Поражение твердых тканей зуба. Сб. ст. -М., 1973.- С. 214-217.
12. Москалев Ю.И. «Минеральный обмен.» М.: Медицина, 1985. - С.171-176.
13. О возможностях судебно-медицинской экспертизы при установлении механизма образования травмы, конкретного орудия преступления, определения видовой принадлежности костной ткани, идентификации личности (информационное письмо). - М., 1983.
14. Пупышев А.А. «Атомно-абсорбционный спектральный анализ»-Техносфера, 2009, 784
стр.
2/2П11 ВЕСТНИК _2/20U_МГСУ
15. Родионова Л.В., Ревенко А.Г., Шендерова Е.А. «Спектральный анализ головок бедренных костей и оссификатов, полученных при тотальном эндопротезировании тазобедренного сустава у больных деформирующим коксартрозом.»// Паллиативная медицина и реабилитация. -Фонд "Паллиативная медицина и реабилитация больных", 2005, № 2, с. 82a-82.
16. Семенюк В.М. «Влияние возраста, потери зубов и металлических зубных протезов на содержание микроэлементов в нижней челюсти человека» - канд. Дисс., М. ,1974.
17. Семенюк В.М., Курляндский В.Ю., Манова Т.Г. и др. «Спектральное определение некоторых микроэлементов в минерализованной ткани нижней челюсти человека» //Поражение твердых тканей зубов. М., 1973. — С.211-214.
18. Станионене Я., Канопкене А. «Некоторые изменения минерального обмена в нижней челюсти при пародонтозе». //Труды стоматологов Литов.ССР,т.4 1967г., 149-151.
19. Шараевская 3. Н. «Данные спектрального анализа твердых тканей зуба и альвеолярного отростка человека в норме и при пародонтозе»// Стоматология, 1958г. С. 12-14.
20. Шерепо K.M., Макаренко Т.Ф. «Результаты спектрального определения металлов в тканях, граничащих с эндопротезом тазобедренного сустава системы Сиваша».//Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н.Приорова, 2000г., №4 - С.43-47.
21. Юрасов В. В., Автореферат диссертации «Экспертные возможности решения идентификационных задач на основе элементного состава костной ткани (экспериментальное исследование)», 2006. Кол-во стр.:279.
Literature:
1.Arutyunov SD, Nagoeva AA, Prokopov AA "Use of spectral analysis techniques in forensic dentistry" / / The dentist. -M.: Education, 2008, № 12.-p.23-26.
2. Benevolenskaya L. Guidelines for osteoporosis ", ed. LI Benevolensky / / M.: binomial. 2003.
523s.
3. Denisov-Nikol'skii YI, Dr. AA, Matveichuk IV, "Pathogenetic basis of osteoporosis" / / "Guidelines for osteoporosis", ed. LI Benevolensky / M.: binomial. 2003. 523s.
4. Doctors, AA, Denisov-Nikol'skii YI "Morphological correlation structure of bone cells and matrix to be in the developing bones" / / Arch. Anatomy, Histology and Embryology. - 1991. - 100, N1 :0004-1947. - S. 68-74.
5. Zaidel "Fundamentals of spectral analysis." Moscow: Nauka, 1965. 322s.
6. Kalashnikov SA, Country, NV "Low friction arthroplasty of the hip" / / Traumatology and Orthopedics: Present and Future: Proceedings of International. Home Library Home. M., 2003. - S. 77.
7. Kalashnikov SA Makarenko TF Zagorodniy NV Determination of metals in human tissues using spectral methods "/ / Forensic Medical Examination № 6, 2003, p. 34.
8. Karnaukhov VN "Spectral analysis of the cellular environmental monitoring", Science, 2001., 186 p.
9. Krymova TG, Kolkutin VV "Applicability of the elemental composition of bone and dental tissue for the diagnosis of human traits." / / Forensic Medical Examination, 2007 .- № 6 .- S. 19-24.
10. Kryshova TG, Kolkutin VV, Benya NE "Investigation of the elemental composition of bone tissue by laser mass spectrometry to diagnose medical and biological characteristics of human" / / Forensic: scientific journal. - 2007. - Volume 50, № 5. - S. 32-37.
11. Kurland V., Semeniuk V., Manova TG, Silakova VG Roginskaya LK "Optimization of spectral analysis of mineralized tissue human mandible" / / The defeat of hard tissues. Sat Art. -M., 1973 .- S. 214-217. 12. Moskalev YI "Mineral metabolism." M.: Meditsina, 1985. - S.171-176.
13. On the possibilities of forensic examination in establishing the mechanism of injury, a specific instrument of crime, identifying the species of bone identification (information message). - M., 1983.
14. Pupyshev AA "Atomic absorption spectral analysis", Cam, 2009, 784 pages
15. Rodionova LV, Revenko AG, Shenderova EA "Spectral analysis of the femoral head and ossifikatov obtained during total hip arthroplasty in patients with coxarthrosis deformans." / / Palliative
medicine and rehabilitation. Fond "Palliative medicine and rehabilitation patients", 2005, № 2, pp. 82a-82.
16. Semeniuk VM "Influence of age, tooth loss and dentures on metal content of trace elements in the human mandible" - candidate. Diss., M., 1974.
17. Semeniuk VM, Kurland V., Manova TG and others "for the determination of some trace elements in the mineralized tissue human mandible" / / defeat the teeth. M., 1973. - S.211-214.
18. Stanionene Ya Kanopkene A. "Some of the changes of mineral metabolism in the lower jaw with periodontitis. Proc dentists Litov.SSR, Volume 4 1967., 149-151.
19. Sharaevsky ZN "data of spectral analysis of dental hard tissues and alveolar bone man in health and periodontitis" / / Dentistry, 1958. S. 12-14.
20. Sherepo KM, Makarenko TF "Results for the determination of metals in the tissues bordering the hip endoprosthesis system Sivash." Vestnik traumatology and orthopedics. NN Priorov, 2000., № 4 - p.43-47.
21. Yurasov VV SUMMARY "Expert possible solutions of problems of identification based on elemental composition of bone tissue (experimental research), 2006. Number of p..: 279.
Ключевые слова: Костная ткань, нижняя челюсть, секционный материал, растровый электронный микроскоп, энергодисперсионный рентгеноспектральный анализ.
Keywords: bone tissue, mandible, autopsy material, scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray spectral analysis.
Статья представлена Ответственным секретарем Редакционного совета Вестника МГСУ -д.т.н., профессором, академиком РАЕНА.Д. Потаповым
