CC BY
94
ВЗГЛЯД НА ОСТЕОПОРОЗ С ПОЗИЦИЙ КОСТНОЙ
МОРФОМЕТРИИ
(Компьютерное гистоморфометрическое исследование)
А.В. ВОЙТОВИЧ, Л.О. АНИСИМОВА, В.В. КОРМИЛЬЧЕНКО
Российский НИИ травматологии и ортопедии им. Р.Р.Вредена (Санкт-Петербург)
Проведено количественное гистоморфометрическое исследование проксимального отдела бедренной кости у людей в разных возрастных группах, позволившее получить объективные характеристики массы и распределения костной ткани в головке и шейке бедренной кости у здоровых людей и у пожилых с явлениями остеопороза. Гистоморфометрия осуществлялась предложенным авторами методом компьютерного полуавтоматического анализа видеоизображения. В отечественной литературе подобный метод оценки для костной ткани не описан. Материалом послужили проксимальные отделы бедра от старых лиц со свежими переломами этой области и лиц молодого и среднего возраста без патологии тазобедренного сустава (судебно-медицинских трупов). Измерения массы костной ткани проходили с учетом функциональной анатомии в 3-х секторах -центральном, более нагружаемом, и краевых, менее нагружаемых. В работе показано, что наиболее нагружаемая зона головки бедра содержит максимальное количество костной ткани во всех возрастных группах. При инволюционном остеопорозе количество костной ткани в головке снижается неравномерно, преимущественно вмалонагружаемыхзонах. Масса костной ткани кортикальной пластинки шейки бедра уменьшается с возрастом не только за счет ее истончения, но и за счет выраженной декомпактизации. Текстура матрикса костной ткани молодых и пожилых достоверно отличается, что говорит о разном характере минерализации и качественном изменении коллагена, наблюдающемся при старении.
Анализ статистических показателей переломов проксимального отдела бедра у человека, проведенный центрами профилактики остеопороза в Москве, Туле, Оренбурге и других городах России, позволил выявить статистически значимое увеличение удельного веса переломов шейки бедра [4]. Остеопороз - главная причина переломов, которые вызывают значительный подъем уровня смертности, особенно среди лиц пожилого возраста [2, 10]. Так, по данным американских исследователей, именно остеопороз является причиной 1,5 миллиона переломов в год [16].
Успехи в изучении патогенеза остеопороза непосредственно зависят от прогресса в познании процессов осте-огенеза и костного ремоделирования. Скорость ремоде-лирования в разных типах кости приводится в руководстве McCarthy E.F. & Frassica F.J. [13]: так, оно более активно в губчатой кости, где восстанавливается около 25% костной массы в год, в то время как в кортикальной пластинке диафизов этот процент составляет 2, в среднем равняясь 18% в год. Наиболее активно ремоделиро-вание протекает в гребне подвздошной кости, благодаря чему это место обычно используется для взятия костного трепанбиоптата с целью определения эффективности лечения или активности общепатологических состояний, вовлекающих костную ткань.
С возрастом процессы ремоделирования замедляются, как и большинство обменных и репаративных процессов в организме, параллельно этому убывает костная масса. Однако остеопороз - это не только уменьшение объема костной ткани, связанное с превышением костной резорбции над костеобразованием, но и качественное изменение органического матрикса и характера минерализации [5, 131, что не всегда учитывается при лечении только препаратами кальция.
Для профилактики и лечения остеопороза представляется актуальным дальнейшее всестороннее изучение его патогенеза и структурных изменений костной ткани на различных уровнях и с помощью различных методов.
В клинике наличие остеопороза и его выраженность у пациентов определяются, как правило, путем измерения минеральной плотности костной ткани с помощью ультразвуковой или двухфотонной денситометрии в об-
ласти шейки бедра, позвонках или пяточной кости. Оценка состояния головки бедренной кости обычно не проводится из-за технических трудностей (наложения теней подвздошной кости в области вертлужной впадины и головки бедра), поэтому сопоставление состояния костной ткани головки и шейки бедра интересно как с практической, так и с теоретической сторон. Гистоморфомет-рические исследования костной ткани проксимального отдела бедра в разных возрастных группах единичны, и количественные характеристики различаются у разных исследователей [15], хотя именно проксимальный отдел бедра испытывает наибольшие нагрузки.
Убыль костной массы с возрастом отмечается всеми авторами [10, 12], однако, как правило, исследования костного органа проводятся без учета функциональной анатомии, что может привести к ошибочным результатам и выводам.
В задачи настоящего исследования входило разработать на отечественной аппаратуре с учетом небольших методических возможностей обычного патологоанатоми-ческого отделения современные способы объективной оценки состояния костной ткани, доказать правомочность и перспективность использования этих методов и получить новые данные, расширяющие наши представления о морфогенезе остеопороза.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Материалом для исследования послужили головки бедренных костей людей различного возраста без патологии тазобедренного сустава. Сравнивались 2 группы лиц: молодые - от 20 до 39 лет - 18 человек (люди с наивысшей костной массой, что было установлено при совместных гистологическом и рентгено-остеоденситометричес-ком исследованиях) и старые - старше 70 лет - 28 пациентов. Материал первой группы был взят от людей, погибших насильственной смертью (судебно-медицинские вскрытия), материал от пожилых и старых пациентов был получен на операции эндопротезирования тазобедренного сустава, которое проводится в институте травматологии непосредственно сразу после перелома проксимального отдела бедра. Причиной перелома во всех случаях была минимальная травма (падение с высоты собственного роста), что позволяет предполагать наличие у па-
Рис. 1.
Гистотопограмма головки бедренной кости молодого человека. Разделение на секторы по анатомо-функци-
ональному признаку для гистоморфометрии Анатомо-функционалъныеучастки головки бедра: 1 ~ верхнелатеральный, 2 — центральный, 3 — нижнемедиальный
Рис. 4.
Микрофото кортикального слоя шейки бедра молодого человека, он имеет значительную толщину и строение компактной кости с узкими гаверсовыми каналами и равномерным расположением остеоцитов. Окраска и увеличение те же
Молодой возраст
Пожилой возраст
Рис. 2.
Рентгенограммы пациентов различного возраста. Хорошо заметны большая плотность костной ткани у пациентов молодого возраста и преобладание ее в центральном секторе независимо от возраста
Рис. 5.
Микрофото кортикального слоя шейки бедра старого пациента: -значительное расширение гаверсовых каналов приводит к его декомпактизации при достаточной ширине. Окраска и увеличение те же
Рис. 3.
Микрофото костной балки старого человека с неравномерной окраской матрикса и мозаичными структурами в толще (окраска гематоксилином и эозином, ув.х240)
сравнение толщины кортикального слоя шейки бедра молодых и старых -Ф- молодые
старые
Рис. 6.
На графике показано соотношение между толщиной
кортикального слоя у молодых (вверху) и старых пациентов (внизу). При значительных индивидуальных различиях толщина его больше у молодых
^ранкенме ииро^кктп крр щк.иьниго слоя шсикн иелрл малоныя и стары* "чк молодые
-«- старые
Рис. 7.
На графике отражена степень порозности кортикального слоя у двух исследованных групп. Заметно преобладание костной массы в кортикальном слое шейки в молодом возрасте
Таблица 1
Количество костной ткани головки и ее текстура по секторам
Анатомические участки 1 сектор (нижнемедиальный) 2 сектор (центральный) 3 сектор (верхнелатеральный)
Возраст молод. старый молод. старый молод. старый
Средняя площадь костных 5,36 1,44 7,75 5,81 1,33 7,39
балок (кв. мкм) Е+05 Е+05 Е+05 Е+05 Е+05 Е+04
Костный объем 12% 3% 17% 13% 8% 3%
Количество костных балок 22 32 22 21 25 31
(СКО ОБ) 0,08 1,19 0,67 0,65 0,96 1,11
циентов явлений остеопороза проксимального отдела бедра.
Анализ гистологических препаратов, приготовленных общепринятым способом и окрашенных гематоксилином и эозином, проводился на световом микроскопе Бимам Р-13, компьютерная гистоморфометрия видеоизображения с микропрепарата осуществлялась с использованием программ «Морфолог», «Нейронное зрение», «Ехе11» на персональном компьютере РепИит-2. Программы позволяют подсчитывать объем, площадь, размеры и количество заданных объектов и оценивать их структуру в автоматическом режиме.
В начале наших исследований мы не учитывали ана-томо-функциональные характеристики головки и количественная оценка костной ткани на гистологических препаратах производилась в 50 произвольно выбранных полях зрения по всей площади головки. Полученные результаты не согласовывались с данными компьютерной рентгеновской остеоденситометрии, и только при анато-мо-функциональном подходе к морфометрии костной ткани были получены результаты, сопоставимые с данными рентгеновских методов. На микропрепаратах, представляющих собой гистотопограммы фронтальных распилов головок, выделялись 3 анатомо-функциональные зоны (секторы): 1-верхнелатеральный, 2—центральный, 3-нижнемедиальный (рис. 1). При таком анализе наблюдалось полное соответствие морфометрических показателей с данными, полученными с помощью компьютерной рентгеновской остеоденситометрии параллельно на тех же объектах и приведенными в предыдущих публикациях [1].
Компьютерная гистоморфометрия проводилась в 50 полях зрения (на увеличении 26,5) со снимков гистологических препаратов, файлы которых обрабатывались при помощи автоматического алгоритма на компьютере с вычислением средневзвешенных показателей - костного объема (отношение площади костных балок к общей анатомической площади в %) и величин текстурных характеристик как показателей структуры матрикса кости (текстурный показатель СКО ОД - среднеквадратичное отклонение оптической плотности, т.е. степень разнородности матрикса). Аналогичные показатели вычислялись и в кортикальной кости шейки бедра. Кортикальный слой шейки оценивался по трем параметрам: компактность (в %), толщина (в мкм), структурная характеристика. Для подсчетов в полуавтоматическом режиме на экране монитора видеоизображение обрабатывалось таким образом, чтобы отсечь объекты, не входящие в программу исследования (костный мозг межбалочных пространств, сосуды).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Из анатомии известно, что головка бедренной кости представляет собой образование, приближающееся по форме к шару [3]. Функциональные нагрузки формиру-
ют ориентацию балок костного вещества головки, на рентгенограммах хорошо прослеживаются силовые линии этих нагрузок, по которым и распределяется костная ткань, что характерно для любого возраста [9] (рис. 2). При визуальной оценке рентгенограмм больных с переломами шейки бедра обращает на себя внимание, что кортикальный слой шейки пожилого человека нередко шире и даже плотнее, чем у молодого, что создает ложное впечатление о прочности кортикального слоя. Отчетливо заметно распределение костных балок по силовым линиям, примерно одинаковая ширина кортикальной пластинки шейки и преобладание костного вещества у молодого человека.
Световая микроскопия при обзорном просмотре гистологических препаратов головки и шейки показала, что губчатая кость головки и шейки бедра молодого человека представлена широкими анастомозирующими костными балками, местами содержащими немногочисленные узкие сосудистые каналы. При окраске гематоксилином и эозином в губчатой кости отчетливо видны зрелые костные клетки - остеоциты, имеющие овальную или вытянутую форму, располагающиеся в лакунах, иногда между ними хорошо-заметны соединяющие их отростки. В костном матриксе отчетливо контурируются базофильные линии склеивания, разделяющие костные пластинки. Межбалочные пространства заняты миелоидным костным мозгом. Кортикальный слой имеет достаточную ширину, представлен компактной костью с равномерно расположенными остеоцитами, удлиненной формы, ориентированными вдоль оси нафузки параллельно друг другу и линиям склеивания, и узкими сосудистыми каналами, окруженными костными пластинками, формирующими остеоны. Матрикс при этом окрашивался равномерно оксифильно.
Губчатая кость старого человека резко отличается от вышеописанного: костные балки узкие, малочисленные (особенно в шейке бедра), визуально разделены между собой, местами представлены округло-овальными структурами, базофильные линии в них широкие, неровные, иногда видны «мозаичные структуры», расслоение отдельных костных пластинок. Костные клетки - остеоциты также расположены нерегулярно, отмечаются бесклеточные лакуны и бесклеточные участки, матрикс имеет сла-бооксифильную неравномерную окраску (рис. 3). Мие-лоидный костный мозг межбалочных пространств частично замещается жировым. Кортикальный слой - местами резко истончен с сохранением компактности, а местами — достаточно широкий, но с резко расширенными, неправильной формы гаверсовыми каналами - декомпак-тизирован, базофильные линии склеивания здесь также неровны, различной ширины, местами неотчетливы, заметны пустые лакуны остеоцитов (рис. 4,5).
Наблюдая выраженное разрежение костной ткани и истончение балок с возрастом, тем не менее, мы не от-
мечали увеличения количества рассасывающих костную ткань клеток - остеокластов, о чем говорят и другие авторы, изучающие морфо- и патогенез остеопороза [8, 11]. Представляется, что процесс инволютивного остеопороза сопровождается уменьшением числа клеток, как остеоцитов, так и остеобластов и остеокластов, что ведет к изменению структуры коллагена, нарушению минерализации и состава и соотношения неколлаге-новых белков матрикса. Число базофильных линий склеивания и их яркость уменьшались, матрикс костной ткани при окраске гематоксилином и эозином местами был разволокнен, имел менее выраженную эозинофилию, что также говорило о снижении активности обменных процессов, нарастании дистрофии в костной ткани, о чем высказываются многие авторы.
Данные гистоморфометрии головок исследуемых групп пациентов представлены в табл. 1. Они не только подтверждают визуальные характеристики, но и дают новые представления о наблюдаемом процессе.
Как видно из таблицы, наиболее нагружаемая зона головки бедра - центральная - содержит максимальное количество костной ткани, что наблюдается во всех возрастах. Это доказывается показателями средней площади костных балок и среднего костного объема по сектору. Эти результаты согласуются и еще раз подтверждают хорошо известные представления о структуре головки бедра и необходимости ее оценки с позиций функциональной анатомии [15].
Другим выводом, следующим из таблицы, можно считать то, что при возрастном (инволюционном) осте-опорозе проявляется неравномерность потери костной ткани головки бедра - уменьшение костной массы прежде всего отмечается в менее нагружаемых участках, что согласуется с данными предыдущих работ, проведенных на основе визуальных наблюдений, но не привлекших внимания более поздних исследователей.
Неожиданным фактом оказалось одинаковое количество балок в нагружаемой зоне у молодого и старого человека. Так, при уменьшении площади балок с возрастом количество их в нагружаемой зоне почти не меняется (при уменьшении площади и количества в менее нагружаемых зонах). По-видимому, система костных балок («каркас») не достигает той степени рассасывания, при которой они на микропрепарате как бы исчезают [7].
Структурные характеристики матрикса костной ткани (последняя строка таблицы) у молодых и пожилых отличаются, при этом в крайних секторах головки у молодых матрикс более однороден, чем у старых, при нагрузке - в центре - текстурная характеристика, что связано с изменениями в характере минерализации и строении коллагена по мере старения организма. Об этом же говорит Е. П. Подрушняк в статье «Костно-суставной аппарат человека при старении» [6], остающейся уникальной до сих пор в силу детального рассмотрения структуры костного матрикса у пожилых людей: «При остеопо-розе развиваются глубокие нарушения белково-минераль-ного обмена с изменением во многих участках тинктори-альных свойств костного вещества (балок). Изменение белково-полисахаридных комплексов аморфной цементирующей субстанции с уменьшением кислых мукополи-сахаридов по линиям склеивания ослабляет связи между костными структурами и приводит к отщеплению от костной ткани отдельных пластин, остеоколлагеновых волокон с последующим их рассасыванием. Все это нарушает минерализацию кости и параллельно с гладкой и лакунарной их резорбцией составляет важное звено в формировании остеопороза».
При гистологическом исследовании препаратов кортикального слоя шейки бедренной кости у старых людей отмечалось два типа изменений - значительное его истончение при сохранной компактности либо увеличение порозности с сохранением достаточной толщины или даже превышением ее, о чем уже говорилось выше.
Данные компьютерной гистоморфометрии по шейке бедра у людей молодого и среднего возраста с наивысшей костной массой (peak bone mass) без перелома и старых пациентов с переломом представлены на рис. 6,7. Из графиков видно, что толщина кортикального слоя шейки старых пациентов резко неравномерна по сравнению с таковой у молодых. Далее еще более достоверно снижается его компактность (до 40-60%), поэтому уязвимость области шейки для переломов связана не только со снижением объема губчатой кости и истончением кортикального слоя, но и с его возросшей порозностью, что отчетливо заметно при гистоморфометрическом исследовании, но не выражено на рентгенограммах. Это соответствует взглядам Meunier [14], что к переломам шейки бедра приводит кортикальная форма остеопороза (автор выделяет еще и трабекулярную и смешанную формы, причем первая ведет к переломам позвонков, а вторая - к межвертельным переломам).
Таким образом, разработанный метод оказался объективным и информативным при анализе возрастных изменений костной ткани проксимального отдела бедра человека.
ЛИТЕРАТУРА
1. Анисимова Л.О., Кормильченко В.В., Медведев j А.П., Данилова НА Современные компьютерные технологии в оценке состояния костной ткани проксимального отдела бедра человека // Тезисы докладов 3-го Российского симпозиума по остеопорозу. СПб., 2000. С. 91.
2. Войтович А.В. Шестилетний опыт экстренного эн-допротезирования; Актовая речь в РНИИТО им. P.P. Bpe-дена. СПб., 1999. С. 3-12.
3. Воробьев В.П. Анатомия человека. М, 1932. Т. 1. С. 145.
4. Михайлов Е.Е., Беневоленская Л.И., Аникин С.Г. и соавт. Частота переломов проксимального отдела бедренной кости и дистального отдела предплечья среди городского населения России // Остеопороз и остеопатии. 1999. № 3. С. 2-6.
5. Насонов Е. Л. Патогенез остеопороза // Тезисы лекций и докладов 3-го Российского симпозиума по остео-порозу. СПб., 2000. С. 62.
6. Подрушняк Е.П. Костно-суставной аппарат человека при старении // Ортопедия, травматология и протезирование. 1983. № 2. С. 12-16.
7. Ревелл П.А. Патология кости. М.: Медицина, 1993.
8. Родионова С.С. Гистоморфометрия в диагностике остеопороза. Там же. С. 40-41.
9. Садофьева А.С. Рентгенофункциональная диагностика заболеваний опорно-двигательного аппарата у детей. Л.: Медицина, 1986. С. 81-88.
10. Франке Ю., Рунге Г. Остеопороз. М., 1995. С. 132-138.
11. Collins D. Pathology of Bone. London, 1966. 254 p.
12. Horowitz M.C. Cytokines and estrogenes in bone: anti-osteoporotic effects. Science. 1993. 260-626.
13. McCarthy E., Frassica F. Pathology of bone and Joint Desorders. Philadelphia, 1998, 88-92.
14. Meunier P. J. Bone hystomorphometry in osteoporotic states. In Barzel U.S. In Osteoporosis 11. Grune & Stratton, New-York, 1979. P. 27-47.
15. Moller G., Delling G. Age related Bone Changes of the proximal Femur and its Relation to Hip Fracture. The 8 Congress of the International Society Of Bone Morthometry. Scottsdale. AZ, 1999, Abstracts № 33.
16. Silver J.J, Einhorn T.A. Osteoporosis and aging. Clin orthop, 1995. 316, 10-20.
