зональное строение эпифизарного хряща при имплантации в

Реклама
Український морфологічний альманах, 2010, Том 8, № 3
УДК 611.7:612.57:616-092.9
© Бережной Е.П., 2010
ГИСТОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ДИАФИЗА ПРИ ИМПЛАНТАЦИИ В
БОЛЬШЕБЕРЦОВЫЕ КОСТИ КЕРАМИЧЕСКОГО ГИДРОКСИЛАПАТИТА
И ДЕМИНЕРАЛИЗОВАННОГО КОСТНОГО МАТРИКСА
Бережной Е.П.
Луганский государственный медицинский университет
Бережной Е.П. Гистологическое строение диафиза при имплантации в большеберцовые кости
керамического гидроксилапатита и деминерализованного костного матрикса // Український морфологічний альманах. – 2010. – Том 8, №3. – С. 13-16.
В эксперименте на 210 белых крысах-самцах массой 130-150 г исследовали влияние имплантации в
проксимальный отдел диафиза большеберцовых костей керамического гидроксилапатита, деминерализованнного костного матрикса и их комбинации в соотношении 2:1 на гистологическое строение
середины диафизов. Установили, что нанесение дырчатого дефекта в проксимальных отделах диафиза сопровожадется расширением слоев наружных и внутренних генеральных пластин и сужением остеонного слоя сравнительно с интактными животными. Заполнение дефекта различными костннопластическими материалами сопровождается изменениями гистологического строения диафизов , которые зависят как от активности процессов репаративной регенерации в области дефекта. Так и от состава имплантированного материала.
Ключевые слова: кость, костный дефект, аппозиционный рост, керамический гидроксилапатит,
деминерализованный костный матрикс.
Бережний Є.П. Гістологічна будова діафізу при імплантації до великогомілкових кісток керамчного гідроксилапатиту та демінералізованого кісткового матриксу // Український морфологічний альманах. – 2010. – Том 8, №3. – С. 13-16.
В експерименті на 210 білих щурах-самцях масою 130-150 г досліджували вплив імплантації до
проксимального відділу діафізу великогомілкових кісток керамічного гідроксилапатиту, демінералізованого кісткового матриксу і їх комбінації у співвідношенні 2:1 на гістологічну будову поперечного перетину середини діафізів. Встановили, що нанесення дірчастого дефекту у проксимальних відділах діафізу супроводжується розширенням шарів зовнішніх та внутрішніх генеральних пластинок та звуженні остеонного шару порівнянно з інтактними тваринами. Заповнення дефекту різними кістковопластичними матеріалами супроводжується змінами в гістологічний будові діафізів, що залежать як від
активності процесів репаративної регенерації в зоні дефекта, так й від складу імплантованого матеріалу.
Ключові слова: кістка, кістковий дефект, аппозиційний ріст, керамічний гідроксилапатит, демінералізований кістковий матрикс.
Berezhnoy E.P. Histological structure of diaphysis under effect of ceramic hydroxyapatite and demineralized
bone matrix implantation // Український морфологічний альманах. – 2010. – Том 8, №3. – С. 13-16.
In the experiment on 210 male rats with initial weight of 130-150 grams, we studied effects of implantation of ceramic hydroxyapatite, deminerailzed bone matrix and combined implants on histological structure of
mid of diaphysis of tibia. In the experiment, we found out that bone defect in proximal portion of diaphysis
leads to widening of zone of external and internal general plates and narrowing of the osteonal zone as compared to the controls (the intact animals). Using of various implants leads to changes in zone of epiphyseal
cartilages. These changes depend on activity of regeneration processes and contents of the implants used.
Key words: bone, bone defect, apposition, ceramic hydroxylapatite, deminerailzed bone matrix
Постановка проблемы и анализ последних исследований. При исследовании процессов репаративной регенерации в эксперименте,
нами было установлено, что при нанесении
сквозного дырчатого дефекта в метадиафизарной области трубчатых костей наряду с интенсивными процессами формирования регенерата
изменялись и темпы аппозиционного роста
перфорированной кости, [2, 7]. Необходимым
условием при этом было нанесение дефекта такого размера, который не сопровождался нарушением целостности костного органа [4]. Анализируя данные литературы мы не нашли сколько-нибудь сходных наблюдений. Отсутствуют и
сведения о гистологическом строении в этих
условиях реактивных структур диафизов, обеспечивающих поперечный рост костей.
Поэтому целью данной работы явилось изучение зонального строения середины диафиза
большеберцовой кости (ББК) белых крыс при
имплантации в метадиафизарный отдел деминерализованного костного матрикса (ДКМ), керами-
ческого гидроксилапатита (КГОА) и их сочетания.
Работа является фрагментом межкафедральной
НИР Луганского государственного медицинского
университета “Морфогенез костей скелета при
заполнении костных дефектов гидроксилапатитными материалами различного состава” (государственный регистрационный № 0109U004621).
Материал и методы исследования. Эксперимент проведен на 210 белых крысах-самцах с
исходной массой тела 130-150 г, распределенных
на пять групп: первая (К) –группа интактных животных, вторая (Д) – животные, которым под
эфирным масочным наркозом были сформированы сквозные костные дефекты на границе проксимального метафиза и диафиза ББК диаметром
2,2 мм, в третьей группе (А) дефект заполняли порошкообразным КГОА с размером частиц менее
63 мкм (производства НПП КЕРГАП, Украина), в
четвертой (В) – измельченным ДКМ и в пятой (С)
– комбинацией ГАП керамики с измельченным
ДКМ в соотношении 2:1. Поскольку переднезадний размер ББК на границе проксимального
13
Український морфологічний альманах, 2010, Том 8, № 3
метафиза и диафиза у белых крыс данной возрастной группы составляет не менее 3,5 мм, манипуляция не сопровождалась нарушением целостности костного органа и создавались условия для сохранения функциональной нагрузки на нижнюю
конечность [4].
Все манипуляции на животных выполняли в
соответствии с правилами европейской конвенции защиты позвоночных животных, использующихся в экспериментальных и других научных целях [6].
По истечении сроков эксперимента (7, 15,
30, 60, 90 и 180 дней) крыс забивали путем декапитации под эфирным наркозом. Фрагменты
серидины диафизов ББК фиксировали в 10%
растворе нейтрального формалина, декальцинировали, обезвоживали и заливали в парафин.
Гистологические срезы толщиной 10-12 мкм
окрашивали гематоксилин-эозином и исследовали при помощи окулярного винтового микрометра МОВ-1-15Х ГОСТ 7865-56 по общепринятой методике [4]. Программа морфометрии
включала в себя измерение ширины слоев диафиза: остеонного, наружных и генеральных
пластин, а также диаметров остеонов и их кана-
лов [1]. Калибровку измерительных приборов
производили с помощью миллиметрового
отрезка ГОСТ 2 07513-55 2.
Все использованные измерения и параметры
приведены в соответствие с международной
системой единиц. Полученные цифровые данные обрабатывали методами вариационной статистики с использованием прикладного пакета
STATISTICA 5.11 for Windows.
Результаты исследования и их обсуждение. У интактных животных в ходе наблюдения (с
7 по 180 день) диафиз в средней части ББК имел
значительную ширину и хорошо выраженное
зональное строение (табл.). По мере увеличения
сроков наблюдения общая ширина диафиза увеличивалась с 419,42±10,10 мкМ до 602,25±8,50
мкМ с пропорциональным сужением всех его зон.
При этом диаметры остеонов и их каналов постепенно уменьшались – соответственно с 47,06±0,85
мкм до 39,61±0,52 мкМ и с 15,89±0,56 мкМ до
9,78±0,38 мкМЭто соответствует полученным нами ранее данным о достаточно интенсивном аппозиционном росте большеберцовых костей, который по мере увеличения сроков наблюдения
постепенно замедлялся [2].
Таблица. Показатели гистоморфометрии поперечного среза середины диафиза плечевых костей неполовозрелых
белых крыс при нанесении сквозного дырчатого дефекта в проксимальной части диафиза большеберцовой кости (X±Sx)
Диаметры
Диаметры
Группа Сро- Общая шириШирина слоев диафиза, мкм
остеонов,
каналов оски в
на диафиза,
наруж.генер.
остеонного
внутр. генер.
мкм
теонов, мкм
днях
мкм
пластин
пластин
7
419,42±10,10
134,92±6,20
171,44±7,19
113,06±5,36
47,06±0,85
15,89±0,56
15
440,39±7,17
141,39±5,05
180,39±5,96
118,61±4,21
46,67±0,65
15,11±0,49
Конт30
463,89±8,24
143,22±4,02
194,61±5,53
126,06±3,73
46,00±0,67
13,81±0,53
роль
60
482,44±7,59
150,22±4,44
203,17±5,12
129,06±3,56
43,25±0,78
13,28±0,40
90
516,31±6,13
156,69±3,61
223,64±4,14
135,97±3,97
41,67±0,71
12,14±0,54
180 602,25±8,50
167,14±4,27
284,22±5,65
150,89±4,84
39,61±0,52
9,78±0,38
7
436,08±6,55
165,39±3,90*
119,22±3,15*
151,47±3,91*
42,03±0,59*
10,22±0,41*
15
365,36±6,21*
135,94±2,78
137,31±3,48*
92,11±2,73*
42,33±0,72*
14,58±0,49
Де30
534,92±8,12*
203,72±5,36*
166,50±4,84*
164,69±3,61*
49,97±0,78*
16,89±0,54*
фект
60
591,64±10,27*
193,11±4,97*
219,72±5,70
178,81±4,70*
44,17±0,67
13,31±0,41
90
550,22±9,73*
168,69±4,37
224,83±6,87
156,69±4,26*
42,22±0,65
11,25±0,47
180 590,58±8,82
162,47±4,38
274,75±7,19
153,36±3,10
41,47±0,63
9,89±0,51
7
438,50±7,67
143,33±3,59^
174,47±4,37^
120,69±3,12^
48,05±0,61^
14,00±0,43*^
15
440,75±6,76^
135,97±3,24
181,97±5,09^
122,81±3,45^
40,33±0,70*
14,83±0,50
Кер
30
397,33±6,47*^
123,86±3,12*^
159,61±4,15*
113,86±3,22*^ 44,06±0,65^
10,89±0,45*^
ГАП
60
443,75±5,50*^
164,69±4,49*^
128,53±2,61*^ 150,53±3,42*^ 42,11±0,56^
10,14±0,41*^
90
486,69±6,97*^
151,28±4,08^
189,06±4,59*^ 146,55±3,57
39,78±0,68^
9,19±0,34*^
180 597,39±9,07
178,92±4,78^
248,67±5,25*^ 169,81±3,95*^ 38,08±0,51^
8,22±0,36*^
7
452,22±5,69*
159,06±3,50*
156,94±3,95^
136,22±2,96*^ 37,22±0,78*^ 10,33±0,58*
15
482,67±8,31*^
146,56±3,86^
178,19±5,15^
157,92±3,45*^ 41,42±0,64*
12,89±0,47*^
30
480,81±7,56^
164,61±4,46*^
167,03±4,00*
129,17±3,11^
36,50±0,73*^
11,44±0,55*^
ДКМ
60
454,86±6,13*^
149,17±3,06^
158,11±3,54*^ 147,58±3,61*^ 41,64±0,66^
10,33±0,49*^
90
471,31±6,98*^
135,78±3,43*^
184,06±4,84*^ 151,47±3,68*
38,25±0,59*^ 9,94±0,46*
180 585,94±8,42
153,92±4,63
277,78±6,48
154,25±3,82
37,33±0,77*^ 9,22±0,48
7
349,33±6,85*^# 112,86±3,09*^# 122,67±3,42*# 113,81±3,17^
41,47±0,71*# 12,28±0,54*^#
15
360,97±5,67*#
101,17±2,61*^# 161,03±3,94*^# 98,78±2,82*# 34,50±0,94*^# 14,06±0,60
Кер
30
357,00±6,22*^#
117,11±3,53*^
128,67±3,17*^# 111,22±3,15*^ 38,44±0,75*^# 13,22±0,56^#
ГАП +
60
473,50±7,07^#
164,39±3,56*^
152,39±4,53*^# 156,72±3,93*^ 36,28±0,73*^# 12,33±0,50#
ДКМ
90
500,89±6,10^
159,03±4,17
187,67±5,03*^ 154,19±3,53*
42,44±0,74#
12,86±0,62#
180 611,28±9,05
162,06±4,37#
291,81±6,19#
157,42±3,12#
41,25±0,69#
11,19±0,50#
Примечание: * - обозначает достоверное отличие с группой интактных животных (р<0,05); ^ - обозначает достоверное отличие с группой животных, которым пластика дефекта не производилась (р<0,05); # - обозначает достоверное
отличие с группой животных, которым в область дефекта имплантировали КерГАП (р<0,05)
В группе Д, при нанесении сквозного дефекта,
к 7 дню общая ширина диафиза оставалась неиз-
менной, но ширина слоев наружных и внутренних
генеральных пластин были больше контрольных
14
Український морфологічний альманах, 2010, Том 8, № 3
на 22,59% и 33,98%, что может быть связано с реакцией надкостницы и усилением активности
процессов эндостальной резорбции, а ширина
остеонного слоя уменьшалась на 30,46%. К 15
дню, вследствие этого, общая ширина диафиза
была меньше контрольной на 17,04% с сужением
слоев наружных и внутренних генеральных пластин соответственно на 3,85% (р>0,05) и 22,34% и
остеонного слоя на 23,88%. Диаметры остеонов и
их каналов к 7 и 15 дням были меньше контрольных соответственно на 10,68% и 9,29% и на
35,65% и 3,49% (р>0,05).
Спустя 30 дней после нанесения дефекта остеонный слой оставался уже контрольного на
14,44%, однако общая ширина диафиза была
больше контрольной на 15,31% за счет увеличения ширины слоев наружных и внутренних генеральных пластин – на 42,34% и 30,65%. Диаметры
остеонов и их каналов к этому сроку были больше
контрольных на 8,64% и 22,33% соответственно.
К 60 дню общая ширина диафиза в группе Д
оставалась больше контрольной (на 22,63%) за
счет расширения всех его слоев. При этом диаметры остеонов и их каналов от контрольных достоверно не отличались. На 90 день увеличение
общей ширины диафиза сохранялось (на 6,57%),
но лишь за счет слоя внутренних генеральных
пластин, который был на 15,24% шире контрольного. Через 180 дней эксперимента достоверные
отличия исследуемых показателей от группы интактных животных не выявлены.
Такая динамика строения диафиза ББК соответствует полученным нами ранее данным об ускорении темпов аппозиционного роста ББК в
группе Д [2]. Можно предположить, что при процессах репаративной регенерации в зоне нанесенного дефекта усиливается гемоциркуляция, накапливаются биологически активные вещества и т.д.
[8], которые по ходу интрамедуллярной системы
кровоснабжения разносятся по всему костному
органу, то есть опосредованно влияют на функциональное состояние надкостницы и эндоста.
Имплантация в область дефекта порошкообразного КГОА с размером частиц менее 63 мкм
(группа А) также сопровождалась изменениями
гистологического строения середины диафиза
ББК, а именно: к 7 дню диаметр каналов остеонов
был меньше показателей 1-й группы на 11,89%, а к
15 дню – диаметр остеонов меньше на 13,57%. К
30 дню эксперимента отклонения нарастали: общая ширина диафиза была меньше значений 1-й
группы на 14,35% с соразмерным сужением всех
слоев. Спустя 60 дней общая ширина диафиза
оставалась меньше аналогичной для интактных
животных (на 8,02%), но уже за счет сужения лишь
зон наружных генеральных пластин и остеонного
слоя; слой внутренних генеральных пластин в этот
срок превосходил показатели 1-й группы на
16,64%. С увеличением срока отклонения продолжали сглаживаться: к 90 и 180 дням эксперимента ширина остеонного слоя оставалась меньше
контрольной соответственно на 15,46% и 12,51%,
а слой внутренних генеральных пластин был ши-
ре контрольного соответственно на 7,78% (р>0,05)
и 12,53%.
Следует отметить, что диаметры каналов остеонов в период с 30 по 180 дни эксперимента
были меньше значений 1-й группы соответственно на 21,13%, 23,64%, 24,26% и 15,91%.
Сравнение полученных результатов со значениями группы Д показало, что к 7 дню ширина
диафиза достоверно не изменялась, однако ширина слоев наружных и внутренних генеральных
пластин была меньше контрольной на 13,34% и
20,32%, а остеонный слой был шире на 46,32%.
При этом диаметры остеонов и их каналов были
больше контрольных на 14,34% и 36,96% соответственно.
К 15 дню общая ширина диафиза увеличивалась на 20,63% за счет увеличения ширины слоя
внутренних генеральных пластин и остеонного
слоя (на 32,33% и 33,52%). В период с 30 по 90
дни эксперимента общая ширина диафиза была
меньше показателей группы Д соответственно на
25,72%, 25,00% и 11,51%. Причем к 30 дню сужение диафиза происходило за счет зон наружных и
внутренних генеральных пластин, а к 60 дню –
преимущественно за счет остеонного слоя. Наконец, к 180 дню слои наружных и внутренних генеральных пластин были больше контрольных на
10,12% и 10,72%, а остеонный слой уже – на
9,49%.
Диаметры остеонов и их каналов были меньше значений группы Д в период с 30 по 180 дни
наблюдения соответственно на 11,84%, 4,75%,
5,79% и 8,17% и на 35,53%, 23,80%, 18,27% и
16,85%.
Подобная динамика зонального строения
диафиза позволяет предполагать замедление темпов продольного роста ББК в группе А в сравнении с группой Д, что подтверждается нашими
предшествующими исследованиями [2]. Поскольку по данным Ch.S. Adams и соавт. [5] повышенный уровень ионов кальция и фосфора в крови
индуцирует апоптоз клеток скелета, можно предположить, что повышение концентрации данных
ионов в интрамедуллярном бассейне сопровождается ускоренным созреванием костной ткани, в
результате чего несколько тормозится аппозиционный рост ББК.
В том случае, когда в область дефекта имплантировали измельченный ДКМ (группа В), к 7 дню
эксперимента было выявлено увеличение в сравнении с показателями группы Д остеонного слоя,
а также уменьшение ширины слоя внутренних
генеральных пластин и диаметра остеонов – на
10,07% и 11,43%. К 15 дню общая ширина диафиза превосходила показатели группы сравнения
на 32,11% преимущественно за счет расширения
слоя внутренних генеральных пластин – на
71,44%. При этом диаметры каналов остеонов были меньше контрольных на 11,62%.
Позднее, в период с 30 по 90 дни общая ширина диафиза была меньше контрольной (Д) соответственно на 13,85%, 23,12% и 14,34%. Ширина слоя наружных генеральных пластин была
15
Український морфологічний альманах, 2010, Том 8, № 3
меньше контрольной в те же сроки соответственно на 39,20%, 23,76% и 19,31%, ширина остеонного слоя к 60 и 90 дням – на 28,04% и 18,14%, а ширина слоя внутренних генеральных пластин к 30 и
60 дням – на 21,57% и 17,46%. В этот же период
диаметры остеонов и их каналов были меньше
значений группы Д соответственно на 26,96%,
5,74% и 9,41% и на 32,24%, 22,34% и 11,60%
(р>0,05). К 180 дню лишь диаметры остеонов были меньше контрольных – на 9,98%.
Эти результаты соответствуют выявленным
нами ранее данным о замедлении темпов аппозиционного роста ББК при имплантации в них
ДКМ. Вероятно, это связано с наличием в ДКМ
костного морфогенетического белка, который
ускоряет дифференцировку и созревание костной
ткани [8].
Наконец, в группе С, при заполнении дефекта
комбинацией КГОА и ДКМ, к 7 дню общая ширина диафиза была меньше контрольных значений (Д) на 19,89% преимущественно за счет сужения слоев внутренних и наружных генеральных
пластин; диаметры каналов остеонов превосходили контрольные на 20,11%. К 15 дню эксперимента ширина остеонного слоя была больше показателей группы Д на 17,28%, а ширина слоя наружных генеральных пластин и диаметры остеонов
меньше на 25,58% и 18,50% соответственно. С 30
по 60 дни общая ширина диафиза была меньше
контрольной на 33,26% и 19,97%, ширина слоя
наружных генеральных пластин на 42,51% и
14,87%, ширина слоя внутренних генеральных
пластин на 32,47% и 12,35%, а ширина остеонного слоя – на 22,72% и 30,64%. Диаметры остеонов
и их каналов также были меньше контрольных –
на 23,07% и 17,86% и на 21,71% и 7,31% (р>0,05).
К 90 дню общая ширина диафиза оставалась
меньше контрольной на 8,97%, но лишь за счет
остеонного слоя. К 180 дню достоверные отличия
от 1-й и 2-йгрупп не были выявлены. Сравнение
же полученных данных с результатами группы А
показало, негативные отклонения, выявленные
при имплантации лишь КГОА при использовании сочетания КГОА и ДКМ сглаживаются.
Полученные результаты также коррелируют с
полученными ранее данными об угнетении темпов аппозиционного роста ББК в группе С. В
данном случае костный дефект заполнен комбинационным материалом, что приводит к увеличению концентрации в зоне дефекта и костного
морфогенетического протеина и ионов кальция.
Как показали наши предыдущие исследования,
процессы репаративной регенерации в данных
условиях протекают наиболее оптимально [3], однако вся ББК как орган в тех же условиях отвечает
замедлением ростовых процессов, вероятно за
счет изменений в структуре надкостницы.
Выводы:
1. Нанесение сквозного дырчатого дефекта в
проксимальных отделах диафиза большеберцовых костей при сохранении целостности костного
органа и функциональной нагрузки на конечность
сопровождается дисбалансом послойного строе-
ния середины диафиза в сравнении с контрольной группой (интактные животные), характерным
для усиления как функциональной активности
надкостницы, так и эндостальной резорбции.
2. Заполнение дефекта в проксимальных отделах диафиза большеберцовых костей различными
костно-пластическими материалами сопровождается изменениями в строении середины их диафизов, зависящими как от активности процессов репаративной регенерации в области дефекта, так и
от состава имплантированного материала.
3. В наибольшей степени и наиболее быстро
выявленные отклонения нивелируются при имплантации комбинации керамического гидроксилапатита и деминерализованного костного матрикса
Перспективы дальнейших исследований.
Для подтверждения выдвинутых предположений
будет проведено исследование микротвердости
середины диафизов большеберцовых костей в
условиях эксперимента.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Ковешников В.Г. Зональное строение эпифизарного хряща / В.Г. Ковешников // Антропогенетика, антропология, спорт. – Винница, 1980. –
Т. 2. – С. 251-252.
2. Лузин. В.И. Особенности роста большеберцовых костей белых крыс при имплантации в метадиафизарную область деминерализованного костного матрикса и керамического гидроксилапатита / В.И. Лузин, Е.П. Бережной // Український
морфологічний альманах. – 2004. – Том 2, №1. –
С.46-50.
3. Лузин В.И. Гистоморфометрическое исследование регенерации костной ткани при имплантации порошкообразной гидроксилапатитной керамики в сочетании с деминерализованным костным / В.И. Лузин, В.В. Головченко, Е.П. Бережной // Український медичний альманах. – 2001. –
Т.4, №5. – С.81-84.
4. Лузин В.И. Методика моделирования костного дефекта у лабораторных животных / В.И. Лузин, Д.В. Ивченко, А.А. Панкратьев, [и др.] //
Український медичний альманах. – 2005. – Том 8,
№2 (додаток). – С. 162.
5. Adams Ch.S. Matrix Regulation of Skeletal Cell
Apoptosis. Role of calcium and phosphate ions /
Ch.S. Adams, K. Mansfield, R.L. Perlot, and I.M.
Shapiro // J. Biol. Chem. – 2001. - Vol. 276, Issue 23.
– P. 20316-20322.
6. European convention for the protection of vertebrate animals used for experimental and other scientific purpose: Council of Europe 18.03.1986. - Strasbourg, 1986. - 52 p.
7. Luzin V.I. Growth and formation of rat tibiae
after metadiaphysis bone defect plastics / V.I. Luzin,
E.P. Berezhnoy, S.L. Kucherenko, V.V. Golovchenko
// Сalcified Tissue International. – 2004. – Vol. 74,
Suppl. 1. - S.78.
8. Rabie A.B. Vascular endothelial growth pattern
during demineralized bone matrix induced osteogenesis / A.B. Rabie // Connect Tissue Res. – 1997. –
Vol. 36, № 4. – P. 337-345.
16
Скачать