CC BY
32
■ Орипнальы дослiдження_|ТпЯРМЯ
Original Researches I pdbMd
УДК 616.728.3-018.3-007.24-036.1-047.58 DOI: 10.22141/1608-1706.1.20.2019.158673
Ткачук П.В., Страфун С.С., Савосько С.1., Макаренко О.М. ДУ «1нститут травматологи та ортопеда НАМН Укра/ни», м. Ки/в, Укра/на Нац1ональний медичний ун1верситет ¡мен10.О. Богомольця, м. Ки/в, Укра/на
Структуры порушення колшного суглоба при моделюваны остеоартрозу
Резюме. Устатп досл1джено структурно змни капсули колнного суглоба, мен'юка й суглобово/ поверхн на модел остеоартрозу. Встановлено кровонаповнення й стаз судин капсули й ворсинок синовиально! обо-лонки, загибель клтин ворсинок, дистроф1чн1 змни хондроцитв мен'юка й еп1ф1за юсток суглоба. Дефект суглобово/ поверхн й перетин хрестопод1бно! зв'язки позначилися на товщин хряща, редукцПклтинного складу й резорбцИ субхондрально/ юстки. Зроблено висновок про участь судинного чинника в розвитку дистрофчнихi деформац1йнихзмн структурних утворень колнного суглоба при остеоартроз. Ключовi слова: остеоартроз; судини; капсула; менск; суглобовийхрящ
Вступ
Остеоартроз — хрошчне захворювання суглоба, що полягае в дистрофiчних змшах хрящових по-верхонь синовiальних суглобiв i субхондрально! шстки. Захворювання мае рiзну етюлогш, активно дослщжуеться й дискутуеться в працях, що мютять клшчш й експериментальш даш щодо вивчення особливостей розвитку остеоартрозу. Перетин пе-редньо! хрестово! зв'язки е ушверсальним способом моделювання остеоартрозу в лабораторних тварин, що призводить до пошкодження хрящiв i субхондрально! резорбцп кiстки (Hayami Т., 2006). При щй патологи можливi компенсаторна активацiя анпо-генезу (Chunyi Wen, 2014) та iшемiчнi змши тканин хряща (хряща й ыстки) (Zhang C., 2012). Судинний чинник вщграе не останню роль у патогенезi остеоартрозу. Порушення кровотоку в судинах ыстки й синовiально! оболонки призводить до некрозу судин i оточуючого хряща. Щ результати дозволили припустити, що життездатшсть епiфiзарного хряща суглоба залежить вщ адекватного кровопостачання оточуючих судин i сильно впливае на стан кровопостачання в патогенезi остеохондрозу, остеоартрозу (Carlson C.S., 1991). Показано спонтанш уражен-ня й некроз епiфiзарного хряща стегново! кiстки, що були пов'язаш з некротичними кровоносними суди-нами (Lykissas M.G., 2012). Структурно-функцю-нальнi порушення ендотелiю збшьшують тромбоз i пiдвищують ризик тромбозу, призводять до iшемiч-
ного ураження м'яких тканин, капсули суглоба й некрозу ыстково! тканини. Ендотелiальна дисфункшя в пацieнтiв iз деформуючим остеоартрозом супрово-джуеться порушенням тонусу вен нижшх кiнцiвок, що проявляеться збшьшенням дiаметра вен, !х дила-тацieю i сприяе розвитку тромботичних ускладнень пiсля ендопротезування великих суглобiв (Тлеубае-ва Н.В., 2009). Разом з тим судинний чинник е само-стшним фактором мiнералiзацi! суглобового хряща. Саме тому дослщження ролi судинних порушень у колiнному суглобi при нормi й патологГ! е актуаль-ним завданням у виршенш проблеми лiкування ос-теоартрозу.
Мета: дослщити в експериментi змiни судин капсули колшного суглоба на моделi остеоартрозу.
Матерiали та методи
Дослщження проведено на кролях вагою 3—4 кг. Остеоартроз моделювався шляхом мехашчного пошкодження суглобово! поверхнi великогомшково! кiстки. Для цього тварин наркотизували тюпента-лом натрiю в дозi 60 мг/кг (внутрiшньоочеревинно). Тварин у сташ наркотичного сну фiксували в поло-женнi на спинi. Дшянку шкiри навколо колiнного суглоба голили й зрошували бетадином (Egis, Угор-щина).
Скальпелем здшснювали доступ до колшного суглоба через медiальну поверхню, перетинали великогомiлкову зв'язку. Шляхом циркулярних
© «Травма» / «Травма» / «Trauma» («Travma»), 2019
© Видавець Заславський О.Ю. / Издатель Заславский А.Ю. / Publisher Zaslavsky O.Yu., 2019
Для кореспонденци: Страфун С.С., ДУ «1нститут травматологи та ортопедп НАМН УкраТни», вул. Бульварно-Кудрявська, 27, м. КиТв, 01601, УкраТна; e-mail: [email protected]
For correspondence: S. Strafun, State Institution "Institute of Traumatology and Orthopaedics of the NAMS of Ukraine'; Bulvarno-Kudriavska st., 27, Kyiv, 01601, Ukraine; e-mail: [email protected]
а) ^ у - ^ Л 4 - - " v- > v. ' ^ ч. ч ' Ч. ч • V ^ v г ' ' Л у |, - г 7 . ' ' ; N к ^ - ч х' - . 4 • V. - - : "> . * . * " >> ' ~ ^ ., $ jjt N б) а*- ' » • ..J*'.* ' V - ^ 4 " -' v i ' ^ ' ' - * »Л * ' , 7 - » v • г ' , ^ ' - Jt - ' т 7 А"1 л ' ,
в) Км. - V 4 Ъ ^ г; ¡й| ■
Рисунок 1. Структурн зм'ни капсули колшного суглоба. Порушена щльнсть колагенових волокон капсули, шфшьтра^я лейкоцит'в через судини капсули, збльшення товщини '¡нтими артерп: а-б) капсула; в) лейкоцити у веш; г) поява шару клтин п'щ iнтимою артерп. Гематоксил'н-еозин, х 400
а) X ^ • N ч \\ б) 4 > У о . 1 / 1 \ / * * V 4 • г* t' • 1'Щ ; t о »j * * », i . ' / SI . • : / ч * ♦ i ? Л»1
в) * ф V # Х + < * * %ФЛ • *-Л v * 'Ii ' ' • • ** i > * ■ >. _ _* • г) ^
Рисунок 2. Структуры змНи синов'альноУ оболонки капсули колшного суглоба. Р'зке кровонапов-нення й стаз мкросудин синовиально)"мембрани, редукц'я кл/тин у ворсинках: а) iнтактнi ворсинки; б) редукц'я синовюци^в; в) кровонаповнення судин синов'альноУмембрани; г) кровонаповнення судин синов'альних ворсинок. Гематоксилш-еозин, х 400
* ' 1 \ ч % v • i \l . г V J ч V \ \ i * V \ t • v . > » * \ » \ 4 v • \ 1 4 \ * 4 \ ■ J| 1 1 \ \ \ \ V \ \ \ k 4 N. > * \ », » • \ V » Km " v * » ' * \ 4 < л > • . Ч5Т» * • % 4 , • Ц, J ^ffvP.' 1 9 t* % • 1
а) б)
Рисунок 3. Структурн змни менска кол!нного суглоба: а) ¡нтактний менск; б) загибель хондроцит!в, зб!льшення об'ему лакун. Гематоксилн-еозин, х 400
Рисунок 4. Суглобова поверхня великогом'шковоi к!стки кол!нного суглоба: а) непорушена поверхня; б) дефект суглобовоi поверхш. Толу/диновий синй, х 200
оберпв модифшованою спицею Шзарова з напайкою, пошкоджувальнш частинi яко! надавався рух низькообертовим приводом, завдавали пошко-дження в центральнiй дшянщ суглобово! поверхнi. Епiфiзарну поверхню стегново! кiстки залишали iнтактною. Суглобову сумку зашивали шовним ма-терiалом 3/0. По поверхш суглобово! сумки здш-снювали термiчну коагуляцiю з метою створення репонарного iшемiчного пошкодження. Шшру на рiвнi доступу також зашивали матерiалом 3/0 i зро-шували бетадином.
Через 1,5 мюяця пiсля моделювання артрозу тва-рин виводили з експерименту шляхом швидко! де-каштацп. Здiйснювали доступ до колшного суглоба. Анатомiчнi утворення суглоба (капсулу, мешск, еш-фiз великогомшково! кiстки) фiксували протягом 3
дшв у 10% розчинi нейтрального формалшу. Пiсля фiксацii зразки промивали в проточнш водi, щоб по-збутися формалшу. Капсулу суглоба й мешски зне-воднювали й вмiщували в парапласт (Leica Surgipath Paraplast Regulär). Протокол депдратацп: етанол (в1д 70% до 100% розчину етанолу), дюксан, ксилол, ксилол/парапласт (1 : 1; 37 °С), парапласт (56 °С). Парафiновi зрiзи органiв товщиною 8—10 мкм ви-готовляли на мiкротомi Thermo Microm HM 360. Зрiзи депарафiнували, регiдратували й забарвлюва-ли гематоксилшом та еозином за стандартною методикою. Окремо видшяли епiфiз великогомiлковоi кiстки. Зразки промивали й проводили ix декальци-нацiю у розчиш OsteoFast 2 (BioGnost Ltd., Хорва-тiя) упродовж 4—5 тижшв (3 змiни декальцинуючого розчину). Шсля завершення декальцифiкацii проби
промивали водою. 3i зразкiв отримували крiозрiзи товщиною 20—25 мкм. Зрiзи забарвлювали толу1'-диновим синiм за методикою Шморля. Гiстологiчнi зрiзи вмiщували шд покривне скельце в синтетич-ний бальзам. Пстолопчш препарати дослiджували на мшроскош Olympus BX 51.
Результати та обговорення
В експериментi дослщжено структурнi утворення пошкодженого й штактного колiнного суглоба. При макроскопiчному дослщженш встановлено збшь-шення обсягу параартикулярних тканин суглобово'1 капсули. Цiлiснiсть суглобово'1' сумки (капсули) не порушена, а товщина стшки збшьшена, мае дшянки розшарування. При мiкроскопiчному дослiдженнi виявлено структурно-функцюнальш зони (шари) капсули — зовшшню фiброзну й внутрiшню синовь альну (рис. 1). Фiброзна оболонка являе собою щшь-ну волокнисту сполучну тканину, охоплюе суглоб по всьому зовшшньому контуру й переходить у перюст. Структурнi змiни фiброзного шару капсули поляга-ють у розшаруванш колагенових пучкiв, появi лакун з штерстицшною желатиноподiбною масою й змШ кровоносних судин. В окремих артерiяx встановлено зменшення просвiту за рахунок збшьшення товщи-ни штими, появи фiбробластiв у субендотелiальнiй зош судини. На противагу цьому вени й оточуюча сполучна тканина мютили значну кiлькiсть лейко-цитiв (нейтрофшв, еозинофiлiв i моноцитiв), що вказуе на 1'х iнфiльтрацiю в стшку капсули i е мор-фолопчною ознакою запалення.
Внутрiшнiй шар капсули — синовiальна оболонка — вистилае синовiальну порожнину за винятком мешска й суглобових поверхонь. У контролi й до-слiднiй групи синовiальна мембрана (оболонка) формуе ворсинки (вщростки). У дослiднiй групi у стшш й ворсинках мiкросудини рiзко кровонапов-ненi й стазованi (рис. 2), а в деяких зразках ворсинки мають загиблi кштини (синовюцити), фрагментарно позбавленi клггин. Цi змiни е проявом дистрофiчниx процесiв у синовiальнiй оболонцi капсули суглоба.
Мешски були виявленi в уих дослiджениx су-глобах через 1,5 мюяця пiсля моделювання ос-теоартрозу. Верхня, нижня й латеральна поверхня мешсшв були визначенi, а 1'х контур структурно збережений. Винятком була медiальна поверхня: вiдмiчено фрагментарне пошкодження пiсля моделювання патологи. Пстолопчна будова мешс-ка вшносно однорiдна, межi мiж верхньою, се-редньою й нижньою поверхнями нечиш. Менiск представлений хрящовою тканиною, хондрому-ко'1дом i хондроцитами. Останнi розташоваш зде-бiльшого хаотично. За морфолопею структура ме-нiска подiбна до палшового хряща, як i суглобовi поверxнi, лише в латеральнiй поверхш хондроцити формують веретеноподiбнi структури, мiж якими вiдмiчено пучки колагену. Характерною ранньою морфолопчною ознакою пошкодження мешска
при моделюванш остеоартрозу е набряк кштинних лакун, а пiзньою — загибель хондроципв i редук-щя щiльностi iзогенних груп у об'емi хондромуко!'-ду, поява пустих лакун (рис. 3).
Вiрогiдним критерiем остеоартрозу е дефект суглобово'1' поверхнi. На рис. 4 показано дефект хряща й шстки у дшянш перетину хрестоподiбноï зв'язки i пошкодження великогомшково!' кiстки. Змiни хряща полягають у зменшенш товщини, за-гибелi хондроципв, появi порожнiх лакун iзоген-них груп. Субхондральна шсткова тканина також мае вшьш лакуни, що е ознакою деструктивних змш, хоча в деяких дшянках виявлено змiну контуру шстково1 тканини у бш епiфiзарноï поверхнi за рахунок проникнення судин у глибош шари хряща й осифшацш
Отже, на основi результатiв експериментального дослiдження зроблено висновок про участь судин-ного чинника в розвитку остеоартрозу колшного суглоба. Запропонована модель остеоартрозу дозволила отримати патологш, що максимально на-ближена до патогенезу захворювання. Встановлено деформацшш й дистрофiчнi змiни суглобово'1' поверхш, змши субхондрально!' епiфiзарноï кiстки й порушення стiнки синовiальноï оболонки. Якщо структурнi основи пошкодження суглобово'1' поверхш описано в багатьох публшашях, то окремий штерес становлять результати дослщження суглобово'1' капсули. Схожi структурнi порушення хряща описано при введенш колагенази VII (Seung'Ah, 2007), натрiевоï солi монойодоцтово'1' кислоти (Baragi), дексаметазону (Вишневский, 2004), вгга-мiну А (Патент 79206, Украша), створеннi мехашч-ного дефекту й перетинанш хрестоподiбноï зв'язки (Smith, 2005; Ozkan, 2009; Batiste, 2002; Tiraloche, 2005; Jean, 2009). Але увага зосереджена головним чином на суглобовш поверхш, а змшам капсули i, головне, судинам не придшяеться достатньо уваги. Як вшомо, ысткова тканина характеризуеться висо-кою васкуляризашею, особливо епiфiзи кiсток. Тому судинна патолопя на рiвнi кiсток позначаеться на метаболiзмi епiфiзарного хряща, адже суглобова поверхня позбавлена власних судин. Такою е нормальна гiстофiзiологiя хрящово!' тканини, i '11 трофша реа-лiзуеться з субепiфiзарноï кiстки й суглобово'1' сумки, синовiальноï рiдини (Arnoldi et al., 1994). Тому порушення перфузй' судин капсули позначаеться на мета-болiзмi всього суглоба. Це пояснюють тим, що змен-шена перфузiя спричинюе застiйнi явища в судинах капсули, що супроводжуеться збшьшенням проник-ност стiнки судин, виходу плазми й розвитку штер-стицiйного набряку. Це, у свою чергу, збшьшуе вну-трiшньотканинний i суглобовий тиск, що попршуе метаболiзм хрящово!' тканини суглоба. Ознаки таких змш виявлено у власних дослшженнях: збшьшення штерстицшно1 ршини, розшарування капсули, стаз судин капсули i загибель синовюципв, що формують ворсинки синовiальноï мембрани. Цi змши оцшено як наслiдок iшемiчного пошкодження. Iшемiя при-
зводить до втрати життeздатностi клiтин суглобо-В01 стiнки, X0ндр0цитiв MeHÍCKÍB i суглобових по-верхонь, субхондрально'1 шстки. Деформацiйне пошкодженнi поверхнi великогомшково! шстки спричинило деструктивнi змiни й на рiвнi кiстки, яш полягали у формуванш порожнiх лакун, позбав-лених шсткового мозку. Це e ознакою резорбцп кiстки, на що вказують i iншi автори (Noble B.S., 2003; Cardoso L., 2009). Очевидно, що змши на рiв-ш капсули, менiска й кiстки e стадiйними й прямо залежать вщ ступеня втрати перфузй регiонарних судин. Вщповщно до цього зниження перфузй' й прогресуюча iшемiя визначають характер переб^у дистрофiчних змiн хряща суглоба.
Висновки
Результати власних дослщжень дозволили зробити висновок про те, що життездатнють епiфiзарного хряща суглоба залежить вiд адекватного кровопостачання оточуючих судин i судинний чинник впливае на патогенез остеоартрозу.
Конфлжт ÍHTepecÍB. Автори заявляють про вщ-сутнiсть конфлшту iнтересiв при пiдготовцi дано'1 статть
Список лiтератури
1. Hayami T., PickarskiM., Zhuo Y., Wesolowski G.A., Ro-dan G.A, Duong le T. Characterization of articular cartilage and subchondral bone changes in the rat anterior cruciate ligament transection and meniscectomized models of osteoarthritis // Bone. — 2006. — 38. — 234-43.
2. Chunyi Wen, Weijia William Lu, Kwong Yuen Chiu. Importance of subchondral bone in the pathogenesis and management of osteoarthritis from bench to bed // Journal of Orthopaedic Translation. — 2014. — Vol. 2, Issue 1. — P. 16-25.
3. Zhang C, Li Y, Cornelia R, Swisher S., Kim H. Regulation of VEGF expression by HIF-1a in the femoral head cartilage following ischemia osteonecrosis // Scientific Reports. — 2012. — 2. — 650. — http://doi.org/10.1038/ srep00650.
4. Carlson C.S., Meuten D.J., Richardson D.C. Ischemic necrosis of cartilage in spontaneous and experimental lesions of osteochondrosis // J. Orthop. Res. — 1991 May. — 9(3). — 317-29.
5. Lykissas M.G., Gelalis I.D., Kostas-Agnantis I.P., Vozo-nelos G, Korompilias A.V. The role of hypercoagulability in the development of osteonecrosis of the femoral head // Orthopedic Reviews. — 2012. — 4(2). — e17. — http://doi.org/10.4081/ or.2012.e17
6. Тлеубаева Н.В. Патогенетические аспекты послеоперационных тромбических осложнений при деформирующем остеоартрозе: Дис... канд. мед. наук: 14.00.16/ Тлеубаева Надежда Викторовна; [Место защиты: ТОУВПО «Кемеровская государственная медицинская академья»]. — Кемерово, 2009. — 113 с.
7. Seung'Ah Y., Bo'HyoungP., Hyung'Ju Y. etal. Calcineu-rin Modulates the Catabolic and Anabolic Activity of Chon-
drocytes and Participates in the Progression of Experimental Osteoarthritis // Arth. Rheum. — 2007. — Vol. 56, №7. — P. 2299-2311.
8. Baragi V.M., Becher G, Bendele A. M. et al. A new-class of potent matrix metalloproteinase 13 inhibitors for potential treatment of osteoarthritis: Evidence of histologic and clinical efficacy without musculoskeletal toxicity in rat models // Arth. Rheum. — 2009. — Vol. 60, № 7. — P. 20082018.
9. Вишневский В.А., Малышкина С.В. Моделирование артроза путем введения дексаметазона в коленный сустав крысы // Ортоп. травмат. протезир. — 2004. — № 4. — С. 76-80.
10. Пат. 79206, УкраЧна, МПК8 G 09 В 23/28. Споаб моделювання остеоартрозу з синовитом /Коваленко В.М., Вкторов О.П., Корж М.О., Дедух Н.В., Лисенко 1.В., за-явник i патентовласник 1нститут кардюлоги 1м. акад. М.Д. Стражеска АМН УкраЧни. — № 200510418; Заявл. 4.11.2005; Опубл. 25.05.2007; Бюл. № 7.
11. Smith G. Jr, Myers S.L., Brandt K.D. et al. Effect of intraarticular hyaluronan injection on vertical ground reaction force and progression of osteoarthritis after anterior cruciate ligament transaction // J. Rheumatol. — 2005. — Vol. 32, № 2. — P. 325-334.
12. Ozkan F.U., Ozkan K., Ramadan S., Guven Z. Chon-droprotective effect of N-acetylglucosamine and hyaluronate in early stages ofosteoarthritis — an experimental study in rabbits //Bull. NYUHosp. Jt. Dis. — 2009. — Vol. 67, № 4. — P. 352-357.
13. Batiste D.L., Kirkley A, Laverty S. et al. Exvivo characterization of articular cartilage and bone lesions in a rabbit ACL transection model of osteoarthritis using MRI and micro-CT// Osteoarth. Cartil. — 2002. — Vol. 10, № 2. — P. 145-155.
14. Tiraloche G., Girard C., Chouinard L. et al. Effect of oral glucosamine on cartilage degradation in a rabbit model of osteoarthritis // Arth. Rheum. — 2005. — Vol. 52, № 4. — P. 1118-1128.
15. Jean Y.H., Wen Z.H., Chang Y.C. et al. Intraarticular injection of the cyclooxygenase-2 inhibitor pareco-xib attenuates osteoarthritis progression in anterior cruciate ligamenttransected knee in rats: role of excitatory amino acids // Osteoarth. Cartil. — 2007. — Vol. 15, № 6. — P. 638-645.
16. Arnoldi C.C. Vascular aspects of degenerative joint disorders. A synthesis // Acta Orthop. Scand. Suppl. — 1994. — 261. — 1-82.
17. Noble B.S., Peet N, Stevens H.Y., Brabbs A., Mosley J.R., Reilly G.C., Reeve J., Skerry T.M., Lanyon L.E. Mechanical loading: biphasic osteocyte survival and targeting of osteoclasts for bone destruction in rat cortical bone // Am. J. Physiol. Cell Physiol. — 2003. — 284. — C934-43.
18. Cardoso L., Herman B.C., Verborgt O., Laudier D., Majeska R.J., Schaffler M.B. Osteocyte apoptosis controls activation of intracortical resorption in response to bone fatigue// J. Bone Miner. Res. — 2009. — 24. — 597-605.
Отримано 03.12.2018 ■
Ткачук П.В., Страфун С.С., Савосько С.И., Макаренко О.М.
ГУ «Институт травматологии и ортопедии НАМН Украины», г. Киев, Украина
Национальный медицинский университет имени А.А. Богомольца, г. Киев, Украина
Структурные нарушения коленного сустава при моделировании остеоартроза
Резюме. В статье исследованы структурные изменения капсулы коленного сустава, мениска и суставной поверхности на модели остеоартроза. Установлены кровенаполнение и стаз сосудов капсулы и ворсинок синовиальной оболочки, гибель клеток ворсинок, дистрофические изменения хондро-цитов мениска и эпифиза костей сустава. Дефект суставной поверхности и пересечение крестообразной связки сказались
на толщине хряща, редукции клеточного состава и резорбции субхондральной кости. Сделан вывод об участии сосудистого фактора в развитии дистрофических и деформационных изменений структурных образований коленного сустава при остеоартрозе.
Ключевые слова: остеоартроз; сосуды; капсула; мениск; суставной хрящ
P.V. Tkachuk, S.S. Strafun, S.I. Savosko, O.M. Makarenko
State Institution "Institute of Traumatology and Orthopedics of the National Academy of Medical Sciences of Ukraine", Kyiv, Ukraine
Bogomolets National Medical University, Kyiv, Ukraine
Structural disturbances of the knee joint while modeling osteoarthritis
Abstract. The article deals with the structural changes in the capsule of the knee joint, meniscus and articular surface on the model of osteoarthritis. Blood filling, stasis of the capsule vessels and synovial villi, villi cell death, dystrophic changes in the meniscal chondrocytes and the epiphysis of joint bones were established. Defect of the articular surface and cruciate ligament transection affected the thickness of the
cartilage, reduction of the cellular composition and resorption of the subchondral bone. It was concluded that the vascular factor is involved in the development of dystrophic and deformational changes in the structural formations of the knee joint in osteoarthritis. Key words: osteoarthritis; vessels; capsule; meniscus; articular cartilage
