Особенности микроэлементного состава костной ткани при чрескостном дистракционном остеосинтезе методом Илизарова в условиях высокогорья (экспериментальное исследование)

¹Введение. Известно, что в состав важнейших макроэлементов для организма здорового человека входят Ca, Cl, K, Mg, Nа, P, S и 70 микроэлементов [1]. Макро- и микроэлементы не синтезируются в организме, но поступают с пищевыми продуктами, водой, воздухом, при этом обмен минеральных веществ тесно связан с содержанием воды [2]. Остео-тропные макро- и микроэлементы являются важнейшими структурными составляющими костной ткани и играют важную роль в реализации регенераторной активности кости при физиологических и патологических состояниях [3, 4]. В частности, содержание железа, марганца, калия, меди, цинка, кадмия в костной ткани большеберцовых костей щенков собак в период от 2 до 6 месяцев подвержено флуктуациям [5, 6]. Элементы способны депонироваться в тканях, а по мере необходимости извлекаться в кровь. В костях скелета находится 99% всего кальция, 87% фосфора и 58% магния. Известно, что при переломах костей конечностей, такие антагонисты кальция, как Mn, Si, А1, Zn, Zr, Ti, Мо, способны непосредственно влиять на минерализацию костного регенерата [7]. Определено, что при чрескостном дистракционном остеосинтезе костей голени происходит выраженное перераспределение минералов, когда минералы вымываются из костей интактной голени и утилизируются в костях оперированной конечности [8].

Вместе с тем практически не изучен процесс перераспределения минералов при чрескостном дистракционном остеосинтезе в условиях высокогорья.

Цель: выявить особенности процесса перераспределения микроэлементов костной ткани при чре-скостном дистракционном остеосинтезе методом Илизарова в условиях высокогорья.

Материал и методы. Экспериментальные исследования проведены на 72 беспородных собаках обоего пола в возрасте 1–3 года, массой 10–15

destinations.

кг в весенне-летний период. Тридцать две собаки составили первую экспериментальную группу животных, которым посредством аппарата Илизарова удлиняли голень в условиях низкогорья в г. Бишкек. Вторая часть экспериментальных животных (32) была доставлена в п. Туя-Ашуу, расположенный на высоте 3200 м над уровнем моря, где им было проведено аналогичное оперативное вмешательство. До начала экспериментов в высокогорных условиях животные проходили адаптационный период в течение двух недель. Группу контроля составили 8 здоровых животных, проживавших в условиях низкогорной местности. Все животные содержались на стандартном полноценном рационе вивария без ограничения доступа к питьевой воде [9]. Методика оперативного вмешательства была стандартной, использованной нами в проведенных исследованиях [10].

В трубчатых костях и дистракционном регенерате изучен микроэлементный состав методом эмиссионной атомно-абсорбционной спектрографии. Исследование проводили на атомно-абсорбционном спектрофотометре AAS-1N (Германия). Содержание макро- и микроэлементов в кости и костном регенерате определяли в растворах, полученных после влажного озоления образцов в смеси азотной и хлорной кислот [11]. Атомно-абсорбционные исследования проводили по 5 аналитическим параллелям. Нормальность распределения в выборках оценивали посредством критерия Шапиро — Уилка. При обработке фактических данных вычисляли среднюю и ошибку средней, использовали параметрический критерий — t-критерий Стьюдента для непарных выборок. Уровень статистически значимых различий считали достоверным при p<0,05.

Результаты. Клинические наблюдения экспериментальных животных, которым удлиняли конечность на перевале Туя-Ашуу, выявили нестабильность зоны перелома. Животные после снятия аппарата имели щадящий стереотип движения со

Таблица 1

Содержание основных неорганических элементов в костной ткани и регенерате собак, полученном в условиях низкогорья и высокогорья (M + m)

Металл	Здоровые животные n=8	В условиях низкогорья
		5 день n=5	15 день n=5	20 день n=5	25 день n=5	35 день n=6	45-55день n=6
Mg, г%	1,50±0,01	2,05±0,01*	0,32±0,03*	0,30±0,01*	0,2±0,01*	0,54±0,01*	0,32±0,01*
Sr, мг%	3,46±0,02	0	0	0	0	0	0
Ca, г%	42,1±0,4	12,1±0,01*	28,1±0,2*	28,2±0,01*	41,3±0,2	40,9±0,12	42,9±0,4
Р, г%	41,7±0,4	8,0±0,2*	29,0±0,1*	20,7±0,1*	40,5±0,5	42,1±0,1	40,5±0,1
		В условиях высокогорья
Mg, г%	1,50±0,01	0,21±0,07*	1,50±0,12	1,51±0,16*	1,23±0,12*	0,41±0,17*	0,5±0,08*
Sr, мг%	3,46±0,02	2,3±0,1*	3,3±0,1*	2,7±0,1*	0	0	3,5±0,2*
Ca, г%	42,1±0,4	12,0±0,08*	28,6±0,7*	13,6±0,64*	5,0±0,02*	19,9±0,007*	30,2±0,14*
Р, г%	41,7±0,4	5,8±0,01*	12,1±0,05*	20,8±0,1*	24,8±0,8	29,7±0,2*	27,7±0,3*

П р и м еч а н и е : * — обозначены значения отличающиеся от здоровых животных с уровнем значимости р<0,05; 0 — значения показателя ниже уровня чувствительности прибора снижением опороспособности оперированной конечности. Кроме того, наглядно изменялась геометрия оперированной конечности, наблюдалась микроподвижность кости в зоне перелома. В связи с этим нами исследован регенерат конечности, в частности его минеральный матрикс.

Количество магния у здоровых животных составило 1,5 г%. В течение эксперимента у животных низкогорной серии наблюдалось значимо низкое содержание магния в костном регенерате. Исключение составил срок 5 дней после оперативного вмешательства, что может быть связано с резорбтивными процессами, протекающими в костной ткани, в ответ на оперативное вмешательство. В то же время у животных высокогорной серии на протяжении всего эксперимента уровень магния оставался значимо высоким и лишь на заключительных этапах не отличался от животных низкогорной серии (табл. 1). Интересным наблюдением стал тот факт, что у животных низкогорной серии на протяжении всего эксперимента количество стронция было ниже предела обнаружения прибора, в то время как у животных высокогорной серии до двадцатых суток эксперимента стронций обнаруживался в значимых количествах (см. табл. 1). Исследование основных ионов неорганического матрикса показало, что у животных низкогорной серии нарастание неорганических составляющих в регенерате было планомерным.

К 25-м суткам эксперимента количество кальция и фосфора практически не отличалось от здоровых животных (рис. 1). У животных высокогорной серии накопление фосфатов и кальция в регенерате было неоднозначным. К концу эксперимента количество основных ионов минерального матрикса кости было ниже, чем у здоровых животных, и составляло около 75% от нормы (рис. 2).

По полученным нами данным, количество меди в костном регенерате обеих экспериментальных групп на всех этапах эксперимента было ниже, чем у животных контрольной группы (табл. 2). Также наблюдалось снижение содержания этого микроэлемента в экспериментальных группах на этапах эксперимента. Количество свинца в костном регенерате обеих экспериментальных групп было ниже, чем в костной ткани здоровых животных. Представляется, что влияние этого элемента на формирование костного регенерата является незначительным, так как в рационе опытных животных отсутствовало избыточное его количество. Содержание ионов железа практически не изменялось во всех исследуемых группах животных. Данное

Рис. 1. Динамика концентрации кальция (темные столбцы) и фосфора (светлые столбцы) в процентах в дистракционном регенерате у собак в условиях низкогорья (1 — здоровые животные, 2–5-й день, 3–15-й день, 4–20-й день, 5–25-й день, 6–35-й день, 7–45-55-й день эксперимента)

Рис. 2. Динамика концентрации кальция (темные столбцы) и фосфора (светлые столбцы) в процентах в дистракционном регенерате у собак в условиях высокогорья (1-здоровые животные, 2–5-й день, 3–15-й день, 4–20-й день, 5–25-й день, 6–35-й день, 7–45-55-й день эксперимента)

Таблица 2

Содержание железа, свинца, марганца в костной ткани и регенерате собак, полученном в условиях низкогорья и высокогорья (M + m)

Металл	Здоровые животные n=8	В условиях низкогорья
		5 день n=5	15 день n=5	20 день n=5	25 день n=5	35 день n=6	45-55день n=6
Cu, мг%	3,15±0,01	2,001±0,06*	1,805±0,1*	1,501±0,1*	0,703±0,14*	1,203±0,12*	0,603±0,012*
Pb, мг%	1,30±0,09	0,301±0,07*	0,301±0,01*	0,203±0,01*	0	0	0
Fe, мг%	0,02±0,003	0,023±0,001*	0,022±0,0*	0,022±0,001*	0	0,03±0,001*	0
		В условиях высокогорья
Cu, мг%	3,15±0,11	2,003±0,001*	1,501±0,007*	2,012±0,005*	1,501±0,0012*	1,202±0,001*	0
Pb, мг%	1,305±0,09	1,205±0,016*	0,902±0,0007*	0,303±0,01*	0,502±0,001*	0	0
Fe, мг%	0,02±0,003	0,031±0,007*	0,034±0,002*	0,072±0,001*	0,013±0,0016*	0,005±0,0003*	0

П р и м еч а н и е : * — обозначены значения отличающиеся от здоровых животных с уровнем значимости р<0,05; 0 — значения показателя ниже уровня чувствительности прибора

Таблица 3

Содержание некоторых элементов в костной ткани и регенерате экспериментальных животных (M + m)

Металл	Здоровые животные n=8	В условиях низкогорья
		5 день n=5	15 день n=5	20 день n=5	25 день n=5	35 день n=6	45-55день n=6
Ti, мг%	0	0,124±0,001*	0,053±0,01*	0,053±0,001*	0,042±0,007*	0,070±0,0008*	0,121±0,0008*
Мо, мг%	0	0,501±0,02*	0	0	0	0	0
Zr, мг%	0	0,404±0,001*	0	0	0,202±0,014*	0,204±0,0014*	0,402±0,001*
Si, мг%	0,004±0,0007	0,004±0,0005	0	0	0,005±0,001*	0,007±0,0001*	0,023±0,0014*
Al, мг%	0,003±0,0	0,033±0,001	0,033±0,001*	0,024±0,001*	0	0,001±0,0003*	0,002±0,0001*
		В условиях высокогорья
Ti, мг%	0	0,074±0,001*	0,151±0,007*	0,203±0,001*	0	0,150±0,0003*	0,123±0,001*
Мо, мг%	0	0,201±0,007*	0,402±0,005*	0,402±0,001*	0	0,501±0,0005*	0,407±0,007*
Zr, мг%	0	0	0	0,401±0,0*	0	0,505±0,0016*	0,804±0,0008*
Al, мг%	0,003±0,0	0,003±0,0	0,005±0,0005*	0,003±0,0	0,003±0,0005	0,005±0,0001*	0,002±0,001*

П р и м еч а н и е : * — обозначены значения отличающиеся от здоровых животных с уровнем значимости р<0,05; 0 — значения показателя ниже уровня чувствительности прибора обстоятельство может объясняться тем, что в процессе определения железа в озоляты кости и регенерата частично попадала кровь, богатая железом.

Своеобразная динамика наблюдалась в изменении концентрации «минорных» элементов — титана, молибдена, циркония, силициума, алюминия (табл. 3). Так, если в условиях низкогорья содержание молибдена в дистракционном регенерате определялось в большинстве сроков исследования ниже уровня чувствительности прибора, то в условиях высокогорья концентрация этого микроэлемента в костном регенерате проявляла некоторую тенденцию к повышению. Следует отметить тот факт, что содержание алюминия в дистракционном регенерате экспериментальной группы высокогорья было более стабильным, чем в условиях низкогорья, где на 25-й день эксперимента наблюдалось резкое снижение данного микроэлемента.

Обсуждение. В целом полученные нами данные согласуются с литературными. Двухвалентные ионы второй группы главной подгруппы периодической системы играют важную роль в метаболизме неорганического матрикса костной ткани. Несмотря на разницу в ионном радиусе, двухвалентные ионы могут встраиваться вместо кальция в кристаллическую решетку фосфатных соединений костной ткани, меняя тем самым ее физиологические, механические и биологические свойства. Магний — обязательный компонент костей. В костной ткани магний либо ионизирован, либо в форме гидрата окиси магния сосредоточен в кристаллах гидроксиапатита. В скелете сосредоточено 50-53% общего содержания магния в организме человека. Вследствие меньшего радиуса иона и большей энергии ионизации ион Mg2+ образует более прочные связи, чем ион Са2+, и поэтому является более активным катализатором ферментативных процессов [12]. Кроме того, повышенное содержание магния в костной ткани некоторые авторы связывают с развитием остеопоротических процессов [13]. Выявленное увеличение стронция в условиях высокогорья может свидетельствовать в пользу того, что при избытке стронция меняется структура кости, подобно заболеванию Кашина — Бека, возникновение которого расценивается как результат кальциевого и микроэлементного дисбаланса [14].

Изменение показателей обмена минерального матрикса кости животных высокогорной серии можно объяснить изменением обмена кальция и фосфата на организменном уровне. Так как животные обеих опытных групп находились на одинаковом рационе питания, изменение внешних факторов среды, таких, как парциальное давление кислорода и т.п., значимо повлияло на кальциево-фосфорный обмен и обмен микроэлементов.

Переходные металлы, в частности d-элементы медь, железо и свинец, играют более значимую роль в клеточном метаболизме, нежели в обмене костного минерального матрикса. Медь и железо входят в состав энергетических ферментных комплексов. Так, медь катализирует ряд весьма существенных ферментных систем в остеогенных клетках, способствуя тем самым поддержанию уровня дифференциации. Кроме того, медь участвует в биохимических процессах как составная часть электронпереносящих белков, осуществляющих реакции окисления субстратов молекулярным кислородом. Этой ролью она обязана своим особым свойством как переходного металла. Имея два обычных состояния, она в зависимости от природы и расположения лигандов позволяет медьсодержащим белкам охватывать широкий интервал окислительно-восстановительных потенциалов, а также обратимо связывать кислород и окись углерода.

Интерпретация «минорных» элементов в костной ткани и регенерате весьма затруднительна. Безусловно, каждый из этих элементов играет свою роль в метаболизме кости, как на уровне минерального матрикса, так и на уровне метаболизма остеогенных клеток. В доступной литературе присутствует описание поведения имплантационных материалов, например титановых сплавов, однако исследований, направленных на изучение влияния ионов металлов, таких, как Мо, Zr, Al и др., на метаболизм кости практически отсутствует.

Проведенное исследование показало, что в период длительной (до 45 дней) адаптации организма к высокогорью при удлинении по Илизарову трубчатых костей в дистракционном регенерате формируются выраженные фазные изменения содержания микроэлементов. Характерным отражением фазных изменений является накопление в регенерате Ti, Mo, Zr и уменьшение содержания Pb, Sr и Fe.

Таким образом, при адаптации организма к высокогорью происходит вытеснение кальция и фосфора на фоне послеоперационной гипокальциемии, что может замедлять дистракционный остеогенез.

Выводы: