The effects of tibia fracture on robustness of the humerus in pre-senile rats with streptozotocin-induced diabetes

Сахарный диабет представляет собой заболевание характеризующееся нарушением углеводного обмена в организме, что проявляется повышенным уровнем глюкозы в крови [13].

Сахарный диабет 1-го типа возникает у молодых людей при аутоиммунном разрушении секретирующих инсулин β-клеток и других врожденных (генетические дефекты функционирования поджелудочной железы) или приобретенных (рецидивирующий панкреатит) состояниях.

Сахарный диабет 2-го типа чаще встречается у взрослых и составляет около 90 % всех случаев диабета. При диабете 2-го типа организм в недостаточной степени использует вырабатываемый им инсулин [9]. Латентный аутоиммунный диабет у взрослых характеризуется наличием островковых аутоантител и инсулиновой недостаточностью, что зачастую приводит к постановке неверного диагноза сахарного диабета 2-го типа. Примерно у 10 % пациентов с сахарным диабетом 2-го типа выявляют латентный аутоиммунный диабет, который определяется поздним началом (в возрасте старше 30 лет), и количество таких больных постоянно увеличивается [10].

Сахарный диабет любой этиологии вызывает нарушения всех видов обмена веществ, что приводит к развитию большого количества осложнений, проявляющихся как по отдельности, так и одновременно. К осложнениям сахарного диабета относят кетоацидоз, лактацидоз, гиперосмолярную кому, диабетическую ретинопатию, микро- и макроангиопатию, полинейропатию, нефропатию и многие другие, в том числе остеопению и остеопороз, сопровождающиеся низкоэнергетическими переломами костей [13].

Морфогенез скелета при сахарном диабете 2-го типа изучен достаточно подробно, однако структурно-функциональное состояние костей при сахарном диабете 1-го типа и латентном аутоиммунном диабете у взрослых изучено фрагментарно [7]. Недостаточно внимания в исследованиях уделяется морфогенезу костей скелета после переломов одной из костей на фоне диабета, особенно у пожилых людей.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Установить динамику изменения прочностных свойств плечевой кости у крыс предстарче-ского возраста со стрептозотоцин-индуциро-ванным диабетом после хирургической перфорации большеберцовых костей.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В исследовании было задействовано 140 белых крыс предстарческого возраста в возрасте при вступлении в эксперимент 17–18 месяцев массой 290–300 г, находящихся на содержании в виварии «Луганского государственного медицинского университета имени Святителя Луки». Животных содержали в условиях 12-часового дневного освещения при температуре 20–22 ºС и влажности 60–80 % и обеспечивали свободный доступ к пище и воде в течение 7 дней перед экспериментом. Крыс случайным образом разделили на четыре группы. Сахарный диабет индуцировали однократным внутрибрюшинным введением стрептозотоцина (Sigma-Aidrich, США) в дозе 55 мг/кг, растворенного в 0,1 М цитратном буфере с рН = 4,5 перед манипуляцией и дозировали из расчета 2 мл/кг (35 крыс) [4]. Поскольку после иньекции стрептозотоцина из-за массивного некроза ß-клеток поджелудочной железы манифестирует гиперинсулине-мия, крысам обеспечивали доступ к достаточному количеству комбикорма, а питьевую воду в первые сутки после иньекции заменяли достаточным количеством 20%-го водного раствора сахарозы, а на вторые-третьи сутки – 10%-м водным раствором сахарозы. С четвертых суток животные переводились на обычную питьевую воду. Через трое суток после инъекции диабетический статус каждого животного подтверждался путем измерения уровней глюкозы в крови из хвостовой вены, взятых через шесть часов после приема пищи. Уровень глюкозы анализировали с помощью глюкозоокси-дазного метода [2], используя стандартные наборы реактивов CORMAY LDL DIRECT (Польша), и выражали в ммоль/л сыворотки крови. В исследование в дальнейшем были включены только крысы с уровнем глюкозы в крови ≥ 12 ммоль/л. Хирургическую перфорацию большеберцовых костей диаметром 2,0 мм при эфирной анесте- зии производили в проксимальном метадиафизе большеберцовых костей (35 крыс) [3]. Части животных (35 крыс) перфорацию большеберцовых костей производили после индуцирования сахарного диабета. Контролем служили интактные животные (35 крыс). Точкой отсчета начала эксперимента считали время введения стреп-тозотоцина либо ему соответствующее.

Биомеханический анализ плечевых костей выполняли с использованием техники трехточечного изгиба при скорости нагружения 10 мкм/мин, по кривым смещения нагрузки рассчитывали прочностные характеристики (минимальную работу разрушения кости, удельную стрелу прогиба, модуль упругости и предел прочности) [1]. Для каждой группы рассчитывались среднее значение и стандартные ошибки, для сравнения между группами использовался двусторонний Т-критерий Стьюдента при уровне значимости р < 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

У контрольных животных старческого возраста за время наблюдения прочность плечевых костей постепенно снижалась, а жесткость увеличивалась, о чем свидетельствует уменьшение удельной стрелы прогиба – с (3,15 ± 0,06) мкМ/Н до (2,90 ± 0,06) мкМ/Н (см. табл.). Поскольку значение модуля упругости также уменьшилось с (5,79 ± 0,08) ГПа до (5,10 ± 0,07) ГПа, можно утверждать, что возросла и хрупкость плечевой кости. Остальные показатели, определяющие прочность плечевой кости за время наблюдения, также снизились: предел прочности – с (167,39 ± 3,11) ГПа до (149,99 ± 2,32) ГПа, а минимальная работа разрушения кости – с (106,61 ± 1,52) мДж до (93,20 ± 1,64) мДж.

Старение костной системы характеризуется низким уровнем образования костной ткани, высоким уровнем апоптоза остеобластов и остеоцитов, увеличением активности резорбтивных процессов и потерей костной массы, что приводит к снижению прочности костей в условиях сенильного остеопороза [5].

Хирургическая перфорация большеберцовых костей крысам предстарческого возраста приводила к снижению прочности плечевых костей в диапазоне с 7-х по 90-е сутки после операции.

Ранее всего изменялись показатели, характеризующие прочность кости как материала: значения предела прочности и модуля упругости с 7-х по 90-е сутки после операции отставали от значений контроля на 7,49; 10,33; 11,67; 11,16 и 6,92 % и на 8,37; 12,27; 11,24; 11,63 и 9,80 % соответственно. Параллельно с этим минимальная работа разрушения кости с 15-х по 90-е сутки была ниже контроля на 8,77; 11,18; 12,99 и 7,47 % соответственно. Удельная стрела прогиба, наоборот, с 30-х по 90-е сутки после операции превышала контрольные показатели на 9,38; 13,71 и 7,30 % соответственно.

Биомеханические характеристики плечевых костей белых крыс предстарческого возраста в зависимости от вида воздействия и длительности эксперимента (X ± Sx)

Группа	Сроки	Уд. стрела прогиба, мкМ/Н	Предел прочности, ГПа	Модуль упругости, ГПа	Работа разрушения, мДж
Контроль	7	3,15 ± 0,06	167,39 ± 3,11	5,79 ± 0,08	106,61 ± 1,52
	15	3,08 ± 0,05	166,00 ± 2,60	5,57 ± 0,08	104,93 ± 2,05
	30	3,03 ± 0,06	161,49 ± 2,80	5,36 ± 0,07	102,75 ± 1,48
	60	2,85 ± 0,12	157,47 ± 2,85	5,24 ± 0,07	99,71 ± 1,64
	90	2,90 ± 0,06	149,99 ± 2,32	5,10 ± 0,07	93,20 ± 1,64
Дефект	7	3,13 ± 0,05	154,85 ± 2,30*	5,30 ± 0,06*	103,12 ± 1,80
	15	3,21 ± 0,07	148,85 ± 2,23*	5,05 ± 0,08*	95,72 ± 1,41*
	30	3,32 ± 0,05*	142,65 ± 2,21*	4,76 ± 0,08*	91,26 ± 2,03*
	60	3,25 ± 0,07*	139,90 ± 2,25*	4,63 ± 0,08*	87,73 ± 2,00*
	90	3,11 ± 0,06*	139,61 ± 2,12*	4,60 ± 0,07*	86,23 ± 1,37*
Стрептозото-цин	7	3,11 ± 0,05	158,14 ± 2,37*	5,51 ± 0,08*	104,36 ± 1,75
	15	3,02 ± 0,05	157,97 ± 2,35*	5,48 ± 0,08*	99,07 ± 1,56*
	30	2,84 ± 0,04*	149,77 ± 2,49*	4,98 ± 0,09*	96,51 ± 1,69*
	60	2,59 ± 0,04	136,64 ± 2,06*	4,86 ± 0,08*	92,92 ± 1,69
	90	2,57 ± 0,04*	130,41 ± 2,52*	4,74 ± 0,07*	85,83 ± 1,91*
Дефект + Стреп-тозотоцин	7	3,08 ± 0,04	156,82 ± 2,97*	5,37 ± 0,06*	102,90 ± 2,14
	15	2,99 ± 0,04^	145,77 ± 2,30*	5,23 ± 0,07*	93,52 ± 1,78*
	30	2,83 ± 0,04*^	141,18 ± 2,48*	4,66 ± 0,07*	87,20 ± 1,51*
	60	2,84 ± 0,05^	132,23 ± 1,93*^	4,32 ± 0,13*	78,36 ± 3,86*
	90	2,74 ± 0,03*^	129,52 ± 2,16*^	4,38 ± 0,07*^	80,75 ± 1,52*^

Примечание: * – обозначает статистически значимое отличие от контрольной группы (р ≤ 0,05); ^ – обозначает статистически значимое отличие от группы с перфорацией большеберцовых костей (р ≤ 0,05).

Это является отражением реакции на хирургическую перфорацию большеберцовых костей с задействованием метаболических и иммунных механизмов, направленной на обеспечение процессов остеорепарации. Одними из звеньев данной реакции являются развитие окислительного стресса и увеличение активности резорбтивных процессов [11, 12].

При стрептозотоцин-индуцированном диабете у крыс предстарческого возраста также регистрировалось снижение механической прочности плечевой кости: во все сроки наблюдения предел прочности и модуль упругости были меньше контрольных значений на 5,53; 4,84; 7,26; 13,22; 13,05 % и на 4,89; 4,77; 7,09; 7,30; 7,19 % соответственно. Это свидетельствует об изменении физико-химических свойств и минерального, и органического компонента кости как материала.

Изменения минимальной работы разрушения кости проявлялись несколько позже: этот по- казатель был меньше контроля с 15-х по 90-е сутки на 5,58, 6,07, 6,82 и 7,90 % соответственно. Удельная стрела прогиба была меньше значений контроля с 30-х по 90-е сутки на 6,36; 10,11 и 11,29 % соответственно, что свидетельствует о нарастании хрупкости плечевых костей.

При стрептозотоцин-индуцированном диабете основными факторами, оказывающими повреждающее влияние на скелет, являются гипергликемия, приводящая к накоплению конечных продуктов гликирования [6], гипоинсу-линемия и аутоиммунное воспаление [8].

Эти агенты нарушают формирование остеобластами межклеточного вещества и провоцируют снижение минеральной плотности кости [9], что и приводит к снижению прочности.

Конечные продукты гликирования, кроме того, способствуют образованию поперечных сшивок между молекулами костного коллагена кости, а также взаимодействуют со своими специфическими рецепторами, способствуя увели- чению уровня окислительного стресса и воспаления [4]. Это также может вносить вклад в понижение прочности плечевых костей у крыс предстарческого возраста с стрептозотоцин-индуцированным диабетом.

Сочетание перфорации большеберцовых костей и стрептозотоцин-индуцированного диабета приводило к усугублению нарушений прочности плечевых костей по отношению к группе, где хирургическая перфорация большеберцовых костей производилась без диабета, с 15-х суток эксперимента. Удельная стрела прогиба с 15-х по 90-е сутки была меньше значений сравнения на 6,90; 14,61; 12,41 и 11,99 % соответственно. Значение предела прочности к 60-м и 90-м суткам также отставало от контроля на 5,48 и 7,23 %, а модуль упругости и минимальная работа разрушения кости к 90-м суткам – на 4,78 и 6,36 % соответственно.

Вероятно, что при проведении перфорации большеберцовых костей в условиях стреп-тозотоцин-индуцированного диабета прогрессирует нарастание уровней конечных продуктов гликирования и окислительного стресса, что приводит к более грубым повреждениям в скелете и снижению прочности костей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из полученных данных следует, что у контрольных животных предстарческого возраста прочность плечевых костей в ходе наблюдения понижается, что является отражением развития сенильного остеопороза.

Хирургическая перфорация большеберцовых костей у крыс предстарческого возраста сопровождается снижением биомеханической прочности плечевых костей, которое выражено с 7-х по 90-е сутки после операции и нарастает с увеличением длительности эксперимента.

Стрептозотоцин-индуцированный диабет у крыс предстарческого возраста сопровождается снижением прочности и пластичности плечевых костей с 7-х суток, которое постепенно прогрессирует в дальнейшем.

Сочетание перфорации большеберцовых костей и стрептозотоцин-индуцированного диабета сопровождается манифестацией снижения прочности плечевых костей в сравнении с группой, где дефект наносился без диабета, выраженной в период с 15-х по 90-е сутки эксперимента; с увеличением длительности эксперимента выявленные отклонения нарастают.