Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

EFFECT OF EXOGENOUS AND ENDOGENOUS FACTORS ON THE RATE OF CONSOLIDATION OF FRACTURES OF THE LONG BONES IN OSTEOSYNTHESIS

Popov V.P. 1, 2 Akbasheva O.E. 2 Khalbaev B.V. 2 Druzhinina T.A. 3
1 Seversk Hospital SibFNKTs FMBA of Russia
2 Siberian State Medical University
3 Experimental-industrial workshops
Цель. Изучить влияние костных имплантатов, покрытых оксидом титана и с кальций-фосфорным напылением, на содержание ТБК-активных продуктов и активность каталазы плазмы крови в условиях in vitro. Материалы и методы исследования. С металлических пластин-имплантатов, покрытых оксидом титана и с кальций-фосфатным напылением, счищали покрытие (в навесках 2 и 20 мг) и смешивали с 1 мл плазмы (практически здоровых лиц, травматологических больных с умеренной, выраженной и чрезмерной активаций перекисного окисления липидов). Инкубировали 15 мин при 37 °С, центрифугировали и в надосадочной жидкости определяли содержание ТБК-активных продуктов и активность каталазы. Результаты исследования. При умеренной и выраженной активации ПОЛ под влиянием покрытия из оксида титана наблюдается дополнительное увеличение содержания ТБК-активных продуктов на фоне дефицита каталазы, в то время как КФ-покрытие снижает уровень ТБК-активных и повышает активность каталазы в условиях in vitro. При чрезмерной активации ПОЛ биоинертные и биоактивные покрытия обладают одинаковым эффектом: уменьшают содержание ТБК-активных продуктов и повышают активность каталазы. В зависимости от концентрации порошка нанопокрытий (2 и 20 мг) не выявлено существенных отличий.
Purpose. Study the effect of bone implants coated with titanium oxide and calcium deposition on fofsfornym content of TBA-active products and catalase activity in blood plasma conditions in vitro. Materials and methods. Since metal plates implants coated with titanium oxide and calcium phosphate deposition scraped off coating (sample weights to 2 and 20 mg) and mixed with 1 mL of plasma (practically healthy persons, trauma patients with moderate and severe excessive lipid peroxidation). Incubated for 15 minutes at 37 °C, centrifuged and the supernatant liquid was determined the content of TBA-active products and catalase activity. Results of the study. In moderate to severe LPO activation under the influence of the titanium oxide coating is observed increase of additional TBA-active products against deficiency of catalase, whereas CF coating reduces TBA-active and increases in the activity of catalase in vitro. When excessive activation of LPO bioinert and bioactive coatings have the same effect: to reduce the content of TBA-active products and increase the activity of catalase. Depending on the concentration of nano-powder (2 and 20 mg) revealed no significant differences.
LPO
fractures
osteosynthesis
plate
bioinert and bioactive coatings
1. Biomaterialy i implantaty dlja travmatologii i ortopedii / T.S. Petrovskaja, V.P. Shahov, V.I. Vereshhagin, V.P. Ignatov. Tomsk: Izd-vo Tomskogo politehnicheskogo universiteta, 2011. 307 р.
2. Dinamika pokazatelej perekisnogo okislenija lipidov pri jeksperimental’noj travme oporno-dvigatel’nogo apparata / K.M. Kurajan, D.P. Berezovskij, T.G. Faleeva, I.V. Kornienko // Fundamental’nye issledovanija. 2012. no. 11 (chast’ 4). рр. 842–845.
3. Kamyshnikov, V.S. Kliniko-biohimicheskaja laboratornaja diagnostika: spravochnik: v 2 t. T. 1 / V.S. Kamyshnikov. 2 izd. Minsk: Interpres servis, 2003. 495 р.
4. Kininovaja sistema i ee uchastie v patogeneze nekotoryh hirurgicheskih zabolevanij / M.I. Kuzin, V.V. Mel’nikov, V.S. Dubnik, N.V. Beljakov // Hirurgija. 1974. no. 2. рр. 116.
5. Koroljuk, M.A. Metod opredelenija katalazy / M.A. Koroljuk, L.I. Ivanova, I.G. Majorova // Laboratornoe delo. 1988. no. 1. рр. 16–19.
6. Ksejko, D.A. Processy perekisnogo okislenija lipidov i zashhitnaja rol’ antioksidantnoj sistemy v pecheni i jeritrocitah v uslovijah krovopoteri / D.A. Ksejko, T.P. Gening // Fundametal’nye issedovanija. 2012. no. 9. рр. 304–307.
7. Legostaeva, E.V. Zakonomernosti formirovanija struktury i svojstv kal’cij fosfatnyh pokrytij na poverhnosti bioinertnyh splavov titana i cirkonij: avtoref. dis… d-ra tehn. nauk / E.V. Legostaeva. Tomsk, 2014. 34 р.
8. Osobennosti obmena kostnoj tkani pri hronicheskoj intoksikacii jelementami, soderzhashhimisja v medno-cinkovyh kolchedannyh rudah / F.H. Kamilov, E.R. Farshatova, N.V. Nurgaleev i dr. // Medicinskaja nauka i obrazovanie Urala. 2013. no. 1. рр. 76–79.
9. Engineering biocompatible implant surfaces Part I: Materials and surfaces / S. Bauer, P. Schmuki, K. Mark, J. Park // Progress in Materials Science. 2013. Vol. 58. рр. 261–326.
10. Tong, G.On. Minimally invasive plate osteosynthesis (MIPO): Concepts and cases presented by the AO East Asia. AO Manual of Fracture Management / G.On. Tong, S. Bavonratanavech. AO Foundation, Switzerland, 2006. 370 p.

При лечении переломов накостный остеосинтез имеет неоспоримые преимущества перед другими методами, основанные на точной репозиции отломков, что особенно важно при оскольчатых и внутрисуставных переломах, и жесткости фиксации, при которой отпадает необходимость внешней иммобилизации. Однако количество осложнений и неудовлетворительных результатов остается высоким и достигает 37 % [10].

Многочисленные исследования и клинические данные показали, что основной причиной осложнений являются негативные реакции, происходящие на границе «имплантат ‒ кость». При остеосинтезе интерфазный слой определяет оптимальную биомеханику и оказывает влияние на процессы регенерации костной ткани [1]. На сегодняшний день у специалистов нет сомнения в том, что степень фиксации костных отломков напрямую связана с возможностью интеграции поверхности имплантируемой конструкции с костной тканью. Известно, что лучшую фиксацию обеспечивают пористые поверхности, содержащие в своем составе кальций-фосфатные (КФ) соединения [7, 9]. Однако работ, раскрывающих патогенетические механизмы взаимодействия биоактивных имплантатов с костью при проведении остеосинтеза в различных режимах, недостаточно для полного представления о локальных и системных изменениях в организме человека.

Одним из возможных факторов, неблагоприятно влияющих на результаты остеосинтеза и способствующих замедленной консолидации переломов, рассматривают активацию свободно-радикального окисления и ингибирование антиоксидантной защиты, при которых усиливаются катаболические процессы в костной ткани со снижением её прочности [8]. Выяснение роли окислительных процессов в реализации клинических эффектов биоактивных пластин может иметь не только теоретическое, но и практическое значение.

Цель исследования заключалась в изучении влияния костных имплантатов, покрытых оксидом титана и с кальций-фосфатным напылением, на содержание ТБК-активных продуктов и активность каталазы плазмы крови в условиях in vitro.

Материалы и методы исследования

Было обследовано 30 человек с травмами опорно-двигательного аппарата (9 человек с переломом лодыжки, 7 – плеча, 11 – голени, 3 – с переломами ребер). В плазме крови определяли содержание ТБК-активных продуктов и активность каталазы стандартными унифицированными методами [3, 5]. По результатам были сформированы три пула плазмы: с умеренной, выраженной и чрезмерной активацией ПОЛ.

По 1 мл плазмы смешивали с металлической стружкой (2 и 20 мг), которую счищали скальпелем с пластин-имплантатов двух видов: покрытых оксидом титана и КФ. Инкубировали 15 мин при 37 °С, центрифугировали и в надосадочной жидкости определяли показатели ПОЛ. В качестве холостой пробы использовали 1 мл 0,9 % раствора NaCL, обработанный металлической стружкой. Контрольная группа включала 10 практически здоровых людей обоего пола в возрасте от 20 до 45 лет. Критерием отбора служило отсутствие травматических повреждений, хронических и онкологических заболеваний.

Результаты исследования и их обсуждение

При определении содержания ТБК-активных продуктов и активности каталазы плазмы крови пациентов с травматической болезнью были выявлены лица с умеренной, выраженной и чрезмерной активацией ПОЛ (табл. 1). При умеренной активации ПОЛ в плазме крови возрастало содержание ТБК-активных продуктов в 2,2 раза, при выраженной – в 3,6 раза, а при очень выраженной – в 6 раз, по сравнению с практически здоровыми лицами.

Активность каталазы, напротив, снижалась при умеренной активации ПОЛ на 55 %, при выраженной – на 18 %, а при очень выраженной – на 76 % по сравнению с контролем. Активация ПОЛ при травме связана с нарушением биохимических процессов при механической травме (мобилизация и нарушение утилизации свободных жирных кислот, накопление НАДФН2, АДФ и т.д.), которое создает предпосылки для инициации липидной пероксидации. Накопление конечных продуктов ПОЛ – окисленных жирных кислот, кетонов, альдегидов, особенно малонового диальдегида, − приводит к структурной перестройке клеточных мембран, изменению их проницаемости и в конечном итоге – гибели клеток. Предотвращают ПОЛ антиоксиданты, которые прерывают цепную реакцию образования активных форм кислорода. Как правило, повышение продуктов ПОЛ должно сопровождаться возрастанием активности ключевых ферментов антиоксидантной защиты (каталазы и СОД) [2, 4, 6]. При дефиците антиоксидантов процесс активации ПОЛ приобретает неконтролируемый характер, повреждая органы и ткани.

В условиях in vitro исследовали влияние нанопокрытий (2 мг на 1 мл плазмы) в зависимости от разного исходного уровня состояния системы «оксиданты ‒ антиоксиданты». При умеренной активации ПОЛ эффект нанопокрытий различался (табл. 2). Так под влиянием КФ-покрытия содержание ТБК-активных продуктов снижалось на 22 %, активность каталазы увеличивалась в 1,35 раз по сравнению с интактной плазмой. И, напротив, под влиянием оксида титана содержание ТБК-активных продуктов возрастало в 1,6 раз, а активность каталазы, уменьшалась и составила всего 2,9 % от интактной плазмы. Таким образом, при умеренной активации окислительных процессов покрытие с оксидом титана активирует, а КФ-покрытие – снижает ПОЛ в условиях in vitro.

Таблица 1

Содержание ТБК-активных продуктов (ТАП, мкмоль/л) и активность каталазы (мккат/л) плазмы крови при травматической болезни (X ± m)

Группы

n

ТАП

n

Каталаза

Контроль

10

1,7 ± 0,2

3

23,28 ± 0,4

Травматическая болезнь

4

3

3

3,76 ± 0,15*

6,13 ± 0,32*

10,4 ± 0,36*

4

3

3

10,4 ± 0,36*

19,06 ± 0,2*

5,5 ± 0,1*

Примечание. * – статистическая значимость отличий по сравнению с контролем, р < 0,05.

Таблица 2

Содержание ТБК-активных продуктов (мкмоль/л) и активность каталазы (мккат/л) под влиянием нанопокрытий при умеренной активации ПОЛ (X ± m)

Группы

ТБК-активные продукты

Каталаза

Плазма интактная

3,76 ± 0,15

10,4 ± 0,36

КФ-покрытие

2,93 ± 0,15 */**

14,03 ± 0,15*/**

Покрытие оксидом титана

6,26 ± 0,15*

3,16 ± 0,15*/**

Примечания:

* – статистическая значимость отличий по сравнению с контролем, р < 0,05;

** – статистическая значимость отличий между покрытиями, р < 0,05.

Таблица 3

Содержание ТБК-активных продуктов (мкмоль/л) и активность каталазы (мккат/л) под влиянием пластин при выраженной активации ПОЛ (X ± m)

Группы

ТБК активные продукты

Каталаза

Плазма интактная

6,13 ± 0,32

19,06 ± 0,2

КФ-покрытие

2,06 ± 0,30*

12,9 ± 0,1*

Покрытие оксидом титана

12,03 ± 2,25*

3,76 ± 0,15*

Примечание. * – статистическая значимость отличий по сравнению с контролем, р < 0,05.

При выраженной активации ПОЛ (табл. 3) внесение порошка КФ-покрытия в среду инкубации плазмы также приводило к снижению содержания ТБК-активных продуктов на 66 %, в то время как под влиянием оксида титана наблюдалось увеличение содержания ТБК-активных продуктов в 1,96 раз по сравнению с интактной плазмой. Активность каталазы снижалась под влиянием пластин двух видов: под влиянием КФ-покрытия на 32 %, а под влиянием оксида титана – на 80 % относительно интактной плазмы.

Таким образом, в условиях выраженной активации ПОЛ проявляется неблагоприятное влияние покрытия из оксида титана на окислительные процессы: наблюдается существенное увеличение ТБК-активных продуктов на фоне выраженного дефицита активности каталазы.

При чрезмерной активации ПОЛ (табл. 4) эффект покрытий оказался одинаковым. Добавление порошка, счищенного с КФ-покрытия или пластины оксида титана, приводило к снижению содержания ТБК-активных продуктов в среднем в 2,5–3 раза по сравнению с интактной плазмой. Активность каталазы под влиянием металлических частиц возрастала: при внесении КФ-покрытия в 1,7 раза, а при внесении оксида титана в 1,3 раза. При этом статистически значимых отличий между пластинами не выявлено (р > 0,05).

Таким образом, в условиях чрезмерной активации ПОЛ имплантаты снижают содержание ТБК-активных продуктов и повышают активность каталазы в среде инкубации с плазмой. Обнаружено, что содержание ТБК-активных продуктов существенно не зависит от концентрации порошка (табл. 5). При внесении КФ-покрытия данный показатель был ниже по сравнению с биоинертной пластиной из оксида титана. При определении активности каталазы в зависимости от дозы внесенного порошка также не выявлено статистически значимых отличий (табл. 5).

Таблица 4

Содержание ТБК-активных продуктов (мкмоль/л) и активность каталазы (мккат/л) под влиянием пластин при очень выраженной активации ПОЛ (X ± m)

Группы

ТБК-активные продукты

Каталаза

Плазма интактная

9,5 ± 0,05

5,5 ± 0,1

КФ-покрытие

3,73 ± 0,05*

9,16 ± 0,15*

Покрытие оксидом титана

3,1 ± 0,1*

7,1 ± 0,15*

Примечание. * – статистическая значимость отличий по сравнению с контролем, р < 0,05.

Таблица 5

Содержание ТБК-активных продуктов (мкмоль/л) in vitro под влиянием пластин с различным покрытием в зависимости от дозы (X ± m)

Группы

2 мг стружки

20 мг стружки

ТБК-активные продукты

КФ-покрытие

3,16 ± 0,15**

3,36 ± 0,15**

Биоинертная

7,8 ± 0,2

8,23 ± 0,4

Активность каталазы

КФ-покрытие

27,3 ± 2,08*

23,3 ± 1,5

Покрытие оксидом титана

21,33 ± 1,52

16,7 ± 0,75

Примечания:

* – статистическая значимость отличий между дозами, р < 0,05;

** – статистическая значимость отличий между пластинами, р < 0,05.

Таким образом, в зависимости от концентрации порошка в 2 или 20 мг/мл не выявлено существенных отличий в содержании ТБК-активных продуктов и активности каталазы.

Заключение

При умеренной и выраженной активации ПОЛ под влиянием покрытия из оксида титана наблюдается дополнительное увеличение содержания ТБК-активных продуктов на фоне дефицита каталазы, в то время как КФ-покрытие снижает уровень ТБК-активных и повышает активность каталазы в условиях in vitro. При чрезмерной активации ПОЛ биоинертные и биоактивные покрытия обладают одинаковым эффектом: уменьшают содержание ТБК-активных продуктов и повышают активность каталазы.

Результаты исследований свидетельствуют о положительном воздействии КФ-покрытия на процессы ПОЛ. Вероятно, это связано с особенностями строения наноразмерных биоактивных пластин по сравнению с биоинертными титановыми пластинами. Благодаря своей микроархитектонике КФ-покрытия проявляют биомедицинские свойства, в том числе, и способность влиять на процессы костеобразования. Благоприятное влияние КФ-пластин может быть связано в том числе и с восстановлением баланса системы «оксиданты ‒ антиоксиданты».

Рецензенты:

Кочетков Ю.С., д.м.н., профессор кафедры травматологии, ортопедии и ВПХ, Сибирский государственный медицинский университет, г. Томск;

Первеев В.И., д.м.н., зав. кафедрой травматологии, ортопедии и ВПХ, Сибирский государственный медицинский университет, г. Томск;

Работа поступила в редакцию 18.03.2015.