CC BY
15
Науковий вкник Льв1вського нацюнального ушверситету ветеринарно1 медицини та бютехнологш 1мен1 С.З. Гжицького.
Сер1я: Ветеринарш науки
Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies. Series: Veterinary sciences
ISSN 2518-7554 print ISSN 2518-1327 online
doi: 10.32718/nvlvet9330 http://nvlvet.com.ua
UDC 619:615-614.9
The determination of mineral density indices of the thigh bone by densitometry data in rats, for experimental fumonizinotoxycosis
H.V. Rudyk
State Scientific-Research Control Institute of Veterinary Medicinal Products and Feed Additives, Lviv, Ukraine
Article info
Received 17.02.2019 Received in re-vised form
19.03.2019 Accepted 20.03.2019
State Scientific-Research Control Institute of Veterinary Medicinal Products and Feed Additives 11, Donetska str., Lviv, 79019, Ukraine. Tel.: +38-067-340-45-10 E-mail: galusik.77@gmail.com
Rudyk, H.V. (2019). The determination of mineral density indices of the thigh bone by densitometry data in rats, for experimental fumonizinotoxycosis. Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies. Series: Veterinary sciences, 21(93), 169178. doi: 10.32718/nvlvet9330
The article deals with the analytical methods that have allowed to provide detailed information on the material content of bones and structural organizations of both inorganic and organic bone components. The information provided in the present search may increase the knowledge of the influence of fumonisins on the structure and bone in general. On the basis of osteometric measurements, the geometry of the transverse section of the middle diaphysis is determined. They included a definition both the external and internal diameters of the transverse section of the middle of the diaphysis (both in the medial-lateral, and in the anterior-posterior area). The geometric properties are calculated: cortical cross-sectional area, average relative thickness of walls and cortical index. In addition, since during the force analysis, the bone was loaded in the anterior-posterior area, the vertical cortical index, the moment of inertia of the cross-section and the radius of rotation around the medial-lateral axis were calculated. According to the results of comprehensive studies, we found that the intoxication of animals with fumonisin did not affect the body weight and the weight of the femoral bones, although in the fumonisin-induced doses of rats there was a decrease in the mechanical and geometric properties of the bones. The values of mineral density of bone tissue did not differ between groups, but in the experimental group of animals that were fumonisin intoxicated, the mineral content of bone and the percentage of bone ash were lower than in the control group. A detailed mineral analysis of bones showed that the content oof Ca, Cu, Fe, Mn, Sr and Zn in bones was significantly decreased in fumonisin intoxicated rats compared to the control group of animals. In addition, changes in the structure of the bone and mineral phase (reduction in the size of bone hydroxyapatite crystals) were noted. Seventy percent of the bones consist of inorganic mineral hydroxyapatite, which includes calcium phosphate, calcium carbonate, calcium fluoride, calcium hydroxide and citrate. This inorganic component is preferably crystalline, although it may be in amorphous forms. Replacement mechanisms occurring in bone hydroxyapatite include intercrystalline exchange and recrystallization due to the dissolution and reforming of crystals with the addition of new ions to the crystalline structure, which replace the Ca 2+ or adsorbed on the surface of the crystals. The mechanisms of replacement that was marked by changes in the group of animals from intoxicated with fumonisin, changes were noted in the structure of the bone and mineral phase, there was a decrease in the size of bone hydroxyapatite crystals.
Key words: mineral density of thigh bone, densitometry, rats of vistar line, thigh bone, fumonisine.
BH3HaHeHHH noKa3HHKie MiHepa^bHOi ^i^bHOCTi CTerHOBOi KicTKH 3a gaHHMH geHCHTOMeTpii y ^ypie, 3a eKcnepHMeHTa^bHoro $yMOHi3HHOTOKCHKO3y
Г.В. Рудик
Державний науково-до^дний контрольний шститут ветеринарних npenapamie та кормових добавок, м. Льв1в, Украгна
У статтi використат аналШичт методи, ят дозволили надати детальну тформащю про матерiальний склад метки та структурт оргатзацИ як неоргатчних, так i оргатчних компонентiв метки. 1нформащя, отримана в представленому доел> джент, може розширити знання про вплив фумотзитв на структуру мстки. На основi остеометричних вимiрювань визначена геометрiя поперечного перерiзу середнього дiафiза. Вони включали визначення як зовтшнього, так i внутршнього дiаметрiв поперечного перерiзу середини дiафiза (як в медiально-латеральнiй, так i в передньо-заднш площит). Розраховат геометричт власти-востi: кортикальна площа поперечного перерiзу, середня вiдносна товщина стток i кортикальний тдекс. Крм того, осктьки тд час силового аналiзу мстка була навантажена в передньо-заднш площит, розраховано вертикальний кортикальний тдекс, момент терцп поперечного перерiзу i радiус обертання навколо медiально-латерально'^ оЫ. За результатами комплексных досл> джень нами встановлено, що ттоксикащя тварин фумотзином не впливала на вагу тта i вагу стегнових мсток, хоча в ттокси-кованих фумотзином щурiв спостеркалося зниження мехатчних та геометричних властивостей тсток. Значення мтеральног щiльностi тстковог тканини не вiдрiзнялися мiж групами, але у до^днш групi тварин, ттоксикованих фумотзином мтеральний вмкт мстки i вiдсоток мстковог золи були нижчими тж у контрольны групi. Детальний мтеральний аналiз тсток показав, що вмкт у тстках Са, Си, Вг, Мп, 8г та 2п значно зменшувався у щурiв, ттоксикованих фумотзином, у порiвняннi iз контрольною групою тварин. Також були вiдмiченi змти у структурi тстково-мтеральног фази (зменшення розмiру нанокристалiв гiдроксиа-патиту тстки). Сшдесят вiдсоткiв тстки складаються з неоргатчного мтерального гiдроксиапатиту. Цей неоргатчний компонент е переважно кристалiчним, хоча може бути в аморфних формах. Мехатзми замщення, що вiдбуваються в гiдроксиапатитi тстки, включають мiжкристалiчний обмт i рекристалiзацiю вна^док розчинення i риформтгу нанокристалiв з додаванням нових ютв до кристалiчно'г структури, що замтюють Са2+ або адсорбуються на поверхт нанокристалiв.
Ключовi слова: мтеральна щтьтсть стегновог мстки, денситометрiя, щури лтг вктар, стегнова тстка, фумотзини.
Вступ
Фумошзини токсичш метаболии rp^iB роду Fusarium proliferatum та Fusarium verticillioides, яш були знайдеш не пльки в зернових культурах (вклю-чаючи кукурудзу) чи продуктах рослинництва, а й у гранульованих кормах, що може вказувати на те, що вони е стшкими до процесу гранулювання. Серед низки рiзних груп фумошзишв (FB) (А, В, С i Р) вщо-Mi чотири мжотоксини фумошзишв (FB): В1, В2, В3 i В4, однак тшьки FB В1 i В2 е токсично небезпечними i через це, а також через значну !хню чисельшсть (Segvic & Pepeljnjak, 2001; Kotsyumbas et al., 2016) е надзвичайно важливими. Хоча FB В1 структурно вщлзняеться ввд FB В2 за шлькютю i положениям пдроксильних груп, обидва е шпбггорами синтезу сфшголшщв. Тому FB беруть участь у регуляцп росту клиин, диференшаци i навиъ трансформацп раку (Ross et al., 1992). £ багато вщомостей з рiзних кран Африки, Швшчно! та Швденно! Америки, Азп та £вропи щодо рiвня FB B1 або FB B2 у зернових культурах, який становить вщ 0,02 до 25,9 мг/кг i вщ 0,05 до 11,3 мг/кг ввдповвдно (Placinta et al., 1999) та щодо !х впливу на оргашзм тварин.
£ даш, що найб№ш вразливi до впливу FB - кош та свиш, у яких зафжсовано клшчну проблему (лей-коенцефаломаляцш коней; набряк легень свиней) (EFSA, 2018). Також е ттературт даш про ураже-шсть печшки та нирок за впливу FB, що спостерта-еться у коней, свиней, овець, гризушв та шиш (Riley & Voss, 2006; Antonissen et al., 2015). Вважаеться, що птахи досить стшш до шкодливого впливу FB. Що стосуеться парнокопитних тварин, то вплив FB на оргашзм неоднозначний. Бюдоступшсть i токсичшсть FB у жуйних тварин е слабшою порiвияно iз моногас-тричними тваринами. Це означае, що токсичш дози FB або клшчш ознаки токсичносп варiюються мгж рiзними видами i залежать вiд шляхiв введення, а також ввд стап або вiку (Ledoux et al., 1992). Досль дження, проведенi на самцях та самках щурiв, показали, що споживання !ж1, яка мютила в собi FB B1 в межах 1, 9, 27 або 81 мг/кг/добу протягом 13 тижшв
не призводило до змш у Maci тiла мгж контрольними та iнтокcиковaними тваринами. Проте спостер^алася ниркова токcичнicть, яка виникала шсля введення FB B1 у дозi 27 мг/кг м.т./добу (Voss et al., 1995). Бiльш того, у щурiв, як1 отримували в рацюн корми, що мicтили FB B1 в межах 15, 50 i 150 мг/кг протягом 4 тижшв, виявляли гепатотоксичшсть в обох статей. В шших дослвдженнях був встановлений токсичний вплив FB B1 за 0,7, 3,5, 6,8, 15 i 25 мг/кг маси тша щурiв протягом 21 дня (Gelderblom et al., 1996).
£ даш, що дисфункщя печшки та нирок призво-дить до порушень з боку кютково! тканини. Утворен-ня та рют к1сток контролювався складною групою процеав зворотного зв'язку, як1 залежать вщ багатьох бiологiчних та еколопчних фaкторiв, таких як вплив токсиканлв, зокрема фумонiзинiв (Hodgson et al., 2008; Álvarez-Lloret et al., 2009; Rodríguez-Estival et al., 2013). Польськими доcлiдникaми проведенi токси-кологiчнi дослвдження, котрi показали, що кicтковa тканина дуже чутлива до багатьох видiв токсичних речовин, таких як важы метали (Кaдмiй, Свинець) або мжотоксини (Дезокcинiвaленол), як1 впливають на склад, мiнерaлiзaцiю i мехaнiчну мiцнicть исток (Tomaszewska et al., 2016; 2017; 2018). У наших попе-редшх доcлiдженнях описаний факт порушення гоме-остазу к1сток, за впливу FB на оргашзм щурiв.
Ввдповвдно - метою нашо! роботи стало дослвдити геометричнi влacтивоcтi стегново! к1стки щурiв при екcпериментaльнiй штоксикацп фумонiзинaми. Дос-лiджувaнi характеристики включали вимiрювaння кютково! денситометрй' та остеометричних парамет-рiв, aнaлiз вмicту мiкроелементiв, комплексний aнaлiз мехaнiчних характеристик кicткового поперечного перерiзу середнього дiaфiзa, оцiнку криcтaлiчноcтi мшерально! фази.
Матерiал i методи дослвджень
Вci екcпериментaльнi процедури були затверджеш Комiтетом мюцево! бiоетики в Державному науково-доcлiдному контрольному iнcтитутi (ДНДК1) ветери-нарних препaрaтiв та кормових добавок та виконаш
вщповщно до Директивы 2010/63/GC £вропейського Парламенту та Ради щодо захисту тварин, яю викори-стовуються для наукових цшей. Дослвдження проводили в умовах в1варш ДНДК1 ветеринарних препара-пв та кормових добавок.
Для дослвдження було вщбраио 40 щур1в-самц1в (5-тижневого в1ку) лшп В1стар. Шсля шдиввдуального зважування тварин помщали окремо в пол1пропше-нов1 клтки (розм1ри 380 х 200 х 590 мм) i залишали для амматизацп до нових лабораторних умов на тиждень. Щу^в утримували в примiщеннi за темпе-ратури 21 ± 3 °С та вологостi 55 ± 5%. Тварини мали вiльний доступ до води протягом 12 год/12 год циклу день/шч. Пiсля перюду актматизацп тварини були випадковим шляхом розподшеш у двi групи: не шток-сиковану фумонiзинами контрольну групу (група К; n = 20) та штоксиковану фумонiзинами групу (група FB; n = 20). Щурi обох груп споживали збалансований корм для гризушв, з метою забезпечення вшх харчо-вих потреб тварин, зазначених у директивi AIN-93M (Reeves et al., 1993). Цей корм також було попередньо дослвджено на вмют FB.
Фумонiзинотоксикоз був викликаний щоденним введенням сумарного фумонiзину (FB B1 + FB B2) внутршньошлунково в дозi 90 мг/кг маси тша на кожну тварину в груш FB протягом 21 доби. Осшльки немае даних лгтератури i летальна доза DL50 FB для щурiв неведома (McKean et al., 2006), нами в поперед-шх досл1дженнях були встановленi дози DL50 (900 мг/кг маси тша). Виходячи з наших попереднiх результата, введена доза FB B1+ FB B2 (75% i 25% ввдповвдно, шдтверджена методом HPLC-MC, рiвна 1/10 встановленого значения DL50, була достатньою для отримаиия клiнiчних ознак у вшх iнтоксикованих тварин у цьому дослiдженнi. На 21-у добу експериме-нту усiх щурiв зважували, по 6 голiв з кожио! групи за допомогою шгаляцп СО2 тддавалися евтаназп.
Для досл1джень вирiзали, ввдбирали та зважували обидвi стегновi юстки, як1 були розсiченi, ввдпрепаро-ваш i пiсля iндивiдуальних вимiрюваиь ваги i довжи-ни кiстки були загорнуп в марлю, попередньо замо-чену в iзотонiчному розчинi натрш хлориду, та замо-роженi при мшус 25 °C для подальших дослвджень.
У подальших аналiзах праву стегнову юстку поддавали випробуванням на мiцнiсть, а к1стки, зiбранi з лiвого боку щурiв, були призначеш для геометричних вимiрюваиь i денситометричних дослвджень. Тест на вигин исток середнього дiафiза у 3-точковому вимiрi виконували на унiверсальнiй випробувальнш машинi Zwick Z010 (Zwick GmbH & Company KG, Ulm, Шме-ччина), оснащенiй вимiрювальною голiвкою дiапазо-ну дп 10 кН i з'еднаиих з комп'ютером TestXpert II 3.1 програмне забезпечення (Zwick GmbH & Company KG, Ulm, Шмеччина). До аналiзу к1стка була розмь щена горизонтально на двох округлих опорах. Ввдс-тань м1ж опорами L встановлювали в кожному випад-ку на 40% вiд загально! довжини к1стки. Наваитажен-ня застосовувалося в передньо-заднш (A-P) площинi кiстки зi швидк1стю перемiщення 10 мм/хв до перелому (рис. 1). З отриманих наборiв кривих були ви-
значенi такi структурнi ознаки юстково! тканини: вих1дне наваитажения Fel, як максимальна сила при еластичнш (оборотнш) деформацil к1стки; еластична деформацiя xej, як деформацiя к1стки на меж1 текучос-тi; граиичне навантаження Fm, як сила, що викликае перелом шстки; деформа^ в точцi руйнування Xm; жорстк1сть S, як нахил початково! еластично! частини криво! навантаження (змщення), що в1дображае стiй-шсть к1стки до деформацil; еластична енерпя Wei, як енерпя, що проявляеться шсткою i працюе до перелому, Wmax, як загальна робота, виконана для розлому к1стки. Вш властивостi визначали за допомогою про-грамного забезпечення Origin 2016 (OriginLab, Northampton, MA).
Розрахунок i визначення геометричних властиво-стей юстки. Для розрахунку поперечних перерiзiв к1стки вимiрювали горизонтальнi (M-L площини) зовнiшнi H i внутрiшнi h, а також вертикалью (пло-щину A-P) зовшшш B i внутрiшнi дiаметри b поперечного перерiзу середини дiафiза. На пiдставi цих ви-мiрювань були розрахованi так1 геометричнi власти-востi: середия вiдносна товщина стшок (MRWT), площа поперечного перерiзу кортикально! зони А i кортикальний шдекс CI (Ferretti et al., 2003). Осшльки тд час анал1зу мщносл к1стка завантажувалася в площину А-Р, розраховувався другий (поперечний) момент шерцп Ix i радiус обертаиня Rg, середньо-латерально! (M-L) осi. Другий момент iнерцil Ix не е прямою геометричною ознакою к1стки, але е критичною властивiстю з точки зору оцшки жорсткостi при вигиш шстки. BiH задаеться таким р1внянням:
Аналопчно - радiус обертаиня R g обчислювали так:
Rg вiдображае теоретичну вщстань, на якiй повинна бути розташована вся площа дiлянки, зосереджена в кiльцi цiеl вiдстанi вщ осi, щоб дати значения Ix, що дорiвнюе дiйснiй Ix юстки поруч iз заданою вiссю. Також визначали товщину вертикально! стiнки WTv i вертикальний кортикальний iндекс CIv.
На пiдставi вимiряних геометричних (Ix, B, L) та структурних ознак (Fel, Fmax, xel, xm, S) розраховано властивостi матерiалу середнього дiафiзарного фрагмента к1стки. Цi ознаки характеризують специфiчнi мехаиiчнi властивостi кортикально! тканини середнього вала i не залежать в1д розмiру юстки та умов, за яких проводилися випробуваиия на мiцнiсть. Модуль Юнга пружносп Е иредставляе onip вигииу юстки:
f-s'l3
Е-ЖТ,
Згинальний момент М може бути визначеним як навантаження з урахуваниям вiдстаиi опори L та до довжини довжини юстки. Це вказуе на властивють пружного наваитажения кiстки i розраховуеться за рiвнянням:
M =
Fei - L 4
Вихвд деформацп ey i гранично! деформаци sf ха-рактеризують вiдносну деформацш. Значення ey вка-зуе на максимальну деформацiю истки, здатно! ви-тримувати оборотну деформацiю, тодi як инцева деформацiя sf окреслюе значення при переломi (Ferretti et al., 2003). Вони можуть бути розраховаш iз сшввццюшення:
де: x дор1внюе xel i xm - вихвд i инцева деформащя, ввдповвдно. Пружне напруження cy i граничне напру-
ження Of були розраховаш за формулою:
F ■ В ■ L
де: F дорiвнюe Fel i Fmax для пружно! i инцево! на-пруги вiдповiдно. Пружне напруження cy ввдображае пружну мiцнiсть кортикально! к1стки, граничне напруження cf дорiвнюe максимальнш напрузi, яку кустка може витримати при вигинi перед переломом.
1 r e » в li 'II! Zvwck/fîc
Рис. 1. Тест на визначення мехашчних, структурних та матерiальних властивостей исток на 0CH0Bi 3-точкового випробування на згин, виконаного на уншерсальнш випробувальнiй машинi Zwick Z010 (Zwick-Roell GmbH & Company KG, Ulm, Шмеччина)
Вимгрювання мшерально! щшьностг. Вимiрювання мiнеральноï щiльностi к1стково1 тканини (BMD) i вмiсту к1сткового мiнералу (BMC) проводили як для всiеï истки (загально), так i окремо для проксималь-них (BMp i BMCp вiдповiдно), дистальних (BMDd i BMCd, вiдповiдно) i дiафiзарних (BMDm i BMCm, ввд-повiдно) частин, що охоплювали фрагмент к1стки i пвддавалися силовим випробуванням. К1стки сканува-
ли, використовуючи при цьому подвiину енерпю поглинання рентгенiвських променiв Norland XR 43 (DEXA) з допомогою системи (Norland, Fort Atkinson, WI). Аналiз сканованих даних проводили з викорис-танням визначених i окреслених оператором областей. Ва вимiрювання проводилися одним i тим же оператором (рис. 2).
nil! lull
■nni inn
F US law punkty flOrnej w*toia R cfa
I
Phc. 2. BHMipMBaHHH MrnepanbHOi ^inbHOCTi kIctkoboi TKaHHHH (BMD) i BMicTy KicTKOBoro MiHepany (BMC) MeTogoM geHCHTOMeTpii, npoBogunu aK gna Bciei kIctkh (3aranbHo), TaK i OKpeMO gna npoKCHManbHHx (BMp i BMCp BignoBigHo) i gHCTanbHHx (BMDd i BMCd, BignoBigHo) nacTHH
BuMipMBaHHa ^inbHOCTi kIctkoboi tkrhuhh (a6o ^inbHOCTi MaTepiany) BTD, npoBogunu 3 gonoMororo renieBoro ra3OBoro niKHOMeTpa AccuPyc 1330
(Micromeritics, Inc., Norcross, GA), ocHa^eHoro 10 cm MeTaneBHM BHMipMBanbHHM nuniHgpoM. npu nbOMy BH3Hananu goB^HHy cepegHbOi gia$i3apHOi nacTHHH
(BTDm) та довжину проксимальних i дистальних (BTDp i BTDd, вiдповiдно) вiддiлiв истки. Спочатку зразки нагрiвали в печi при 105 °С протягом 24 год для видалення зв'язано! води i потiм охолоджували до имнатно!' температури у вакуумних ексикаторах. Зневоднеш маси зразк1в вимiрювали з точшстю до 0,0001 г i визначали в режимi аналiзу перед вимiрю-ванням, пiзнiше об'ем вимiрювали до 0,0001 см3 (Tomaszewska et al., 2015).
Пiсля оцiнки денситометричних властивостей истки !х мiнералiзували в муфельнш печi при 600 °С для визначення вiдсотка золи истки. Вшсоток золи визначали вшносно волого! кiстковоi маси. Вмiст Ca в кiстках визначали за допомогою iндуктивно-зв'язаноi плазмово! атомно-емiсiИноi спектрометрii' з викорис-танням спектрометра PS 950 (Leeman Labs, New Hampshire), (PN-ISO 6869, 2002). Загальний вмiст Р у зразках визначали спектрофотометрично (PN-ISO 6491, 2000) за допомогою колориметричного методу з альфа-апаратом Helios (Unicam Instruments, Cambridge, UK). Даш аналiзували за допомогою про-грамного забезпечення Statistica 12 (StatSoft, Inc., Tulsa, OK).
Результати та ix обговорення
Нами встановлено, що токсичнi дози FB не впли-вали на масу тша тварин. Протягом дослiдження сут-тевих вiдхилень мiж контрольною та дослвдними гру-пами не виявляли. До початку дослщжень контрольна та FB-штоксикована група щурiв важили 121,9 ± 2,7 г та 123,1 ± 3,7 г вiдповiдно. Контрольна група щурiв показала незначне зменшення маси тша на початку експерименту, але в инш експерименту показник маси тша становив 235,0 ± 1,7 г, тимчасом як FB-штоксикована група важила майже 219,1 ± 2,7 г (табл. 1).
Таблиця 1
Динамша змiни маси тiла контрольних i FB-iнтоксикованих щурiв
Показники Групи
контроль фумонiзин
Початкова маса тша, г 121,9 ± 2,7 123,1 ± 3,7
Маса тша наприкшщ, г 235,0 ± 1,7 219,1 ± 2,7
Загибель тварин ввдсутня вiдсутня
Як видно з даних таблиц 1, маса тша тварин FB-iнтоксикованоi' групи в кiнцi ексеперементу була ни-жчою на 6,8%, порiвняно з контрольною групою. Проте змiнювалася вага внутршшх органiв, так FB-штоксикованих щурiв маса внутрiшнiх органiв зб№-шувався порiвняно з органами контрольних щурiв (табл. 2).
Таблиця 2
Коефiцiенти маси внутршшх органiв, отриманi вiд контрольних i FB-штоксикованих щурiв (М ± m, n = 6)
Органи
Групи
контроль
фумонiзин
Печiнка 33,9 ± 0,2 39,7 ± 1,3*
Легеш 5,3 ± 0,3 9,3 ± 2,1*
Серце 4,1 ± 1,3 3,5 ± 0,1*
Нирка лгва 2,7 ± 0,1 3,3 ± 0,2*
Нирка права 2,5 ± 0,0 3,2 ± 0,3*
Селезшка 4,2 ± 0,4 5,2 ± 0,5**
Таблиця 3
Геометричш властивостi середини дiафiзарноi частини штоксикованих щурiв (М ± m, n = 6)
Примтки: *P < 0,05; ** P < 0,01; *** P < 0,001
Введення дослвдним тваринам FB не впливало на вагу стегново! истки, хоча зменшувало !! довжину порiвняно з контрольною групою. Так, довжина стегново! кiстки контрольно! i дослiдноi групи становила 32,5 ± 1,2 та 30,6 ± 0,6, вшповвдно стегновi кiстки FB-штоксикованих щурi були коротшi на 5,8%.
Значення мшерально!' щiльностi исток та щшьнос-тi истково!' тканини мiж групами не вiдрiзнялися, але у FB-штоксикованих щурiв спостерiгалося зниження вмюту кiсткового мiнералу BMC i ввдсотка кiстковоi золи. Однак пiсля шгоксикацп FB значення обох вну-тршшх дiаметрiв зросли (табл. 3).
стегново! истки, отримано! вiд контрольних i FB-
Геометричнi властивостi
Групи
контроль
фумотзин
A-P плоский зовшшнш дiаметр B, мм 2,54 ± 0,08 2,61 ± 0,09
A-P площит внутрiшнього дiаметра b, мм 1,35 ± 0,11 1,59 ± 0,06***
Зовшшнш дiаметр M-L (H), мм 3,35 ± 0,21 3,49 ± 0,21
Внутршнш дiаметр M-L (h), мм 1,83 ± 0,09 1,96 ± 0,07*
Площа поперечного перерiзу A, мм2 4,71 ± 0,23 4,69 ± 0,30
Середня вiдносна товщина стгнки MRWT, - 0,92 ± 0,11 0,76 ± 0,09*
Кортикальний iндекс CI,% 46,3 ± 7,5 41,6 ± 6,9
Вертикальний кортикальний шдекс CIV, % 46,9 ± 6,2 39,1 ± 5,6*
Момент шерцй поперечного перерiзу Ix, мм4 2,46 ± 0,62 2,63 ± 0,23
Радiус обертання Rg, мм 0,72 ± 0,06 0,75 ± 0,04
Примтки: * P < 0,05; ** P < 0,01; *** P< 0,001
Площина A-P - передньо-задня (вертикальна) площина; Площина M-L - медiально-латеральна (горизонтальна) площина.
Як результат, середня товщина стшок вертикального кортикального 1ндексу зменшувалась. Серед структурних властивостей середньо! д1аф1зарно! час-тини стегново! кустки максимальна сила пружносп за навантаження, гранична сила, пружна енерпя та робота руйнування значно знизилися у FB-штоксикованих щур1в (табл. 4), а значення вшх визна-чених ф1зичних параметр1в матер1алу, окр1м дефор-мацп, зменшилися у тварин ще! групи (табл. 5).
Таблиця 4
Структурш властивосп середньо! д1аф1зарно! частини стегново! истки, отримано! вщ контрольних i FB-штоксикованих щурiв (М ± m, n = 6)
Структурнi властивосп
Групи
контроль фумонiзин
Максимальна сила пружност! Fel, Н 73 ± 10 51±6***
Гранична сила Fmax, Н 112 ± 9 100 ± 15
Пружна енерпя Wel, мДж 9,09 ± 2,91 5,43 ± 0,94*
Робота руйнування Wmax, мДж 47,6 ± 5,3 37,2 ± 8,0*
Твердють S, Н/мм 284 ± 55 255 ± 44
Примтки: * P < 0,05; ** P < 0,01; *** P < 0,001 Таблиця 5
Властивосп матерiалу стегново! истки, отримаш вщ контрольних i FB-iнтоксикованих щурiв (М ± m, n = 6)
Властивосп матерiалу
Групи
контроль фумонiзин
Модуль Юнга пружносл, ГПа 4,92 ± 1,02 3,39 ± 0,67*
Гранична деформащя,% 5,44 ± 0,94 6,66 ± 0,96*
Згинальний момент, Н-m 0,22 ± 0,06 0,15 ± 0,02*
Напруга виходу, МПа 115 ± 32 74 ± 13*
Граничне напруга, МПа 186 ± 26 158±11*
Примтки: * P < 0,05; ** P < 0,01; *** P < 0,001
Нами проведено тест на 3-точковий згин, який показав, що истки у груш щурiв FB характеризувалися зниженою мехашчною витривалютю i бiльш "гумопо-дiбною" (нееластичною) природою. К1стки щурiв групи FB були значно менш жорсткими i схильними до пластичних деформацiй, про що свщчать результа-ти: зниження величини сили пружностi, гранично! сили та пружно! енергi!. На нашу думку, це було результатом змш геометрп кiстки, оскiльки кiстки групи щурiв FB характеризувалися зменшеною довжиною i змiненим просторовим розподiлом кортикально! шст-ково! тканини (що вщбулося внаслщок зменшення розмiрiв внутрiшнiх дiаметрiв), середньою товщиною стiнок i вертикальним кортикальним iндексом, що вказуе на бшьш медулярну порожнину к1ски. Крiм того, аналiз властивостей матерiалу показав, що в той час, як истки обох груп щурiв руйнувалися пщ одна-ковим навантаженням, к1стки з групи щурiв FB зазна-вали швидших змiн, на що вказуе значно бшыш значення шнцево! деформацп, i характеризувалися тд-вищеним ризиком перелому, як наслiдок зниження енергопоглинаючо! здатностi всiе!' к1стки (робота вщ руйнування). Знижена механiчна витривалють приз-
вела безпосередньо до змш у просторовому розподiлi маси истки, оскшьки порiг пластичностi та межа мщносп, як1 характеризують навантаження геометрп шсток, були значно нижчими у груш FB-iнтоксикованих щурiв.
Однак схильнiсть к1стки до швидко! деформаци i руйнування пiд дiею зовшшшх сил може бути також тдсилена й iншими факторами, такими як змши в мiнералiзацi!' або будовi органiчно! фази. В наших дослщженнях як кiлькiснi (мiнеральний склад шстки, вiдсоток золи), так i яшсш (мiнеральний склад) показ-ники шстково! мiнералiзацi!' за впливу FB, негативно впливали на к1стки.
Змiни у складi матерiалу к1стково! тканини тдтве-рджувалися змiнами мiнерального складу сироватки кровi. Так, концентрацiя Ca в сироватщ контрольних щурiв досягла значення 2,55 ± 0,11 ммоль/л i суттево вiдрiзнялася вiд значення FB-штоксиковано! групи (2,21 ± 0,20 ммоль/л; P < 0,05). Вмют Р у сироватщ кровi щурiв був значно нижчим у груш FB порiвняно з контрольною групою (Р < 0,001) i становив 2,08 ± 0,23 ммоль/л i 3,22 ± 0,56 ммоль/л, вiдповiдно. Тобто вмют Ca та Р в сироватщ кровi FB-iнтоксикованих щурiв був нижчим на 13,4% та 35%, вщповщно, шж у тварин контрольно! групи. Значних змш зазнавав мшеральний склад шсток. Вмют Ca, Cu, Fe, Mn, Sr та Zn у шстщ значно знижувався у FB-штоксикованих щурiв порiвняно з контрольною групою (рис. 3).
1нтоксикащя FB не впливала на вмiст Ba, Cd, Cr, Mg, Mo, P, PB i S (рис. 3). Однак сшввщношення Ca/P було зменшено. 1нтоксикащя FB призвела до зниження сироваткових концентрацiй Ca i P i зниження мiне-рального складу к1сток, що було доведено i встанов-лено як за денситометрiею, так i за допомогою анал1зу ICP-OES.
Ми прагнули дослщити, чи може iнтоксикацiя FB змшювати структуру гiдроксиапатиту в кустках. На-нокристали гiдроксиапатиту мають форму пластинок довжиною ~ 40-60 нм, шириною ~ 20-30 нм i товщиною ~ 1,5-5 нм та орiентованi паралельно осi колаге-ново! фiбрили. Нанокристали гiдроксиапатиту воло-дшть двома найважливiшими для фiзiологi! шстково! тканини властивостями: перебувають в динамiчнiй рiвновазi з бiологiчним оточенням в цим ремоделю-вання (резорбцi!7мiнералiзацi!) i виявляють високий рiвень механiчних властивостей. Нанокристалiчний г1дроксиапатит мае пiдвищену здатнють адсорбувати бiлки, необхiднi для життедiяльностi клiтин, володiе вибiрковiстю по вщношенню до функцiй клiтин, що утворюють шсткову i фiброзну тканини. Омдесят вiдсоткiв кiстки складаються з неоргашчного мiнера-льного г1дроксиапатиту, який е переважно кристалiч-ним, хоча може бути в аморфних формах. Мехашзми замщення, що в1дбуваються в гщроксиапатил к1стки, включають мiжкристалiчний обмiн i рекристалiзацiю внаслiдок розчинення i риформшгу нанокристалiв з додаванням нових юшв до кристалiчно!' структури, що замшюють Ca2+ або адсорбуються на поверхш нанокристалiв, що вiдмiчалося змiнами у груш тварин з FB.
мг/кг
311
Fe
^^»контроль ^^"фумон!зин Рис. 3. Макро- i м1кроелементи в юстковш тканиш, отримат вщ контрольних i FB-iнтоксикованих щур1в
Середнш розм1р нанокристад1в гщроксиапатиту апатитово! юстки, як в площиш a-b, так i по ос z зме-ншувався у FB-штоксикованих щур1в (рис. 4).
а-Ьплощиш вкьг
& контроль фумошзин
Рис. 4. Розмiр нанокристалiв гiдроксиапатиту в стегновш кiстцi, отриманий вiд контрольних i FB-iнтоксикованих щурiв
Як показали ХЯС аналiзи, в нашому дослiдженнi спостерiгалися вiдмiнностi в розмiрах нанокристалiв гiдроксиапатиту, так меншi нанокристали були вияв-ленi у груш FB-iнтоксикованих щурiв. Зазвичай, бь льшi кристали мають тенденцiю до зниження жорст-костi кiстки, в той час як надто малi кристали не тд-
силюють композицiйний матерiал кiстки. Це спосте-рiгалося в нашому дослщженш, оскiльки група FB характеризувалася зниженою механiчною витривалю-тю кiсток, проте жорсткiсть була одшею з небагатьох визначених механiчних параметрiв, як були однако-вими в обох групах. Рiзниця в розмiрi кристалiтiв гiдроксиапатиту може бути ефектом юнного вклю-чення в кристалiчну фазу кiстки, оскiльки ряд бiвале-нтних катiонiв, як Fe, Мп, Mg i Sr, можуть замшити iони кальцiю в кристалiчних структурах гщроксиапа-титу. Однак це можна тшьки припустити, оскiльки бiльшiсть елемешив може бути розташована як в кют-ково-мiнеральнiй, так i в оргашчнш фазах, що унемо-жливлюе вiднесення !х до конкретного компонента юстки.
Нами встановлено, що одним з наслщюв дп FB е порушення мiнерального гомеостазу, включаючи Кальцш i Фосфор. У нашому дослщженш виявлено негативний впливав FB на гомеостаз Са i Р, що було доведено зниженням iх концентрацп у сироватцi та зниженням вмюту Са у кiстках. Крiм того, аналiз 1СР-OES виявив порушення гомеостазу шших iонiв, тiсно пов'язаних iз метаболiзмом кiсток (Си, Fe, Мп, Zn) у групi FB. Сдиний мiкроелемент, вмiст якого збшьшу-вався в групi FB, був Sr, вiн може замiнити деяю iони
Са в шстщ, але ця замша не шдвищуе структурно! i матер1ально! мщносп кiсток.
Висновки
За результатами проведено! роботи встановлено, що значення мшерально! щiльностi кiсток i мшерально!' щiльностi шстково! тканини не вiдрiзнялися мiж групами тварин, але у груш FB-штоксикованих щурiв мiнеральний вмют стегново! шстки i вiдсоток шстково! золи були нижчими, шж у тварин контрольно! групи. Детальний мiнеральний аналiз кусток показав, що вмют у шстках Ca, Cu, Fe, Mn, Sr та Zn значно зменшувався у щурiв штоксикованих фумонiзином порiвняно з показниками контрольно! групи. Також були виявлеш змши у структурi кiстково-мiнерально! фази, вщбувалося зменшення розмiру нанокристалiв гiдроксиапатиту шстки.
Перспективи полягають у подальшому вивченш впливу фумонiзинiв на к1сткову тканину новонаро-дженого потомства щурiв, матерi котрих пiд час вап-тносп були iнтоксикованi фумонiзинами.
References
Álvarez-Lloret, P., Lind, P.M., Nyberg, I., Orberg, J., & Rodríguez-Navarro, A.B. (2009). Effects of 3,3',4,4',5-pentachlorobiphenyl (PCB126) on vertebral bone mineralization and on thyroxin and vitamin D levels in Sprague-Dawley rats. Toxicol. Lett., 187(2), 63-68. doi: 10.1016/j.toxlet.2009.01.030. Antonissen, G., Croubels, S., Pasmans, F., Ducatelle, R., Eeckhaut, V., Devreese, M., Verlinden, M., Haesebrouck, F., Eeckhout, M., De Saeger, S., Ant-linger, B., Novak, B., Martel, A., & Van Immerseel, F. (2015). Fumonisins affect the intestinal microbial ho-meostasis in broiler chickens, predisposing to necrotic enteritis. Vet. Res., 46, 98. doi: 10.1186/s13567-015-0234-8.
EC (European Commission), (2006). Commission Recommendation No 576/2006 of 17 August 2006 on the presence of deoxynivalenol, zearalenone, ochratoxin A, T-2 and HT-2 and fumonisins in products intended for animal feeding. Off. J. Eur. Union, L229: 7. EC (European Commission), (2016). Commission Recommendation No 2016/1219 of 29 July 2016 amending Recommendation 2006/576/EC as regards deox-ynivalenol, zearalenone and ochratoxin A in pet food. Off. J. Eur. Union, L208: 59.FDA (Food and Drug Administration), (2001). Guidance for Industry: Fumonisin levels in human foods and animal feeds. Federal Register, 66(208), 56688-56689. Ferretti, J.L., Cointry, G.R., Capozza, R.F., & Frost, H.M. (2003). Bone mass, bone strength, muscle-bone interactions, osteopenias and osteoporoses. Mech. Ageing Dev., 124(3), 269-279. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pubmed/12663124. Gelderblom, W.C.A., Snyman, S.D., Lebepe-Mazur, S., Smuts, C.M., Van Der Westhuizen, L., Marasas, W.F.O., Victor, T.C., Knasmueller, S., & Huber, W.
(1996). Hepatotoxicity and carcinogenicity of the fumonisins in rats. Adv. Exp. Med. Biol., 392, 279296. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-1-4899-1379-1_24.
Hodgson, S., Thomas, L., Fattore, E., Lind, P.M., Alfven, T., Hellstrom, L., Hakansson, H., Carubelli, G., Fan-elli, R., & Jarup, L. (2008). Bone mineral density changes in relation to environmental PCB exposure. Environ. Health Persp., 116, 1162-1166. doi: 10.1289/ehp.11107.
Kotsyumbas, l., Brezvyn, O., Rudyk, G., Guta, Z., & Gutyj, B. (2016). Effect of fumonisin toxicosis on rats. Pasze przemyslowe. Lublin, 3/4, 108-115.
Ledoux, D.R., Brown, T.P., Weibking, T.S., & Rottinghaus, G.E. (1992). Fumonisin toxicity in broiler chicks. J. Vet. Diagn. Invest., 4, 330-333. doi: 10.1177/104063879200400317.
McKean, C., Tang, L., Tang, M., Billam, M., Wang, Z., Theodorakis, C.W., Kendall, R.J., & Wang, J.S. (2006). Comparative acute and combinative toxicity of aflatoxin B1 and fumonisin B1 in animals and human cells. Food Chem. Toxicol., 44, 868-876. doi: 10.1016/j.fct.2005.11.011.
Placinta, C.M., D'Mello, J.P.F., & Macdonald, A.M.C. (1999). A review of worldwide contamination of cereal grains and animal feed with Fusarium mycotoxins. Anim. Feed Sci. Technol., 78(1-2), 21-37. doi: 10.1016/S0377-8401(98)00278-8.
Reeves, P.G., Nielsen, F.H., & Fahey Jr., G.C. (1993). AIN-93 Purified diets for laboratory rodents: final report of the American Institute of Nutrition ad hoc writing committee on the reformulation of the AIN-76A rodent diet. J. Nurt., 123, 1939-1951. doi: 10.1093/jn/123.11.1939.
Riley, R.T., & Voss, K.A. (2006). Differential sensitivity of rat kidney and liver to fumonisin toxicity: organ-specific differences in toxin accumulation and sphingoid base metabolism. Toxicol. Sci., 92(1), 335-345. doi: 10.1093/toxsci/kfj198.
Rodríguez-Estival, J., Álvarez-Lloret, P., Rodríguez-Navarro, A.B., Mateo, R. (2013). Chronic effects of lead (Pb) on bone properties in red deer and wild boar: relationship with vitamins and D3. Environ. Pollut., 174, 142-149. doi: 10.1016/j.envpol.2012.11.019.
Ross, P.F., Rice, L.G., Osweiler, G.D., & Nelson, P.E. (1992). A review and update of animal toxicoses associated with fumonisin contaminated feeds and production of fumonisins by Fusarium isolates. Mycopatho-logia, 117(1-2), 109-114. https://www.ncbi.nlm.nih. gov/pubmed/1513366.
Segvic, M., & Pepeljnjak, S. (2001). Fumonisins and their effects on animal health a brief review. Vet. Arhiv., 71, 299-323.
Tomaszewska, E., Dobrowolski, P., Kostro, K., Jakubczak, A., Taszkun, I., Jaworska-Adamu, J., ¿muda, A., Rycerz, K., Muszynski, S. (2015). The effect of HMB and 2-Ox administered during pregnancy on bone properties in primiparous and multiparous minks (Neivison vison). Bull.Vet. Inst. Pulawy, 59, 563-568. doi: 10.1515/bvip-2015-0084.
Tomaszewska, E., Dobrowolski, P., Muszynski, S., Kostro, K., Taszkun, I., Zmuda, A., Blicharski, T., Hulas-Stasiak, M. (2017). DON-induced changes in bone homeostasis in mink dams. J. Vet. Res., 61(3), 357-362. doi: 10.1515/jvetres-2017-0047.
Tomaszewska, E., Dobrowolski, P., Winiarska-Mieczan A., Kwiecien, M., Tomczyk, A., Muszynski, S., & Radzki, R. (2016). Alteration in bone geometric and mechanical properties, histomorphometrical parameters of trabecular bone, articular cartilage, and growth plate in adolescent rats after chronic co-exposure to cadmium and lead in the case of supplementation with green, black, red and white tea. Environ. Toxicol. Pharmacol., 46, 36-44. doi: 10.1016/j.etap.2016.06.027.
Tomaszewska, E., Muszynski, S., Dobrowolski, P., Winiarska-Mieczan, A., Kwiecien, M., Tomczyk-Warunek, A., Ejtel, M., Swietlicka, I., & Gladyszewska, B. (2018). White tea is more effective in preservation of bone loss in adult rats co-exposed to lead and cadmium compared to black, red or green tea. Ann. Anim. Sci., In press. doi: 10.2478/aoas-2018-0026.
Voss, K.A., Chamberlain, W.J., Bacon, C.W., Herbert, R.A., Walters, D.D., & Norred, W.P. (1995). Species chronic feeding study of the mycotoxin FB1 in B6C3F1 mice and Fischer 344 rats. Fundam. Appl. Toxicol., 24(1), 102-110. doi: 10.1093/toxsci/24.1.102.
