Проблема стабильности металлических имплантатов в костной ткани при её низкой минеральной плотности (МПК) до сих пор актуальна, что обусловлено особенностями костного ремоделирования и изменением баланса остеогенеза и остеорезорбции.

Известны проблемы при имплантировании спиц в остеопоротическую костную ткань. Так, в эксперименте отмечают значительную подвижность интрамедуллярно введенной спицы на фоне отсутствия признаков сращения, свободное перемещение спицы по костномозговому каналу, что приводило к нестабильности в зоне перелома. У половины таких животных была нарушена опороспособность конечности, так как на фоне системного остеопороза металлический имплантат дополнительно увеличивал скорость резорбции костной ткани [5]. Аналогичные данные отмечены и в клинике: при имплантации фиксаторов после травмы на фоне низкой МПК при остеопорозе усилена интенсивность костной резорбции («стрессовое» ремоделирование), что ускоряет разрушение прилежащих костных балочек и способствует нестабильности фиксации костных отломков [1, 3].

Для оптимизации процесса остеорепарации в условиях сниженной МПК интерес представляет разработка различных нанопокрытий для металлических имплантатов, использование модифицированной поверхности, что влияет на потенциал остеогенных клеток, соответственно, на локальные регуляторы остеогенеза, процессы костного ремоделирования и метаболизм костной ткани [7, 8].

Перспективной в данных условиях является коррекция нарушенного костного ремоделирования при остеопорозе, для оценки которого необходим анализ особенностей метаболизма костной ткани. В доступной литературе мы не обнаружили характеристик метаболической реакции костной ткани, в том числе минерального обмена, на имплантат в условиях низкой МПК, что и явилось целью настоящего
исследования.

Материалы и методы исследования

В эксперименте на 33 самцах крыс Вистар (возраст 3 месяца, вес 120–140 г) моделировали иммобилизационный остеопороз (ИОП) ампутацией костей голени правой задней конечности, создавая неопороспособную конечность. По данным гистоморфометрии к 90-м суткам иммобилизации у животных уже сформированы остеопоротические изменения в костной ткани [2]. После формирования ИОП животным вводили спицы в дистальный метафиз бедренной кости и проксимальный метафиз большеберцовой кости. Группу сравнения составили 32 здоровых животных того же возраста, которым также имплантированы спицы диаметром 0,8 мм из медицинской стали по аналогичной методике в голень и бедро. Сроки наблюдения: до операции, на 14, 30, 90, 120 сутки после неё. Животных содержали в условиях вивария на стандартном рационе с учетом положений международной конвенции о «Правилах работ с экспериментальными животными» (European Communities Council Directives of 24 November 1986, 86\609\EEC). В сыворотке крови иммуноферментным анализом на Stat Fax 3200 определяли концентрацию основного неколлагенового белка костной ткани – маркера минерализации – остеокальцина, на селективном биохимическом анализаторе Sapphire 400 определяли унифицированными методами концентрации кальция, неорганического фосфата и магния с использованием оригинальных тест-систем, калибраторов и контрольных материалов [6]. Статистическая обработка полученных данных выполнена с использованием непараметрического критерия Манна ‒ Уитни, результаты представлены в виде M ± m, где M – среднее значение, m – стандартное отклонение, уровень значимости – р ≤ 0,05.

Результаты исследования и их обсуждение

В сыворотке крови животных разных групп выявлена различная динамика концентрации основных макроэлементов костной ткани: кальция, неорганического фосфата и магния.

После имплантации спицы у всех крыс обнаружили снижение уровня кальциемии (табл. 1). У здоровых животных значимо низкий уровень кальция в сыворотке крови выявлен только на 14 сутки (в 1,2 раза, р ≤ 0,05), в то время как в опытной группе его концентрация значимо ниже в течение 120 суток (в 1,5–1,3 раза, р ≤ 0,05) по отношению к дооперационным значениям. При ИОП уровень кальциемии снижался только в течение 14 суток, в то время как у здоровых крыс такую динамику отметили в течение 90 суток. Кроме того, через 14 суток после имплантации спицы уровень кальция в крови опытных крыс в 1,1 раза ниже (р ≤ 0,05), а в 90 суток в 1,13 раза выше (р ≤ 0,05), чем у здоровых животных.

Таблица 1

Динамика кальциемии у крыс после имплантации спиц, ммоль/л

Примечание. * – р ≤ 0,01 по отношению к здоровым животным;

^ – р ≤ 0,05 по отношению к уровню до операции;

^^ – р ≤ 0,01 по отношению к уровню до операции.

Динамика фосфатемии у здоровых и опытных крыс после имплантации спиц в костную ткань также оказалась различной (табл. 2). В группе здоровых животных не выявили существенных различий в концентрации неорганического фосфата в сыворотке крови в течение 120 суток по отношению к уровню до операции. Наоборот, у крыс с ИОП обнаружили более высокий уровень фосфатемии во все сроки наблюдения по сравнению с уровнем до операции (в 1,8–2,2–2,2–1,8 раза соответственно срокам, р ≤ 0,05), максимум концентрации неорганического фосфата отметили через месяц после имплантации. В период 90–120 суток у крыс с ИОП уровень фосфатемии значимо выше, чем у здоровых животных (в 1,5–1,2 раза соответственно срокам, р ≤ 0,05).

Таблица 2

Динамика фосфатемии у крыс после имплантации спиц, ммоль/л

Примечание.* – р ≤ 0,01 по отношению к здоровым животным;

^ – р ≤ 0,05 по отношению к уровню до операции;

^^ – р ≤ 0,01 по отношению к уровню до операции.

Несмотря на различную динамику кальциемии и фосфатемии у здоровых и опытных животных, изменения индекса кальций/фосфат крови в обеих группах аналогичны: снижение к 30 суткам наблюдения с последующим ростом (табл. 3). В период 90–120 суток после имплантации спиц величина данного индекса при ИОП значимо ниже (в 1,2 раза, р ≤ 0,05), по сравнению со здоровыми крысами.

Таблица 3

Динамика индекса кальций/фосфат крови крыс после имплантации спиц

Примечание. * – р ≤ 0,01 по отношению к здоровым животным;

** – р ≤ 0,05 по отношению к здоровым животным;

^ – р ≤ 0,05 по отношению к уровню до операции.

Значимой динамики уровня магния в крови здоровых крыс нами не выявлено, в то время как у крыс с ИОП на 14 и 120 сутки отметили более низкие его концентрации по сравнению с уровнем до операции (табл. 4). В период 30–90 сутки уровень магния в крови крыс с ИОП значимо выше, чем у здоровых животных (в 1,4 раза, р ≤ 0,05). Известно, что формирование ИОП сопровождается снижением уровня магния в костной ткани [4], что способствует нестабильности кристаллов гидроксиапатита и негативно влияет на энергетический
метаболизм.

Таблица 4

Динамика магниемии у крыс после имплантации спиц, ммоль/л

Примечание. * – р ≤ 0,05 по отношению к здоровым животным,

^ – р ≤ 0,05 по отношению к уровню до операции

Динамика концентрации остеокальцина в сыворотке крови опытных и здоровых крыс после имплантации спиц отличалась в период 14–30 суток (табл. 5). У здоровых животных к 14 суткам выявили тенденцию роста данного показателя в 1,2 раза по сравнению с дооперационными значениями, в то время как у опытных крыс уровень остеокальцина в крови снижен к 14 суткам в 1,6 раза (р < 0,05) по сравнению с уровнем до операции, что негативно влияло не только на активность остеогенеза, но и на регуляцию энергетического
метаболизма [9].

Таблица 5

Динамика концентрации остеокальцина в сыворотке крови крыс
после имплантации спиц, нг/мл

Примечание. ** – р ≤ 0,01 по отношению к здоровым животным;

^ – р ≤ 0,05 по отношению к уровню до операции;

^^ – р ≤ 0,01 по отношению к уровню до операции.

В течение 120 суток после имплантации спиц концентрация остеокальцина в крови опытных крыс значимо ниже к 14 суткам в 2,2 раза и к 30 суткам в 1,3 раза по отношению к здоровым животным. Максимум концентрации остеокальцина после имплантации спиц у здоровых крыс отметили на 14 сутки, в то время как при ИОП гораздо позже – на 90 сутки.

Заключение

Таким образом, анализ полученных лабораторных данных свидетельствовал о развитии реакции минерального обмена на имплантацию спицы в условиях ИОП. Известно, что при формировании ИОП нарушается баланс процессов костного ремоделирования, с чем связываем различия в динамике кальциемии, фосфатемии, магниемии и уровня остеокальцина в крови у здоровых и опытных крыс. Значимо более высокие уровни в крови кальция, фосфата и магния, начиная с 30 суток после имплантации спицы на фоне ИОП, в сравнении со здоровыми животными, при достоверном снижении уровня остеокальцина в крови свидетельствовали о более низкой активности остеогенеза и процессов минерализации костного матрикса, негативно влияющих на репаративные процессы в костной ткани.

Мещанинов В.Н., д.м.н., профессор, заведующий кафедрой биохимии, ГБОУ ВПО УГМУ МЗ РФ, г. Екатеринбург;

Осипенко А.В., д.м.н., профессор кафедры патофизиологии, ГБОУ ВПО УГМУ МЗ РФ, г. Екатеринбург.

Работа поступила в редакцию 07.05.2014.