Структурные механизмы повышения порозности корковых пластинок длинных костей при чрескостном дистракционном остеосинтезе

26.05.2021

Структурные механизмы повышения порозности корковых пластинок длинных костей при чрескостном дистракционном остеосинтезе

Факт утраты костной массы корковыми пластинками при удлинениях конечности зарегистрирован методом двулучевой абсорбциометрии, что дало основание связать дистракционный остеосинтез с остеопенией и остеопорозом от неупотребления

Факт утраты костной массы корковыми пластинками при удлинениях конечности зарегистрирован методом двулучевой абсорбциометрии [8, 9], что дало основание связать дистракционный остеосинтез с остеопенией и остеопорозом от неупотребления . .the disuse osteoporosis normally associated with lengthening using an external fixator.” [15]. В специальных экспериментах иммобилизационный остеопороз достаточно подробно описан [22], однако при дистракционном остеосинтезе морфология этого процесса и его отношение к характерным для костной ткани физиологическим адаптационным механизмам [12, 13] изучены недостаточно, хотя в настоящее время [17, 10] именно дисбаланс фаз цикла ремоделирования рассматривается как общая патофизиологическая основа всех разновидностей остеопороза.

Цель. Изучить рентгеноморфологические и патогистологические эквиваленты процессов резорбции компактного вещества корковых пластинок удлиняемых костей.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Прилежащие к дистракционному диастазу участки корковых пластинок удлиненных по Илизарову костей тазовых конечностей 9 взрослых беспородных собак на сроках конец дистракции и конец фиксации в цифровых изображениях рентгенограмм, серий компьютерных томограмм и соответствующих им серий поперечных гистологических срезов.

Методы исследования: экспериментальный, рентгенологический, томографический, патогистологический, морфометрический, колориметрический, стереологический, трехмерной визуализации. Эксперименты - удлинение бедра (д. м. н. Н.А. Щудло, 5 опытов) и голени (д. м. н. С.А. Ерофеев, 4 опыта) выполнены с соблюдением всех предусмотренных соответствующими документами этических норм.

Названные группы опытов различались как топографически, так и по способу нарушения целостности соответствующих длинных костей: в первой группе осуществляли открытую поперечную остеотомию пилкой Джигли на уровне середины диафиза бедренной кости и остеосинтез аппаратом для лечения повреждений и заболеваний бедренной кости животных [7], а во второй - закрытую флексионную остеоклазию [1] в средней трети большеберцовой и остеотомию долотом у проксимального метафиза малоберцовой костей с чрескостным остеосинтезом аппаратом Илизарова (экспериментальная модель). Дистракцию с суточным темпом 0,75-1,0 мм и шагом не более 0,25 мм начинали через 3-5 суток после операции. Рентгенограммы тазовых конечностей в прямой и боковой проекциях выполняли до и после операции, перед началом дистракции и далее с одно-двухнедельным интервалом в течение всего эксперимента. Тотально весь снимок оцифровывали на АПК "ДиаМорф" (Москва) с разрешением 72 dpi (рис. 1-1).

Увеличенные изображения зон дистракционного диастаза получали в проходящем свете с разрешением 1200 dpi (рис. 1-2) на планшетном сканере HP ScanJet C7710A со слайд-адаптером в режиме автоматического баланса белого. Компьютерную томографию (КТ) проводили прижизненно на этапах экспериментов с захватом всей зоны дистракционного диастаза и прилежащих к ней торцов фрагментов большеберцовой кости. Использовали минимально возможные шаг сканирования и толщину скана - по 1,0 мм (рис. 1-3). Для предотвращения неизбежно возникающих искажений томографических изображений деталями аппарата [18] перед каждым сеансом стальные резьбовые стержни заменяли рентгенпрозрачными [3], освобождая от «железа» зону сканирования. Изображения серий КТ трансформировали в IBM-совместимый формат с помощью Siemens MagicView и транспортировали по учрежденческой компьютерной сети. Содержащиеся в томографических сканах тени корковых пластинок вырезали для их трёхмерной визуализации в программе VT-3D фирмы VideoTest (Санкт-Петербург). Костный материал - диафизы в средней трети бедренной и берцовых костей голени - после формалиновой фиксации подвергали частичной (до готовности к проводке) декальцинации. Учитывая резко выраженную продольную анизоморфность объектов [14, 16, 20], в качестве их репрезентативных двумерных эквивалентов выбраны поперечные целлоидиновые срезы (рис. 1-4), изготовленные серийно с шагом 1,0 мм между соседними уровнями [4]. Срезы окрашивали по стандартным для костных биопсий методикам: гематоксилин Вейгерта - пикрофуксин по ван Гизону, гематоксилин Карацци - эозин и Массон-трихром [2] в прописи с анилиновым голубым и бибрихским алым. Цифровые изображения препаратов получали в широком диапазоне увеличений за счет использования соответствующего приборного парка: макро-микро уровень - на планшетном сканере HP ScanJet C7710A в проходящем свете в режиме автоматического баланса белого оцифровывали стекла целиком с разрешением 300 dpi и каждый срез по отдельности с разрешением 2400 dpi (рис. 2, А); микроуровень - нужные поля зрения оцифровывали с помощью аппаратно-программного комплекса “DiaMorph” (Москва), смонтированного на большом исследовательском фотомикроскопе "Opton" (Германия), при разных увеличениях (рис. 2, Б). Часть материала обработана по модифицированной телемедицинской технологии «электронного гистологического стекла» [19]. Все изображения сохраняли как графические файлы с расширением *.bmp и транспортировали по телекоммуникационным каналам связи, включая учрежденческую компьютерную сеть, для последующего исследования с использованием описательной гистологии, компьютерной морфометрии и стереологии, описательной, параметрической и непараметрической статистики, а также колориметрического анализа [5. 6].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Изображения рентгенограмм, выполненных в стандартных проекциях, позволяли лишь приблизительно оценить результаты нарушения целостности исследуемых костей. Остеотомия пилкой Джигли позволяла получить ровные края торцов костных фрагментов (см. рис. 3).

Расположение плоскости излома при остеоклазии большеберцовых костей варьировало от косопродольного (см. рис. 1) до поперечного зигзагообразного (рис. 4); в части случаев происходил оскольчатый перелом. Детальные представления о характере излома дала лишь трёхмерная реконструкция по сериям поперечных томограмм. Компьютерные томограммы позволили также визуализировать и исследовать тесно связанные с корковыми пластинками очаги репаративного остеогенеза на уровне концов костных фрагментов, недоступные для изучения в рентгенограммах из-за эффекта Холмса (рис. 4). В частности, периваскулярный остеогенез в костномозговой полости, периостальное костеобразование с формированием костного мостика, перебрасывающегося над дистракционным диастазом, и, наконец, восстановление поверхностных слоёв временно истончённой корковой пластинки, повреждённой при флексионной остеоклазии (рис. 4, Lc).

В целом объем костных структур на уровне концов фрагментов на аппаратных этапах остеосинтеза возрастал. В то же время в гистологических срезах костей голени к концу дистракции в корковых пластинках обнаружены микродефекты -поры (см. рис. 1-4). Они характеризуются овально-округлой формой и по величине сопоставимы с рядом расположенными остеонами (рис. 5). В малоберцовой и бедренной костях поры единичны, распределены случайно, их доля в общей площади среза корковой пластинки не превышает 3 %. В большеберцовой кости к этому же сроку отмечены очаги повышенной порозности в участках, граничащих с дистракционным диастазом, и на противоположной от него стороне. Объемная плотность пор в таких очагах ~15 %, иногда - более 20 %, тогда как в остальных участках она колеблется на уровне 3-4 %. Все поры содержат в просвете кровеносные капилляры, окруженные рыхлой волокнистой соединительной тканью, а по периметру - выстилку из различных клеточных элементов. Чаще всего (более 80 %) на сроке 28 дней дистракции это остеобласты (рис. 5, зелёные стрелки) призматической формы Их базальные части погружены в секретируемый ими же остеоид. Иногда обнаруживается несколько более наружных пластинок остеона. Реже на этом сроке встречались поры на стадии реверсии процесса ремоделирования компактного вещества пластинчатой костной ткани.

В конце периода фиксации в аналогичных участках корковых пластинок фрагментов большеберцовой кости преобладали поры меньшего размера (1/3-1/2 диаметра зрелых остеонов) со стенкой из 4-5 концентрических костных пластинок и выстилкой из остеобластов низкопризматической формы; слой остеоида в таких порах занимал лишь часть периметра. Встречались также картины более продвинутого остеоногенеза с большим количеством пластинок и транформацией остеобластов в уплощенные выстилающие кость клетки. В компьютерных томограммах очаги повышенной порозности не определяются, но в построенных по сериям КТ 3D-реконструкциях обнаружены разнонаправленные остаточные деформации (рис. 6) корковых пластинок удлиняемой после флексионной остеоклазии большеберцовой кости. Эти деформации присутствуют уже на сроке 14 дней дистракции и не исчезают через 2 месяца фиксации. В то же время их не удалось найти в трёхмерных реконструкциях корковых пластинок удлиняемой после остеотомии пилкой Джигли бедренной кости (рис. 3, верхний ряд, справа).

ОБСУЖДЕНИЕ

Приведенные данные позволяют заключить, что в материнском кортикалисе удлиняемой большеберцовой кости имеет место остеокластическая резорбция матрикса с образованием резорбционных каналов, объемная плотность которых достаточна, чтобы говорить о наличии остеопении и даже остеопороза [21]. Быть может, это действительно "остеопороз от бездействия", как утверждали Little D.G. с соавторами (2001)? Чтобы ответить на этот вопрос, мы сопоставили полученные результаты с описанием иммобилизационного остеопороза (табл. 1). Как видим, обнаруженные нами признаки резорбции компактной кости не совпадают с характеристиками иммобилизационного остеопороза; основное отличие - отсутствие в наших наблюдениях дисбаланса между рассасыванием старой и образованием новой костной ткани, что характерно [11] для нормально протекающего ремоделирования.

Известно, что процесс ремоделирования развивается в участках компактного вещества кости, подвергшихся микротравматизации. Обнаруженные нами остаточные изменения формы корковых пластинок диафиза удлиняемых большеберцовых костей свидетельствуют, что изгиб вызывает не только макротравму - перелом, повреждения поверхностных слоев корковой пластинки, но и микротравмы прилежащих к перелому участков в результате их пластической деформации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нарушение целостности диафиза путем флексионной остеоклазии сопровождается пластическими деформациями на уровне перелома и микротравма-тизацией корковых пластинок, которая может служить пусковым механизмом для процесса репаративного ремоделирования. Его остеокластическая фаза к концу дистракции сменяется фазой реверсии (мононуклеары) и, далее, фазой остеогенеза (высокопризматические остеобласты, остеоид, несколько пластинок новообразующихся остеонов). Поэтому в конце этапа фиксации преобладают картины завершающегося репаративного остеоногенеза.

ЛИТЕРАТУРА

1. Илизаров ГА., Шрейнер А.А. Новый метод закрытой флексионной остеоклазии: (экспе-римент. исслед.) // Ортопедия, травматология и протезирование. 1979. № 1. С. 9-14.

2. Лилли Р. Патогистологическая техника и практическая гистохимия. М.: Мир, 1969. С. 505.

3. Способ стереологической оценки дистракционного остеогенеза, узел соединения опор ап-парата, используемый при его осуществлении: пат. 2165243 Рос. Федерация; заявл. 24.12.1996; опубл. 20.04.2001, Бюл. № 14.

4. Щудло М.М. Методические особенности стереологического анализа дистракционного ре-генерата // Гений ортопедии. 1997. № 1. С. 86.

5. Щудло М.М., Щудло Н.А. Принцип группировки оттенков аддитивного цифрового цвета в RGB-модели // Известия Челябин. НЦ (УРО РАН). 2006. № 4 (34). С. 140-144.

6. Способ визуализации и колориметрического анализа фаз минерализации костного матрикса в процессе остеогенеза: пат. 2429475 Рос. Федерация; заявл. 29.03.2010; опубл. 20.09.2011, Бюл. № 26.

7. Аппарат для лечения повреждений и заболеваний бедренной кости животных: свидетель-ство на полезную модель № 14122 Рос. Федерация; заявл. 31.12.1999; опубл. 10.07.2000, Бюл. № 19.

8. Eyres K. S., Bell M. J., Kanis J. A. New bone formation during leg lengthening. Evaluated by dual energy X-ray absorptiometry // J. Bone Jt. Surg. Br. 1993. Vol. 75-B, No. 1. P. 96-106.

9. Eyres K. S., Saleh M., Kanis J. A. Effect of pulsed electromagnetic fields on bone formation and bone loss during limb lengthening // Bone. 1996. Vol. 18, No. 6. P 505-509.

10. Feng X., McDonald J. M. Disorders of bone remodeling // Annu. Rev. Pathol. 2011. Vol. 6. P. 121-145.

11. Frost H. M. Dynamics of bone remodeling // Bone Biodynamics / Ed. H. M. Frost. Littel, Brown, Boston, 1964. P 315-333.

12. Frost H. M. Skeletal structural adaptations to mechanical usage (SATMU) : 1. Redefining Wolff’s law : the bone modeling problem // Anat. Rec. 1990. Vol. 226, No. 4. P. 403-413.

13. Frost H. M. Skeletal structural adaptations to mechanical usage (SATMU) : 2. Redefining Wolff’s law : the remodeling problem. Anat. Rec. 1990. Vol. 226, No. 4. P. 414-422.

14. Hert J., Fiala P, Petrtyl M. Osteon orientation of the diaphysis of the long bones in man // Bone. 1994. Vol. 15, No. 3. P. 269-277.

15. Intravenous pamidronate reduces osteoporosis and improves formation of the regenerate during distraction osteogenesis. A study in immature rabbits / D. G. Little [et al.] // J. Bone Jt. Surg. Br. 2001. Vol. 83-B, No. 7. P.1069-1074.

16. Petrtyl M., Hert J., Fiala P. Spatial organization of the haversian bone in man // J. Biomech. 1996. Vol. 29, No. 2. P 161-169.

17. Shapiro F. Bone development and its relation to fracture repair. The role of mesenchymal osteoblasts and surface osteoblasts // Eur. Cell Mater. 2008. Vol. 15. P. 53-76.

18. Zastosowanie tomografii komputerowej w ocenie przebudowy kostnej regeneratu po wydluzeniu konczyn metoda Ilizarowa / J. Swiatkowski [et al.] // Chir. Narzadow Ruchu Ortop. Pol. 1994. T. LIX, Suppl. 1. S. M86-190.

19. Szymas J. Telepathology, an innovative tool for versatile education and training in diagnostic pathology // Electronic J. Pathol. Histol. 2002-2003. Vol. 8, NN 1-4. P. 8.

20. Watson J., McClelland J. Distinguishing human from animal bone.

21. WHO Scientific Group on the Prevention and Management of Osteoporosis // Prevention and management of osteoporosis : report of a WHO scientific group. Geneva, Switzerland, 2003. Pdf.

22. Immobilization-associated osteoporosis in primates / D. R. Young [et al.] // Bone. 1986. Vol. 7, No. 2. P. 109-117.

Сведения об авторах:

1. Щудло Наталья Анатольевна - ФГБУ "Российский научный центр «Восстановительная травматология и ортопедия» им. акад. ГА. Илизарова" Минздравсоцразвития России, заведующая клинико-экспериментальной лабораторией реконструктивно-восстановительной микрохирургии и хирургии кисти, д. м. н.

2. Щудло Михаил Моисеевич - ФГБУ "Российский научный центр «Восстановительная травматология и ортопедия» им. акад. ГА. Илизарова" Минздравсоцразвития России, в. н. с. клинико-экспериментальной лаборатории реконструктивно-восстановительной микрохирургии и хирургии кисти, д. м. н.

Теги: чрескостный остеосинтез
234567 Начало активности (дата): 26.05.2021 18:27:00
234567 Кем создан (ID): 989
234567 Ключевые слова: корковые пластинки, пластические деформации, микротравматизация, дистракционный чрескостный остеосинтез, репаративное ремоделирование
12354567899

Структурные механизмы повышения порозности корковых пластинок длинных костей при чрескостном дистракционном остеосинтезе