Оценка риска развития остеоартроза коленного сустава при протезировании голени (пилотное экспериментально-морфологическое исследование)

Изменение механической нагрузки является индуцирующим фактором в развитии патологических процессов в суставном хряще и субхондральной кости. Это может быть проблемой после односторонней травматической ампутации нижней конечности, когда поврежденная конечность испытывает пониженные, а неповрежденная конечность, наоборот, повышенные нагрузки [1, 2, 3].

По данным работ ряда авторов, распространенность остеоартроза контралатерального коленного сустава выше в группе с ампутацией нижней конечности по сравнению с контрольной группой [4, 5].

У пациентов с ампутацией конечности ниже колена отмечают высокий риск сгибательных контрактур коленного сустава. Пролонгированное ограничение движений в суставе влечет уменьшение массы хрящей [6, 7, 8].

Остеоартроз прогрессирует до стадии, когда операция по замене сустава может быть единственным вариантом для облегчения боли и улучшения функции и качества жизни. Однако эндопротезирование сустава может быть невозможным вариантом для пациентов с ампутацией нижней конечности.

Субхондральная кость играет решающую роль в патогенезе остеоартроза [9, 10, 11]. Известно, что механическое напряжение влияет на контуры и форму субхондральной кости [12, 13, 14]. Среди анатомофункциональных особенностей постампутационных культей нижней конечности у взрослых пациентов отмечают контрактуры и формирование деформирующего артроза в вышерасположенных суставах [15].

Однако в одной из работ [16] установлено, что при использовании протезов у молодых людей с транстиби-альной ампутацией практически нет биомеханических факторов риска развития остеоартроза коленного сустава.

Фундаментальные исследования компонентов сустава в условиях восстановления функций ампутированных конечностей имеют важное значение для разработки методов функциональной реабилитации пациентов.

В настоящее время наблюдается значительный рост операций по восстановлению функций ампутированных нижних конечностей с применением технологий остеоинтеграции [17, 18, 19, 20].

Следует отметить, что до настоящего времени не было исследований влияния остеоинтеграции имплантата при восстановлении функции ампутированной нижней конечности на состояние коленного сустава.

Цель данного пилотного исследования – получение предварительных данных о риске развития остеоартроза коленного сустава при протезировании голени собак в постоперационном периоде после одноэтапной остеоинтеграции в условиях внешней фиксации и компрессионного нагружения.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследование выполнено на восьми беспородных собаках – 5-ти интактных (контрольная группа) и 3-х экспериментальных (опытная группа) в возрасте 1,8 ± 0,5 года с массой тела 19 ± 1,2 кг. Оперативное вмешательство собакам осуществляли под общим наркозом. Производили остеотомию большеберцовой кости на границе верхней и средней трети, также удаляли малоберцовую кость на этом же уровне. После чего рассверливали канал до диаметра 7 мм и забивали с помощью молотка короткими ударами имплантат типа PressFit (Патент РФ № 194912) [21] диаметром 7,5 мм, изготовленный методом селективного лазерного сплавления из порошка сплава Ti6Al4V на установке EOSINT M280. Затем производили иссечение мягких тканей на уровне скакательного сустава. В сформированном кожном лоскуте делали отверстие для выхода наружной части имплантата и моделировали культю. Мягкие ткани послойно ушили.

Фиксация имплантата и компрессионная нагрузка на кость осуществлялась специальным устройством (Патент РФ № 185647) [21], которое реализовано на базе конструктивных элементов аппарата Илизарова (рис. 1, а). Компрессионная нагрузка Fн = 20 Н задавалась на основе ранее проведенных исследований остеоинтеграции имплантата в бедренной кости кроликов [22] с перерасчетом на основе подобия масс в течение первых 42 дней после операции, после чего на срок 4 месяца устанавливался протез.

Имплантат типа PressFit (рис. 1, б) имеет заходную ступенчатую часть А с режущими зубьями Б, диаметр которых увеличивается к кольцу головки В. Режущая часть зуба обеспечивает требуемый размер отверстия в кости для калибрующей части и первичную осевую фиксацию имплантата.

К имплантату прикрепляли протез и проводили перекресты спиц, которые фиксировали в устройстве фиксации и компрессионного нагружения. Демонтаж устройства осуществляли через 6 недель. Животных выводили из опыта через 6 месяцев эксперимента.

Исследование на животных проведено согласно Европейской Конвенции по защите позвоночных животных, Директиве 2010/63/EU Европейского парламента и Совета Европейского союза по охране животных, используемых в научных целях, и СП 2.2.1.3218-14; ГОСТу 33217-2014; ГОСТу 33215-2014, одобрено внутриучрежденческим этическим комитетом (протокол № 2 (57) от 17.05.18 г.).

Рис. 1. Устройство для остеоинтеграции имплантата в культю большеберцовой кости (а): 1 – бедренная кость; 2 – субхондральная кость; 3 – большеберцовая кость; 4 – имплантат типа PressFit; 4 – устройство фиксации и компрессионного нагружения; 5 – силиконовый протез; 6 – пружина жесткости, 7 – исследованные участки суставного хряща с подлежащей субхондральной костью; конструкция имплантата (б) и внешний вид экспериментального животного (в)

Для патоморфологического исследования вскрывали коленный сустав, скальпелем с мыщелков бедра срезали суставной хрящ вместе с подлежащей субхондральной костью. Костно-хрящевые блоки фиксировали в формалине, декальцинировали в смеси муравьиной и соляной кислот, обезвоживали в спиртах, заливали в парафин и изготавливали парафиновые срезы (методы окраски: гематоксилин и эозин; трехцветный метод по Массону). Светооптическое исследование, оцифровку и морфометрию производили с помощью микроскопа «AxioScope.A1» с цифровой камерой «AxioCam» и программным обеспечением «Zenblue» (Carl Zeiss MicroImagingGmbH, Германия). Измеряли толщину (мкм, M ± m) некалицифицирован-ного (huncal.cr), кальцифицированного (hcal.cr) хряща, субхондральной костной пластики (hsubch.b.pl). Рассчитывали объемную плотность костных трабекул в субхондральной зоне (%, M ± m). Анализ данных проводили с помощью описательной статистики. Использовали непараметрический критерий Вилкоксона, достоверными считали различия при р < 0,05 (программа AtteStat, версия 9.3.1).

РЕЗУЛЬТАТЫ

В послеоперационном периоде в устройстве фиксации и компрессионного нагружения животные приступали на конечность. После снятия устройства и установки протеза функция оперированной конечности постепенно восстанавливалась. К четвертому месяцу эксперимента отмечалась хромота опирающейся конечности.

У всех опытных животных сохранено зональное строение суставного хряща и цитоархитектоника (рис. 2, а). В верхних слоях поверхностной зоны визуализировались коллагеновые волокна (рис. 2, б), что указывало на снижение в матриксе гликозаминогликанов, обеспечивающих гомогенность межклеточного вещества. Хондроциты с признаками деструкции немногочисленны и наблюдались во всех зонах хряща. Изогенные группы единичны, чаще отмечены в глубокой зоне. В большей части наблюдений базофильная линия, разделяющая некальцифицированный и кальцифицированный хрящ, хорошо визуализировалась, непрерывна на всем протяжении. Зона кальцифициро- ванного хряща неравномерной толщины, истончена. Выявлены участки, в которых отсутствовала зона кальцифицированного хряща, базофильная линия граничила с субхондральной костной пластинкой (рис. 2, в). Субхондральная костная пластинка неравномерна на всем протяжении, истончена, в отдельных участках полностью отсутствовала. В таких участках зона кальцифицированного хряща контактировала с костным мозгом. В субхондральной губчатой кости наблюдали разреженное расположение костных трабекул, ориентация нарушена, отсутствовало параллельное расположение трабекул, в межтрабекуллярных пространствах преобладал жировой костный мозг (рис. 2, а).

В одном наблюдении из трех отмечены участки, в которых полностью отсутствовали зона кальцифицированного хряща и субхондральная костная пластинка. В некальцифицированный хрящ со стороны субхондральной кости проникали сосуды и костномозговой паннус (рис. 2, г). Признаков воспаления и воспалительного инфильтрата не выявлено.

Рис. 2. Суставной хрящ мыщелка бедра. Срок эксперимента 180 суток: а – общий вид; б – демаскировка коллагеновых волокон в поверхностной зоне хряща; в – зона контакта некальцифицированного суставного хряща (НКХ) и субхондральной кости, в центре участок, где отсутствует зона кальцифицированного хряща (КХ), субхондральная костная пластинка (СбКП) истончена, нарушена архитектоника субхондральной губчатой кости (СбГК); г – базофильная линия не визуализируется, пенетрация сосудов в глубокую зону некальцифицированного хряща. Окраска трехцветным методом по Массону (а, в), гематоксилином и эозином (б, г). Увеличение 100× (а), 400× (б, в, г)

Зарегистрировано достоверное снижение всех параметров (табл. 1). Наиболее снижены параметры – толщина кальцифицированного хряща (в 2 раза) и толщина субхондральной костной пластинки (в 1,9 раза). Объемная плотность трабекул в субхондральной зоне снижалась (р = 0,0026) до 22,31 ± 5,41% относительно контроля – 46,94 ± 1,94%.

Таблица 1

Толщина хряща и субхондральной кости в опыте и контроле (мкм, M ± m)

Параметры	Опытная группа	Контрольная группа
h uncal.cr	382,46 ± 13,65 (р = 0,00657)	475,53 ± 4,27
h cal.cr	40,72 ± 3,84 (р = 0,00499)	87,89 ± 3,37
h subch.b.pl	52,68 ± 10,04 (р = 0,00507)	102,42 ± 2,81

ОБСУЖДЕНИЕ

Светооптическое исследование гистологических препаратов показало сохранность зонального строения и цитоархитектоники хряща, суставная поверхность не разволокнена. Гистоморфометрический анализ позволил выявить структурные изменения в зоне контакта суставного хряща с субхондральной костью.

Суставной хрящ и субхондральная кость – это динамические структуры, несущие нагрузку и дополняющие друг друга при функционировании сустава. Изменения структуры каждой из зон будут влиять на свойства и функции костно-хрящевого соединения [11, 23]. Субхондральная кость выполняет важные амортизирующие, поддерживающие функции и питание суставного хряща. Понятие «субхондральная кость» включает два отдельных объекта: субхондральную костную пластинку и субхондральную губчатую кость [12, 24].

В проведенном эксперименте наблюдали выраженное истончение зоны кальцифицированного хряща, субхондральной костной пластинки, нарушение архитектоники и редкое расположение трабекул в субхондральной губчатой кости, снижение объемной плотности трабекул в 2,1 раза. В одном наблюдении отмечено проникновение сосудов и костномозгового паннуса в некальцифицированный хрящ.

Изменения структуры субходральной кости отражаются на ее механической прочности, в цикле костно- го ремоделирования доминируют процессы резорбции, впоследствии это ведет к нарушению непрерывности базофильной линии, проникновению сосудов в некаль-цифицированный хрящ со стороны субхондральной кости [10, 11]. Проникновение сосудистых элементов в кальцинированный хрящ в местах образования микротрещин и трещин костно-хрящевого соединения инициируют процессы деструкции и кальцификации не-кальцифицированного хряща [25].

Среди анатомо-функциональных особенностей постампутационных культей нижней конечности у взрослых пациентов отмечают контрактуры и формирование деформирующего артроза в вышерасположенных суставах [26].

Полученные в данном исследовании результаты указывают на то, что выявленные изменения структуры субхондральной костной пластинки и субхондральной губчатой кости, возможно, являются инициирующими факторами дальнейшей деструкции суставного хряща.

Исследование носило пилотный характер. Ограничение выполненного исследования – относительно малая выборка (три опытных собаки), однако выявленная нами тенденция к истончению зоны кальцифицированного хряща и субхондральной костной пластинки согласуется с данными о роли субхондральной кости в патогенезе деструкции суставного хряща [27, 28, 29, 30].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном пилотном исследовании при экспериментальном протезировании голени у собак выявленные в коленном суставе структурные изменения зоны контакта суставного хряща и субхондральной кости свидетельствуют о риске развития остеоартроза.

Полученные предварительные данные о структурных изменениях зоны контакта суставного хряща и субхондральной кости важны для планирования дальнейших этапов исследования на большей выборке животных.