CC BY
60
УДК: 616.72-002-06-007.248-07 Код специальности ВАК: 14.01.22; 14.01.04
ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЙ СУБХОНДРАЛЬНОЙ КОСТИ ПРИ ОСТЕОАРТРИТЕ
М.А. Кабалык
ФГБОУ ВО «Тихоокеанский государственный медицинский университет», г. Владивосток
Дата поступления 01.08.2017
Кабалык Максим Александрович - e-mail: [email protected]
В статье изучаются закономерности морфологических изменений субхондральной кости (СХК) с использованием инструментов морфометрии и текстурного анализа с тем, чтобы научно обосновать подходы к оценке патоморфологических изменений при остеоартрите (ОА). Были обследованы 29 пациентов с гонартрозом, подвергшихся тотальному эндопротезированию коленного сустава. Проведённый анализ резецированных тканей коленного сустава позволил установить, что по мере прогрессирования остеоартроза происходит утолщение костных балок и истончение костной пластинки СХК, замещение костной ткани остеоподобным матриксом. Текстурно-морфологические сопоставления показали, что наилучшими свойствами отражать гистологическую картину обладают фрактальный размер и лакунарность. Данные характеристики позволяют изучать хаотические и самоподобные текстуры и применимы в случаях изучения неевклидовых фигур. Показатель неоднородности текстуры - энтропия - значимо коррелировал с TL, и, наоборот, показатель упорядоченности изображения - второй угловой момент - показал обратную связь с TL. При ОА наблюдается увеличение упорядоченности текстуры изображений СХК по мере прогрессирования ОА.
Ключевые слова: остеоартроз, остеоартрит, субхондральная кость,
текстурный анализ, фрактал.
In the article, the regularities of the morphological changes in the subchondral bone (CHK) are studied using the tools of morphometry and texture analysis in order to scientifically substantiate approaches to the evaluation of pathomorphological changes in osteoarthritis (OA). A total of 29 patients with OA of knee who underwent total knee arthroplasty were examined. The analysis of the resected tissues of the knee joint made it possible to establish that as the osteoarthrosis progresses, the bone beams thicken and thinten the bone plate of CHK, and replace the bone tissue with an osteo-like matrix. Texture-morphological comparisons have shown that fractal size and lacunarity have the best properties to reflect the histological picture. These characteristics allow studying chaotic and self-similar textures and are applicable in cases of studying non-Euclidean figures. The texture heterogeneity index - entropy significantly correlated with the TL, and vice versa the order of the image - the second angular momentum showed a feedback with the TL. With OA, there is an increase in the orderliness of the texture of CHK images as OA progresses.
Key words: osteoarthritis, osteoarthritis, subchondral bone, texture analysis, fractal.
Введение
Остеоартрит (ОА) является одной из актуальных проблем терапии, ревматологии, травматологии-ортопедии. Исследования последних лет позволили идентифицировать суб-хондральную кость (СХК) в качестве ключевой области с позиций патоморфологии и патофизиологии ОА. Получены убедительные доказательства, что наиболее ранние изменения при ОА происходят в СХК. Они характеризуются отёком костного мозга [1], появлением кист [2], изменениями трабекулярной структуры СХК [3, 4].
Существующие методы гистологической оценки тканей суставов при ОА это главным образом патологические процессы в суставном хряще. H.J. Mankin и соавт. (1971) разработана унифицированная шкала оценки патоморфологических изменений при ОА, которая включает анализ целостности хряща, базофильной линии, морфологии хондроци-тов, наличие или отсутствие фиброзной ткани в костном мозге, степень воспаления синовиальной оболочки [5]. Для гистологической оценки ОА широко используется шкала OARSI, в основе которой лежит разделение суставного хряща на три зоны (поверхностная, средняя и базальная) [6]. Согласно такой градации предлагается определять деградацию хряща по уровню вовлечения той или иной зоны в патологический процесс, описывая изменения по балльной шкале.
Вместе с тем, современным исследователям нужно учитывать, что развитие ОА проявляется на тканевом уровне скле-
розом, уплотнением и повышением массы СХК [7]. Исследования показали, что такие изменения трабекулярной кости происходят на очень ранних стадиях ОА. Так, М. Ding и соавт. (2003), изучая очень ранний ОА, установили, что на дорентгенологических стадиях заболевания при нормальном состоянии хряща в СХК отмечается утолщение трабекул, уменьшение межтрабекулярных промежутков [3]. По мере дальнейшего прогрессирования ОА наблюдается двукратное увеличение объёма трабекулярной кости по сравнению с нормальной СХК [8].
Таким образом, существующие морфологические подходы касаются процессов, происходящих главным образом в суставном хряще, что не отвечает современному уровню знаний о первостепенной роли СХК в морфогенезе ОА. В действительности оценивание субхондрального ремоде-лирования представляется непростой задачей в виду сложной архитектуры, нетривиальности кости, хаотического расположения элементов. Данные обстоятельства не дают возможности описывать изменения в ней с помощью евклидовых величин. Для решения задачи морфометриче-ского анализа исследователи используют оценивание соотношений отдельных частей субхондральной кости. Так, например, оценивают соотношение толщины трабекул к межтрабекулярным пространствам [9], объемные доли губчатой кости, поверхностную плотность костной пластинки [10, 11].
МЕДИЦИНСКИЙ
АЛЬМАНАХ
Существует практическая потребность разработки методов гистологического оценивания тканей суставов, которые бы отвечали современным знаниям об изменчивости структуры СХК при ОА, учитывали сложное устройство этого отдела суставов. Перспективным в этом направлении видится применение методов неевклидовой геометрии (анализ фрактальных сигнатур, лакунарность), текстурного анализа бинарных и небинарных изображений гистологических препаратов.
Цель исследования: раскрыть закономерности морфологических изменений субхондральной кости с использованием инструментов морфометрии и текстурного анализа с тем, чтобы научно обосновать подходы к оценке патомор-фологических изменений при остеоартрите.
Материал и методы
В медицинском центре дальневосточного федерального университета было обследовано 29 пациентов с ОА коленных суставов II-IV стадий по Kellgren, подвергшихся в последующем тотальному эндопротезированию коленного сустава. Возраст больных на момент включения в исследование составил 69 [65; 71] лет. Клиническая характеристика больных представлена в таблице 1. Больные ОА II стадии имели медиану возраста 70 [69,5; 70,5] лет, III стадии - 69 [65; 71] лет, IV стадии - 64 [61; 74] года. Статистически значимых различий по возрасту в исследуемых группах не наблюдалось (H-Краскела-Уоллиса = 1,66, p=0,4). Критерии исключения: онкологические, психические, системные заболевания соединительной ткани, болезни накопления, микрокристаллические артропатии, травмы коленных суставов и/или длительная иммобилизация в период 12 месяцев до включения в исследование, переломы мыщелков бедренных и проксимального отдела большеберцовых костей, отсутствие согласия на участие в настоящем исследовании. Протокол исследования был одобрен междисциплинарным комитетом по этике Тихоокеанского государственного медицинского университета. Все пациенты подписывали информированное согласие на участие в исследовании.
Во время операции по замещению коленного сустава эндо-протезом производили забор биологических тканей в виде резецированного плато большеберцовой кости. Плато боль-шеберцовой кости препарировали таким образом, что получали костно-хрящевой спил медиальной части на уровне средней трети. Полученные таким образом ткани фиксировали и декальцинировали в растворах Myelodec согласно инструкции по применению. Материал проводили по общепринятой гистологической методике через батарею спиртов возрастающей концентрации, хлороформ и заливали в парафин. С парафиновых блоков готовили срезы толщиной 5 мкм, которые монтировали на предметные стекла с адгезивным покрытием. Окрашивали препараты гематоксилином и эозином по общепринятой методике, заключали препарат под покровное стекло. Изучение микропрепаратов производили с помощью светового микроскопа 0lumpus-2000 с фотофиксацией. Основные этапы анализа проводили на базе центральной научно-исследовательской лаборатории Тихоокеанского государственного медицинского университета.
В процессе анализа гистологической картины пользовались описательными, сравнительными и морфометрически-ми методами. Анализ проводили два исследователя по четыре микропрепарата одного и того же случая каждый.
Оценивали морфометрические характеристики: отношение толщины суставного хряща к толщине костной пластинки (CB), соотношение размеров костной пластинки и трабекулы (BT), отношение размера трабекул к поперечному размеру лакун (TL). Для изучения возможностей текстурного анализа отображения субхондральной кости выбирали области размером 100x100 пикселей (по шесть в каждом поле зрения). Оценивали текстурные параметры: фрактальный размер (D), лакунарность (X), средний показатель распределения оттенков серого (СПГ), стандартное отклонение гистограммы оттенков серого (СТГ), интенсивность максимального пика (MaxP), интенсивность минимального пика (MinP), интервал оттенков (Max-Min), интенсивность спектра Фурье (FS), второй угловой момент (ASM) по протоколу GLCM, обратный момент разностей (IDM) по протоколу GLCM, энтропия (E) по протоколу GLCM. Более подробно аналитический протокол текстурного анализа описан нами в других публикациях [Кабалык М.А. Особенности ремоделирования субхондральной кости при остеоартрозе с коморбидностью. Вестник современной клинической медицины. 2016. Т. 9. № 4. С. 27-32. Кабалык М.А. Текстурные характеристики субхондральной кости и клинико-функциональные проявления остеоартроза коленного сустава. Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. 2016. № 5. С. 74-78].
Статистический анализ результатов проводили с помощью Statistica 6.0 (StatSoft, США). Распределение анализируемых показателей описывалось посредством медианы (Ме) [25-го; 75-го перцентилей]. Достоверность различий распределения непрерывных переменных в двух разных группах определяли, используя непараметрический z-критерий Манна-Уитни. Достоверность различий распределения непрерывных переменных в трёх и более группах определяли, используя непараметрический h-критерий Краскела-Уоллиса. Связь между непрерывными перемен-
ТАБЛИЦА 1.
Общая характеристика пациентов
Показатель
Возраст, годы, Ме [25-й; 75-й перцентили] 69 [65; 71]
Женщины, п 22
Длительность ОА, годы, Ме [25-й; 75-й перцентили] 13 [5; 20]
Рентгенологическая стадия ОА, п: II III IV 7 12 10
ТАБЛИЦА 2.
Результаты морфометрии субхондральной кости в зависимости от стадий заболевания
Показатель Стадия ОА
II III IV
CB, отн. 3,22 [2,68; 4,04] 3,61 [2,55; 4,50] 1,94 [1,49; 2,37] * #
BT, отн. 2,58 [2,33; 3,30] 1,30 [0,91; 2,24] * 1,40 [1,30; 1,65]*
TL, отн. 0,58 [0,29; 0,84] 0,39 [0,29; 0,50] 0,20 [0,08; 0,28]* #
Примечание:
* Различия статистически значимы по сравнению со II стадией;
# Различия статистически значимы по сравнению с III стадией.
ными выявляли с помощью коэффициентов ранговой корреляции Спирмена. Достоверными считали различия показателей при уровне p<0,05.
Результаты исследования
Гистологическая картина СХК представлена костной пластинкой, отделяющей костную ткань от структур костного мозга, костно-мозговыми пространствами и костными балками, отграничивающими элементы костного мозга (рис.). На второй стадии ОА морфологические изменения характеризовались уменьшением толщины костной пластинки и утолщением костных балок с сохранением элементов красного костного мозга. На третьей стадии наблюдали кистозную перестройку костной пластинки, исчезновение элементов костного мозга, значительное утолщение костных балок, обилие элементов васкулоэндотелия. Для четвёртой стадии остеоартрита была характерна резорбция костной пластинки, замещение элементов субхондральной кости грубоволокнистой соединительной тканью с обилием элементов кальцинации, распространением популяции фибробластов и васкуляризации.
С целью объективизации описательных морфологических методов была произведена морфометрия субхондральной кости. Вычисляли следующие индексы и показатели: отношение толщины суставного хряща к толщине костной пластинки (CB), соотношение размеров костной пластинки и трабекулы (BT), отношение размера трабекул к поперечному размеру лакун (TL). Результаты морфометрии показаны в таблице 2.
Морфометрические изменения в СКХ характеризовались изменением соотношения размеров костной пластинки и трабекул в пользу увеличения толщины последних. Так, у больных III и IV стадиями ОА показатель BT был статистически
ниже по отношению к группе больных, имевших II стадию заболевания (соответственно z=2,40, р=0,01; z=2,45, р=0,01). Соотношение толщин суставного хряща к субхондральной костной пластинке было статистически значимо ниже у больных IV стадией ОА по отношению к II и III стадиям (соответственно z=2,05, р=0,04; z=2,26, р=0,02). По мере прогрессирования ОА наблюдали уменьшение показателя который был значимо ниже у больных IV стадией по сравнению со II и III (соответственно z=2,15, р=0,03; z=2,10, р=0,04).
Было проведено оценочное сопоставление морфометри-ческих характеристик с результатами математического анализа гистологической текстуры субхондральной кости. Результаты морфометрических сопоставлений приведены в таблице 3.
Соотношение толщины хряща и костной пластинки не продемонстрировали достоверных корреляционных взаимоотношений с результатами текстурной морфометрии. Фрактальный размер и лакунарность показали умеренные корреляционные связи с соотношениями толщины костной пластинки и костной балки, толщин костных балок и расстояниями между ними. Стандартное отклонение гистограммы оттенков серого значимо прямо коррелировало с показателем Интенсивность пика спектра Фурье имела прямую связь с показателем ВТ. GLSM-анализ текстуры микропрепарата продемонстрировал статистически значимые корреляционные связи с результатами морфометрии. Так, второй угловой момент обратно коррелировал с показателем В то время как энтропия имела прямую корреляционную связь с этой математической величиной.
Обсуждение
Ремоделирование тканей сустава при остеоартрите происходит последовательно, затрагивая суставной хрящ и субхондральную кость. Как показали результаты морфометрии, проведённые в данном исследовании, наибольшие изменения претерпевает субхондральная кость. По мере прогрессирования остеоартроза происходит утолщение
РИС.
Субхондральная кость при остеоартрите (окраска гематоксилин-эозином). А - фрагмент микропрепарата субхондральной кости, в котором дифференцируется костная пластинка с нечёткостью границы с хрящом, наличие очагов деструкции; костные балки с элементами деструкции, костномозговые лакуны с элементами красного костного мозга (ув. х 400). Б - субхондральная кость с развитием грубоволокнистой соединительной ткани с обильной кальцинацией, замещающей костно-мозговые пространства, формирование кист с элементами деструкции, узкие полости костных лакун заполнены элементами костного мозга (ув. х 400). В - фрагмент субхондральной кости с тотальным замещением нормальной костной архитектуры кальцинированной соединительной тканью, отсутствуют костномозговые лакуны и балки, множество очагов деструкции с некротическими массами внутри (ув. х 400).
ТАБЛИЦА 3.
Результаты корреляционного анализа морфометрии и текстурного математического анализа субхондральной кости
Показатель Морфометрические показатели
CB BT TL
Фрактальный размер (D) 0,05 0,32* 0,39*
Лакунарность (!) 0,01 0,45* 0,35*
Средний показатель распределения оттенков серого (СПГ) 0,05 0,06 0,17
Ст. отклонение гистограммы оттенков серого (СТГ) 0,22 0,28 0,33*
Интенсивность максимального пика(MaxP) -0,18 0,09 0,25
Интенсивность минимального пика (MinP) -0,07 0,02 -0,11
Интервал оттенков (Max-Min) 0,01 -0,11 0,04
Интенсивность спектра Фурье(FS) 0,27 0,37* -0,15
Второй угловой момент (ASM) по протоколу GLCM -0,15 -0,17 -0,38*
Обратный момент разностей (IDM) по протоколу GLCM 0,18 -0,22 -0,18
Энтропия (E) по протоколу GLCM 0,06 -0,22 0,43*
Примечание: *статистически значимые корреляции при уровне p<0,05.
МЕДИЦИНСКИЙ
АЛЬМАНАХ
костных балок и истончение костной пластинки СХК. Эти данные согласуются с результатами S.K. Boyd и соавт. (2000), которые показали на животной модели, что при развитии раннего ОА наблюдается уменьшение структурной анизотропии СХК и отношения толщины трабекул к размеру трабекулярных полостей [9]. Данное обстоятельство подчёркивает важную роль СХК в патогенезе ОА с учётом ключевой трофической роли последней [14].
В рамках данного исследования были поведены морфологические сопоставления гистологической текстуры и морфо-метрии СКХ. Результаты морфологических сопоставлений гистологической картины субхондральной кости не показали статистически значимых корреляций между соотношением CB с математическими текстурными характеристиками. Данный результат вполне очевиден ввиду того, что CB отражает в равной степени ремоделирование суставного хряща и субхондральной кости, в то время как объектом интереса в данном исследовании была СХК. Этот отрицательный результат также подчёркивает возможность метода исключить ложноположительные результаты.
Текстурно-морфологические сопоставления показали, что наилучшими свойствами отражать гистологическую картину обладают фрактальный размер и лакунарность. Действительно, данные характеристики позволяют изучать хаотические и самоподобные текстуры и применимы в случаях изучения неевклидовых фигур. Показатель СТГ, отражающий средний уровень оттеночного интервала серого цвета, в котором находятся большинство пикселей текстуры, продемонстрировал достоверную связь с соотношением толщины трабекул и меж-трабекулярных пространств. Данная закономерность обусловлена чувствительностью маркера отражать резкие отте-ночные перепады, которые наблюдаются между трабекулами и лакунами. Показатель неоднородности текстуры - энтропия -значимо коррелировала с TL, и, наоборот, показатель упорядоченности изображения - второй угловой момент - показал обратную связь с TL. Следует отметить, что при ОА наблюдается увеличение упорядоченности текстуры изображений СХК по мере прогрессирования ОА, что обусловлено разрастанием кальцинированной соединительной ткани и исчезновением чередования лакун и трабекул.
Заключение
Таким образом, морфогенез остеоартрита характеризуется ремоделированием субхондральной кости. На тканевом уровне изменения характеризуются истончением костной пластинки, утолщением трабекул, развитием остеопо-добного матрикса, очагов некроза с усиленной васкуляри-зацией. Появление остеоподобного матрикса на месте губчатой кости сопровождается исчезновением элементов красного костного мозга.
Патоморфологическая картина СХК при ОА представляется сложной, с одновременно протекающими некротическими и пролиферативными процессами, приводящими в конечном итоге к ремоделированию тканей сустава, снижению сервисной (трофической) роли СХК относительно хрящевой пластинки.
Использование методов текстурного анализа позволяет оценить процессы, происходящие в СХК с учётом хаотичности, нетривиальности и самоподобия. Наилучшими свойствами отражать гистологическую картину обладают фрактальный анализ, GLCM-протокол.
ЛИТЕРАТУРА
1.CarrinoJ.A., BlumJ.,ParelladaJ.A.etal.MRIofbonemarrowedema-likesignal in the pathogenesis of subchondral cysts. Osteoarthritis Cartilage. 2006. Vol. 14. P. 1081-1085.
2. Felson D.T., McLaughlin S., Goggins J. et al. Bone marrow edema and its relation to progression of knee osteoarthritis. Ann. Intern. Med. 2003. Vol. 139. P. 330-336.
3. Ding M., Odgaard A., Hvid I. Changes in the three-dimensional microstructure of human tibial cancellous bone in early osteoarthritis. J. Bone Joint Surg. Br. 2003. № 85. P. 906-912.
4. Wolski M., Podsiadlo P., Stachowiak G.W., Lohmander L.S., Englund M. Differences in trabecular bone texture between knees with and without radiographic osteoarthritis detected by directional fractal signature method. Osteoarthritis Cartilage. 2010. № 18. P. 684-690.
5. Mankin H.J., Dorfman H., Lippiello L., Zarins A. Biochemical and metabolic abnormalities in articular cartilage from osteoarthritic human hips. II. Correlation of morphology with biochemical and metabolic data. J Bone Joint Surg Am. 1971. Vol. 53. № 3. P. 523-537.
6. Pritzker K.P., Gay S., Jimenez S.A., et al. Osteoarthritis cartilage histopathology: grading and staging. Osteoarthritis Cartilage. 2006. Vol. 14. № 1. P. 13-29.
7. Kamibayashi L., Wyss U.P., Cooke D.V., Zee B. Changes in mean trabecular orientation in the medial condyle of the proximal tibia in osteoarthritis. Calcif. Tissue Int. 1995. № 57. P. 69-73.
8. Steinbeck M.J., Eisenhauer P.T., Maltenfort M.G., Parvizi J., Freeman T.A. Identifying Patient-Specific Pathology in Osteoarthritis Development Based on MicroCT Analysis of Subchondral Trabecular Bone. J Arthroplasty. 2016. Vol. 31. № 1. P. 269-277.
9. Boyd S.K., Muller R., Matyas J.R., Wohl G.R., Zernicke R.F. Early morphometric and anisotropic change in periarticular cancellous bone in a model of experimental knee osteoarthritis quantified using microcomputed tomography. Clin. Biomech. 2000. № 15. P. 624-631.
10. Новочадов В.В., Гайфуллин Н.М., Фролов Д.М. Ремоделирование суставного хряща в условиях эндогенной интоксикации. Фундаментальные исследования. 2012. № 10. С. 271-275.
Novochadov V.V., Gajfullin N.M., Frolov D.M. Remodelirovanie sustavno-go hrjashha v uslovijah jendogennoj intoksikacii. Fundamental'nye issledo-vanija. 2012. № 10. S. 271-275.
11. Дубиков А.И., Кабалык М.А., Корецкая Т.Ю. Микрокристаллический стресс в патогенезе остеоартроза. Терапевтический архив. 2016. Т. 88. № 5. С. 32-36.
Dubikov A.I., Kabalyk M.A., Koreckaja T.Ju. Mikrokristallicheskij stress v patogeneze osteoartroza. Terapevticheskij arhiv. 2016. T. 88. № 5. S. 32-36.
12. Кабалык М.А. Особенности ремоделирования субхондральной кости при остеоартрозе с коморбидностью. Вестник современной клинической медицины. 2016. Т. 9. № 4. С. 27-32.
KabalykM.A.Osobennostiremodelirovanijasubhondral'nojkostipriosteo-artroze s komorbidnost'ju. Vestniksovremennoj klinicheskoj mediciny. 2016. T. 9. № 4. S. 27-32.
13. Кабалык М.А. Текстурные характеристики субхондральной кости и клинико-функциональные проявления остеоартроза коленного сустава. Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. 2016. № 5. С. 74-78.
Kabalyk M.A. Teksturnye harakteristiki subhondral'noj kosti i kliniko-funkcional'nye projavlenija osteoartroza kolennogo sustava. Sovre-mennaja nauka: aktual'nye problemy teorii i praktiki. Serija: Estestvennye i tehnicheskie nauki. 2016. № 5. S. 74-78.
14. Burghardt A.J., Pialat J.B., Kazakia G.J. et al. Multicenter precision of cortical and trabecular bone quality measures assessed by high-resolution peripheral quantitative computed tomography. J Bone Miner Res. 2013. № 28. P. 524-536. LLL
