Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ОСОБЕННОСТИ МАРКЕРОВ МИНЕРАЛЬНОГО ОБМЕНА ПРИ ИМПЛАНТАЦИИ СПИЦ В ОСТЕОПОРОТИЧЕСКИ ПЕРЕСТРОЕННУЮ КОСТНУЮ ТКАНЬ

Трифонова Е.Б. 1 Ганжа А.А. 1 Гюльназарова С.В. 1 Бурматова А.Ю. 1
1 ФГБУ «Уральский НИИТО им. В.Д. Чаклина» Минздрава России
В эксперименте на самцах крыс Вистар, у которых моделировали иммобилизационный остеопороз ампутацией костей голени правой задней конечности, изучали в крови динамику кальция, неорганического фосфата, магния и остеокальцина после имплантации спиц в остеопоротически перестроенную кость. Группу сравнения составили здоровые животные аналогичного пола и возраста, которым также имплантировали спицы в голень и бедро. Сроки наблюдения всех животных – до операции и в течение 120 суток после имплантации спиц. Выявлена реакция в крови маркеров минерального обмена на металлический имплантат при иммобилизационном остеопорозе в сравнении со здоровыми животными. При иммобилизационном остеопорозе обнаружена более низкая концентрация кальция к 14 суткам наблюдения, более высокие уровни кальциемии, фосфатемии, магниемии, начиная с 30 суток; значимо более низкие уровни остеокальцина отметили в период 14–30 суток; что в целом негативно влияло на процесс остеорепарации.
минеральный обмен
иммобилизационный остеопороз
остеорепарация
1. Ганжа А.А., Кузнецова О.А. Осложнения при чрескостном остеосинтезе у пациентов с ложными суставами на фоне сопутствующего иммобилизационного остеопороза // Вестник травматологии и ортопедии Урала. – 2012. – № 3–4. – С. 57–60.
2. Кучиев А.Ю. Применение гипербарической оксигенации при лечении ложных суставов трубчатых костей, осложненных остеопорозом (экспериментально-клиническое исследование): автореф. дис. … канд. мед. наук. – Новосибирск, 2008. – 26 с.
3. Родионова С.С., Колондаев А.Ф., Солод Э.И. Комбинированное лечение переломов шейки бедренной кости на фоне остеопороза // Клинические рекомендации и алгоритмы для практикующих врачей. Хирургия. Урология. – 2004. – № 24. – С. 1388–1391.
4. Трифонова Е.Б. Метаболическая концепция иммобилизационного остеопороза // Вестник травматологии и ортопедии им. В.Д. Чаклина. – 2010. – № 3. – С. 75–80.
5. Файтельсон А.В. Фармакологическая коррекция дефицита оксида азота при экспериментальном остеопорозе и переломах на его фоне: автореф. дис. ... д-ра мед. наук. – Старая Купавна, 2013. – 48 с.
6. Энциклопедия клинических лабораторных тестов / под ред. Н.У.Тица. – М.: Лабинформ, 1997. – 960 с.
7. Bone regeneration related to calcium phosphate-coated implants in osteoporotic animal models: a meta-analysis / H.S. Alghamdi, R. Junker, E.M. Bronkhorst, J.A. Jansen // Tissue Eng Part B Rev. – 2012. – Oct. – Vol. 18(5). – P. 383–395.
8. Galli C. The importance of WNT pathways for bone metabolism and their regulation by implant topography / C. Galli, M. Piemontese, S. Lumetti [et al.] // Eur.Cell Mater. – 2012. – Jul. – Vol. 12, № 24. – P. 46–59.
9. Schafer A.L. Change in undercarboxylated osteocalcin is associated with changes in body weight, fat mass, and adiponectin: parathyroid hormone (1-84) or alendronate therapy in postmenopausal women with osteoporosis (the PaTH study) / A.L. Schafer, D.E. Sellmeyer, A.V. Schwartz [et al.] // J.Clin. Endocrinol. Metab. – 2011. – Dec. – Vol. 96(12). – E1982–9.

Проблема стабильности металлических имплантатов в костной ткани при её низкой минеральной плотности (МПК) до сих пор актуальна, что обусловлено особенностями костного ремоделирования и изменением баланса остеогенеза и остеорезорбции.

Известны проблемы при имплантировании спиц в остеопоротическую костную ткань. Так, в эксперименте отмечают значительную подвижность интрамедуллярно введенной спицы на фоне отсутствия признаков сращения, свободное перемещение спицы по костномозговому каналу, что приводило к нестабильности в зоне перелома. У половины таких животных была нарушена опороспособность конечности, так как на фоне системного остеопороза металлический имплантат дополнительно увеличивал скорость резорбции костной ткани [5]. Аналогичные данные отмечены и в клинике: при имплантации фиксаторов после травмы на фоне низкой МПК при остеопорозе усилена интенсивность костной резорбции («стрессовое» ремоделирование), что ускоряет разрушение прилежащих костных балочек и способствует нестабильности фиксации костных отломков [1, 3].

Для оптимизации процесса остеорепарации в условиях сниженной МПК интерес представляет разработка различных нанопокрытий для металлических имплантатов, использование модифицированной поверхности, что влияет на потенциал остеогенных клеток, соответственно, на локальные регуляторы остеогенеза, процессы костного ремоделирования и метаболизм костной ткани [7, 8].

Перспективной в данных условиях является коррекция нарушенного костного ремоделирования при остеопорозе, для оценки которого необходим анализ особенностей метаболизма костной ткани. В доступной литературе мы не обнаружили характеристик метаболической реакции костной ткани, в том числе минерального обмена, на имплантат в условиях низкой МПК, что и явилось целью настоящего
исследования.

Материалы и методы исследования

В эксперименте на 33 самцах крыс Вистар (возраст 3 месяца, вес 120–140 г) моделировали иммобилизационный остеопороз (ИОП) ампутацией костей голени правой задней конечности, создавая неопороспособную конечность. По данным гистоморфометрии к 90-м суткам иммобилизации у животных уже сформированы остеопоротические изменения в костной ткани [2]. После формирования ИОП животным вводили спицы в дистальный метафиз бедренной кости и проксимальный метафиз большеберцовой кости. Группу сравнения составили 32 здоровых животных того же возраста, которым также имплантированы спицы диаметром 0,8 мм из медицинской стали по аналогичной методике в голень и бедро. Сроки наблюдения: до операции, на 14, 30, 90, 120 сутки после неё. Животных содержали в условиях вивария на стандартном рационе с учетом положений международной конвенции о «Правилах работ с экспериментальными животными» (European Communities Council Directives of 24 November 1986, 86\609\EEC). В сыворотке крови иммуноферментным анализом на Stat Fax 3200 определяли концентрацию основного неколлагенового белка костной ткани – маркера минерализации – остеокальцина, на селективном биохимическом анализаторе Sapphire 400 определяли унифицированными методами концентрации кальция, неорганического фосфата и магния с использованием оригинальных тест-систем, калибраторов и контрольных материалов [6]. Статистическая обработка полученных данных выполнена с использованием непараметрического критерия Манна ‒ Уитни, результаты представлены в виде M ± m, где M – среднее значение, m – стандартное отклонение, уровень значимости – р ≤ 0,05.

Результаты исследования и их обсуждение

В сыворотке крови животных разных групп выявлена различная динамика концентрации основных макроэлементов костной ткани: кальция, неорганического фосфата и магния.

После имплантации спицы у всех крыс обнаружили снижение уровня кальциемии (табл. 1). У здоровых животных значимо низкий уровень кальция в сыворотке крови выявлен только на 14 сутки (в 1,2 раза, р ≤ 0,05), в то время как в опытной группе его концентрация значимо ниже в течение 120 суток (в 1,5–1,3 раза, р ≤ 0,05) по отношению к дооперационным значениям. При ИОП уровень кальциемии снижался только в течение 14 суток, в то время как у здоровых крыс такую динамику отметили в течение 90 суток. Кроме того, через 14 суток после имплантации спицы уровень кальция в крови опытных крыс в 1,1 раза ниже (р ≤ 0,05), а в 90 суток в 1,13 раза выше (р ≤ 0,05), чем у здоровых животных.

Таблица 1

Динамика кальциемии у крыс после имплантации спиц, ммоль/л

Группы/сроки

До операции

14 сутки после операции

30 сутки после операции

90 сутки после операции

120 сутки после операции

Здоровые животные

2,70 ± 0,39

2,27 ± 0,07^

2,12 ± 0,08

2,09 ± 0,09

2,27 ± 0,08

Животные с ИОП

3,04 ± 0,13

2,08 ± 0,06*^^

2,29 ± 0,17^

2,36 ± 0,16*^

2,3 ± 0,08^

Примечание. * – р ≤ 0,01 по отношению к здоровым животным;

^ – р ≤ 0,05 по отношению к уровню до операции;

^^ – р ≤ 0,01 по отношению к уровню до операции.

Динамика фосфатемии у здоровых и опытных крыс после имплантации спиц в костную ткань также оказалась различной (табл. 2). В группе здоровых животных не выявили существенных различий в концентрации неорганического фосфата в сыворотке крови в течение 120 суток по отношению к уровню до операции. Наоборот, у крыс с ИОП обнаружили более высокий уровень фосфатемии во все сроки наблюдения по сравнению с уровнем до операции (в 1,8–2,2–2,2–1,8 раза соответственно срокам, р ≤ 0,05), максимум концентрации неорганического фосфата отметили через месяц после имплантации. В период 90–120 суток у крыс с ИОП уровень фосфатемии значимо выше, чем у здоровых животных (в 1,5–1,2 раза соответственно срокам, р ≤ 0,05).

Таблица 2

Динамика фосфатемии у крыс после имплантации спиц, ммоль/л

Группы/сроки

До операции

14 сутки после операции

30 сутки после операции

90 сутки после операции

120 сутки после операции

Здоровые животные

1,74 ± 0,81

1,75 ± 0,32

1,82 ± 0,26

1,47 ± 0,19

1,47 ± 0,15

Животные с ИОП

1,00 ± 0,04

1,76 ± 0,31^^

2,24 ± 0,53^

2,15 ± 0,63*^

1,78 ± 0,15*^

Примечание.* – р ≤ 0,01 по отношению к здоровым животным;

^ – р ≤ 0,05 по отношению к уровню до операции;

^^ – р ≤ 0,01 по отношению к уровню до операции.

Несмотря на различную динамику кальциемии и фосфатемии у здоровых и опытных животных, изменения индекса кальций/фосфат крови в обеих группах аналогичны: снижение к 30 суткам наблюдения с последующим ростом (табл. 3). В период 90–120 суток после имплантации спиц величина данного индекса при ИОП значимо ниже (в 1,2 раза, р ≤ 0,05), по сравнению со здоровыми крысами.

Таблица 3

Динамика индекса кальций/фосфат крови крыс после имплантации спиц

Группы/сроки

До операции

14 сутки после операции

30 сутки после операции

90 сутки после операции

120 сутки после операции

Здоровые животные

2,0 ± 1,1

1,33 ± 0,18

1,19 ± 0,14

1,44 ± 0,16

1,55 ± 0,14

Животные с ИОП

3,1 ± 0,3

1,21 ± 0,20^

1,07 ± 0,24^

1,16 ± 0,22**^

1,30 ± 0,09*^

Примечание. * – р ≤ 0,01 по отношению к здоровым животным;

** – р ≤ 0,05 по отношению к здоровым животным;

^ – р ≤ 0,05 по отношению к уровню до операции.

Значимой динамики уровня магния в крови здоровых крыс нами не выявлено, в то время как у крыс с ИОП на 14 и 120 сутки отметили более низкие его концентрации по сравнению с уровнем до операции (табл. 4). В период 30–90 сутки уровень магния в крови крыс с ИОП значимо выше, чем у здоровых животных (в 1,4 раза, р ≤ 0,05). Известно, что формирование ИОП сопровождается снижением уровня магния в костной ткани [4], что способствует нестабильности кристаллов гидроксиапатита и негативно влияет на энергетический
метаболизм.

Таблица 4

Динамика магниемии у крыс после имплантации спиц, ммоль/л

Группы/сроки

До операции

14 сутки после операции

30 сутки после операции

90 сутки после операции

120 сутки после операции

Здоровые животные

0,67 ± 0,09

0,63 ± 0,08

0,68 ± 0,11

0,72 ± 0,07

0,66 ± 0,15

Животные с ИОП

0,81 ± 0,03

0,65 ± 0,06 ^

0,93 ± 0,21*

1,04 ± 0,36*

0,7 ± 0,09 ^

Примечание. * – р ≤ 0,05 по отношению к здоровым животным,

^ – р ≤ 0,05 по отношению к уровню до операции

Динамика концентрации остеокальцина в сыворотке крови опытных и здоровых крыс после имплантации спиц отличалась в период 14–30 суток (табл. 5). У здоровых животных к 14 суткам выявили тенденцию роста данного показателя в 1,2 раза по сравнению с дооперационными значениями, в то время как у опытных крыс уровень остеокальцина в крови снижен к 14 суткам в 1,6 раза (р < 0,05) по сравнению с уровнем до операции, что негативно влияло не только на активность остеогенеза, но и на регуляцию энергетического
метаболизма [9].

Таблица 5

Динамика концентрации остеокальцина в сыворотке крови крыс
после имплантации спиц, нг/мл

Группы/сроки

До операции

14 сутки после операции

30 сутки после операции

90 сутки после операции

120 сутки после операции

Здоровые животные

125,7 ± 6,2

146,6 ± 67,7

100,3 ± 19,8

105,1 ± 38,3

94,1 ± 24,1^^

Животные с ИОП

107,8 ± 30,2

67,4 ± 2,1^**

76,8 ± 6,8**

104,3 ± 28,3

73,7 ± 8,4^

Примечание. ** – р ≤ 0,01 по отношению к здоровым животным;

^ – р ≤ 0,05 по отношению к уровню до операции;

^^ – р ≤ 0,01 по отношению к уровню до операции.

В течение 120 суток после имплантации спиц концентрация остеокальцина в крови опытных крыс значимо ниже к 14 суткам в 2,2 раза и к 30 суткам в 1,3 раза по отношению к здоровым животным. Максимум концентрации остеокальцина после имплантации спиц у здоровых крыс отметили на 14 сутки, в то время как при ИОП гораздо позже – на 90 сутки.

Заключение

Таким образом, анализ полученных лабораторных данных свидетельствовал о развитии реакции минерального обмена на имплантацию спицы в условиях ИОП. Известно, что при формировании ИОП нарушается баланс процессов костного ремоделирования, с чем связываем различия в динамике кальциемии, фосфатемии, магниемии и уровня остеокальцина в крови у здоровых и опытных крыс. Значимо более высокие уровни в крови кальция, фосфата и магния, начиная с 30 суток после имплантации спицы на фоне ИОП, в сравнении со здоровыми животными, при достоверном снижении уровня остеокальцина в крови свидетельствовали о более низкой активности остеогенеза и процессов минерализации костного матрикса, негативно влияющих на репаративные процессы в костной ткани.

Рецензенты:

Мещанинов В.Н., д.м.н., профессор, заведующий кафедрой биохимии, ГБОУ ВПО УГМУ МЗ РФ, г. Екатеринбург;

Осипенко А.В., д.м.н., профессор кафедры патофизиологии, ГБОУ ВПО УГМУ МЗ РФ, г. Екатеринбург.

Работа поступила в редакцию 07.05.2014.


Библиографическая ссылка

Трифонова Е.Б., Ганжа А.А., Гюльназарова С.В., Бурматова А.Ю. ОСОБЕННОСТИ МАРКЕРОВ МИНЕРАЛЬНОГО ОБМЕНА ПРИ ИМПЛАНТАЦИИ СПИЦ В ОСТЕОПОРОТИЧЕСКИ ПЕРЕСТРОЕННУЮ КОСТНУЮ ТКАНЬ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 6-7. – С. 1428-1431;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34355 (дата обращения: 17.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074