CC BY
16
В.В. Казбанов1, А.А. Гайдаш1, В.К. Крутько2, О.Н. Мусская2, А.И. Кулак2, К. В. Скроцкая3 СТРУКТУРНЫЕ ПЕРЕХОДЫ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКЕ ГИДРОКСИАПАТИТА И МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МЕЖКЛЕТОЧНОГО МАТРИКСА ПРИ ТУБЕРКУЛЕЗНОМ
ОСТИТЕ
Государственное учреждение «Республиканский научно-практический цент детской хирургии», Минск, Беларусь; 2Государственное научное учреждение «Институт общей и неорганической химии Национальной академии наук Беларуси», Минск, Беларусь;3 Учреждение Белорусского государственного университета «Научно-исследовательский институт физико-химических проблем», Минск, Беларусь
Введение. Одним из ранних проявлений развивающегося туберкулезного остита является остео-поротическая трансформация, которая осложняется казеозным распадом и секвестрированием костного матрикса. Остеопороз в такой ситуации - это триггер, создающий структурные и физико-химические предпосылки, реализующие остеолиз и восстановительный остеогенез. Содержание и синхронность преобразований во многом не определены, но очевидно, что они континуальны, многомерны и чем ниже размерный уровень организации костного матрикса, тем более одномоментны и сбалансированы.
Цель работы - изучить микроструктуру и физико-химические свойства костного матрикса в условиях смоделированного туберкулёзного остита.
Материал и методы исследования. Эксперименты выполнены на половозрелых самцах кроликов породы Шиншилла. Контрольная группа (1-я) состояла из здоровых кроликов. У кроликов опытных групп моделировали туберкулезный остит путем введения культуры в метаэпифиз бедренной кости. После формирования первичного очага (его наличие верифицировали рентгенологически) производили некрэктомию и наблюдали в течение 1 месяца. Во 2-й группе специфического лечения не проводили. Затем из прилежащей к первичному очагу области вырезали образцы костной ткани. Фазовый состав неорганической фракции костного матрикса определяли методом рентгендиф-рактометрии (РФА) на дифрактометре ADVANCE D8 (Bruker, Германия) при Cu&=1,5405 Â. ИК- спектроскопию (ИКС) проводили на ИК-Фурье спектрометре Tenzor-27 (Bruker, Германия) в диапазоне 400-4000 см-1
с разрешением 0,01 см-1.
Сканирующую электронную микроскопию (СЭМ) выполнили на аппарате LEO 1420 совмещенного с приставкой элементного анализа Rontec (Германия).
Результаты исследования. В ИК-спектрах костных образцов 2-й группы укорочены симметричные колебания PO43- в интервалах 520-562, 955-962 см-1 и одновременно уширены полосы при 1020-1080 см-1. Проявляется пик в интервале 870-875 см-1 и значительно увеличивается интенсивность полосы при 1412 см-1. Все это свидетельствует о накоплении CO3 центров в анионной подрешетке гидроксиапатита (ГА) и подтверждается данным РФА о присутствии карбонатгидрок-сиапатита [к-ГА, Са10(РО4)3(СО3)3(ОН)2] с размерами кристаллитов в пределах 10 нм. Отметим, что CO32-
замещения оказывают деформирующее воздействие на структуру ГА. Это обусловлено высокой степенью структурного несоответствия плоских треугольной формы CO32- анионов, замещающих фосфат - ионы РО43-, имеющих форму тетраэдров. В результате в замещенных участках структуры ГА создается напряжение, в решетке тетраэдрического фосфат-иона появляются искажения и минерал становится менее устойчивым. Под влиянием карбонатов уменьшается концентрация гидроксильных групп, колебательные движения атомов в связи P-O разупорядочиваются, что дезорганизует параллельную укладку кристаллитов и замедляется эпитаксиальный рост кристаллитов. Последнее объясняет появление признаков остеопороза на рентгенограммах. В итоге повышается химическая активность и растворимость кристаллитов ГА. Не менее важны и другие трансформации в апатитовой фазе костного матрикса. Прежде всего, увеличивается интенсивность полосы в интервале 3440-3520 см-1, относимой к валентным колебаниям адсорбированной воды, находящейся внутри кристаллической решетки. Рост пика 3560 см-1 свидетельствует о сближении атомов кальция к атомам кислорода и появлении в структуре ГА колебаний связей известкового типа Ca-OH. Механизмы данных структурных девиаций не ясны. Но, очевидно, что туберкулезные микобактерии оказывают как бы «гасящее» действие на потенциально известковые центры ГА, формирование которых сопровождается экзотермической реакцией и придает кристаллитам вяжущие свойства. По данным РФА в матриксе присутствует в виде отдельной фазы и аморфизирован-ный гидроксиапатит ^Г^ Са9,868(рО4)5,586(ОН)4,006]. По данным РФА объем к-ГА не превышает 30% от объема апатитовой фазы матрикса, остальное (~70%) приходится на н-ГА. В связи с этим отметим, что по данным СЭМ-морфометрии, отношение объемов регенерирующей к плотной фракции костного матрик-са варьирует в близких вышеуказанным пропорциях. Такое совпадение не случайно и позволяет предположить, что кислый к-ГА сосредоточен преимущественно в очагах регенерации, а более щелочной н-ГА накапливается в плотных участках костного матрикса. О защелачивании плотных участков свидетельствуют, в том числе, локальное осаждение кальция, где отношение Ca/P достигает 3,06 (в зоне регенерации 2,71), а также удлинение кристаллитов ГА до 13,5 нм.
Научные стремления. Выпуск 22
Электронно-микроскопически плотный матрикс выглядит как растрескивающийся на микрометровом уровне бесструктурный интерстициальный флюид с множественными микрокавернами. Плотный матрикс утолщает кортикальные пластинки и, разрастаясь в спонгиозную часть, деформирует структуру кольцевидных остеонов. Сглаживает спайности или наоборот за счет хаотичных матриксных напластований увеличивает шероховатость поверхности интерстициальных остеонов. Остеоны со сглаженной спайностью принимают вид гиперминерализованных «стеклоподобных» мембран с облитерированными нанопорами. При этом микропоры гаверсовых пластинок расширяются, что в связи с блокадой матриксных нанопор направлено на компенсацию рисков ухудшения трансмембранного массообмена. Границы трабекул фестончаты за счет множественных микроэрозий, но при этом в зоне эрозий костных макрофагов не найдено. Это значит, что эрозируются поверхности трабекул не путем остеокла-стического лизиса, что имеет место при образовании лакун Хоушипа. Многие эрозии имеют «тромбиро-ванный» вид: заполнены сегрегированными частицами матриксного детрита. Таким же, но набухшим детритом заполнены и внутренние каверны, многие из которых посредством микротрещин и соустий сообщаются между собой и с костномозговой полостью. Вышеперечисленные деформационные структуры свидетельствуют о том, что в морфогенезе деструкции плотной части костного матрикса ведущее значение
имеют не только и не столько «остеокластические», сколько механохимические конфликты, обусловленные щелочным разрушением известкующегося гидроксиа-патита и сопровождающиеся хрупким распадом ма-трикса на пропитанные водой, липкие и пересыщенные кальцием фрагменты с развитой поверхностью, что объясняет хорошо известный лучевой феномен «склерозированного» секвестра костной ткани. Тренд подобных преобразований понятен - это адсорбция и уничтожение бактериальных частиц в щелочных «реакторах» секвестрируемых матриксных фрагментов. По данным СЭМ в очагах регенерации регистрируется гиперплазия матриксных пузырьков, накапливаются остеобласты с характерной отростчатой структурой и формируются полиморфные костные пластинки. Процессы остеогенеза разбалансированы и указывают на хаотичное разрастание костных пластинок и трабе-кул. Пластинки пересыщены кальцием, растут в свободный объем в виде остроконечных шипов, многие из которых проникают в межтрабекулярное пространство и в просвет зарождающихся гаверсовых каналов.
Заключение. Структурные переходы в кристаллической решетке гидроксиапатита, обусловленные его ощелачиванием и формированием известковых центров, способствуют фиксации микобактерий и удалению их вместе с частицами костного детрита. Это создает предпосылки для самозалечивания и делает актуальной проблему разработки особой тактики лечения малых форм туберкулезных оститов.
