15.07.2025

Ремоделирование суставного хряща и субхондральной зоны большеберцовой кости при экзопротезировании конечности

 Ремоделирование костной ткани выражалось истончением субхондральной костной пластинки, остеолизисом, изменением архитектоники костных трабекул в субхондральной трабекулярной кости, снижением минерализации костной ткани

ВВЕДЕНИЕ

Экзопротезирование конечностей путем остеоинтеграции обеспечивает физиологическую весовую нагрузку, остеоперцептивную сенсорную обратную связь, улучшенный диапазон движений в проксимальном суставе, что способствует созданию полнофункциональной искусственной конечности и открывает новые возможности протезирования [1-3]. Современные протезы становятся все более сложными и высокотехнологичными, требуя глубокого понимания анатомо-функциональных особенностей костно-суставной системы [4-6]. Изучение структурной реорганизации основных элементов смежного сустава при протезировании имеет большое значение для разработки реабилитационных программ, направленных на улучшение качества жизни пациентов.

В проведенных ранее исследованиях при одноэтапной технологии протезирования голени отмечена стабильность и приживаемость имплантата типа Press-Fit с костеобразованием по всей длине [7], при этом в смежном суставе выявлены структурные изменения мыщелков бедра в зоне контакта гиалинового хряща с субхондральной костью [8]. Многочисленные работы последних лет демонстрируют всё больше доказательств первостепенности патологических изменений в субхондральной кости при развитии артроза [9-11]. На сегодняшний день существует острая необходимость в разработке способов визуализации и гистологической количественной оценки процессов ремоделирования субхондральной зоны [12, 13].

Изучение процессов остеоинтеграции имплантатов направлено на улучшение контакта между костной тканью и имплантатом путем воздействия на состав имплантата и микроструктуру его поверхности [14, 15], на регенерирующую на поверхности имплантата костную ткань [16], а также нанесением лекарственных и биологически активных веществ на поверхность имплантата [17, 18].

Цель работы — выявить особенности структурной реорганизации суставного хряща и субхондральной зоны большеберцовой кости при протезировании голени имплантатом с кальций-фосфатным покрытием и имплантатом без дополнительного покрытия.

Исследования структурной реорганизации суставного хряща смежного сустава при протезировании конечности малочисленны, не изучены особенности перестройки субхондральной зоны и гистологические предикторы артроза, что определило цель исследования.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследование проведено на шести беспородных собаках мужского пола (возраст — (1,8 ± 0,5) г, масса тела — (19,0 ± 1,2) кг), которым моделировали культю большеберцовой кости на границе средней и верхней трети диафиза.

Через 2,5 мес. животным устанавливали имплантат типа Press-Fit [19]. Затем имплантат фиксировали и выполняли компрессионную нагрузку на кость Fh = 20 Н с помощью специального устройства (рис. 1) [20] в течение 35 дн., после чего устанавливали экзопротез. Животных разделили на две равные группы в зависимости от материала имплантата: группа 1 — из сплава Ti6Al4V (n = 3); группа 2 — из сплава Ti6Al4V с кальций-фосфатным покрытием (n = 3). Срок эксперимента — 180 сут. после протезирования.

Объекты исследования — суставной хрящ и субхондральная зона большеберцовой кости.

В качестве контроля исследовали суставной хрящ и субхондральную зону большеберцовой кости трех интактных собак.

Этические принципы

Исследование проведено согласно принципам Европейской конвенции ETS № 123 о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях (с приложением от 15.06.2006, Страсбург), и правилам надлежащей лабораторной практики (ГОСТ 33044-2014)». Протокол локального этического комитета от 29.11.2024 № 1(76).

Эвтаназия

Вывод животных из эксперимента проводили после миорелаксации раствором димедрола 1 % (0,02 мг/кг) и рометара 2 % (5 мг/кг), затем вводили летальную дозу барбитуратов.

Гистоморфометрическое исследование

Для гистоморфометрического исследования вычленяли суставной конец большеберцовой кости, удаляли мягкие ткани, костно-хрящевые блоки фиксировали в 10 % растворе нейтрального формалина (pH 7,4). Затем костно-хрящевые блоки помещали в декальцинирующий раствор, состоящий из смеси растворов муравьиной и соляной кислот. После этапа декальцинации материал промывали в проточной воде и подвергали гистологической проводке, включающей этапы обезвоживания, пропитки и заливки в парафин.

При заливке блоков кусочки ориентировали с учетом зонального строения суставного хряща, использовали перпендикулярные суставной поверхности парафиновые срезы адекватной толщины [21], которые изготавливали с помощью микротома НМ 450 Thermo Scientific (США). Применяли основной метод окрашивания гистологических препаратов, — окраску гематоксилином и эозином, и специальный метод трехцветной окраски по Массону с анилиновым синим.

Светооптическое исследование препаратов и оцифровку изображений проводили на микроскопе AxioScope.A1 с цифровой камерой AxioCam (CarlZeissMicroImagingGmbH, Германия). При описании субхондральной зоны опирались на определение двух структурных единиц: субхондральная костная пластинка и субхондральная трабекулярная кость [9].

Для количественного исследования использовали программное обеспечение Zenblue (CarlZeissMicroImagingGmbH, Германия). Измеряли параметры: толщина некальцифицированного (huncai.cr, мм) хряща, толщина кальцифицированного (hcaicr, мкм) хряща, толщина субхондральной костной пластики (hs.b.pl, мкм). В субхондральной трабекулярной кости рассчитывали площадь костных трабекул (STr, %,) и их толщину (hTr, мкм). В глубокой зоне хряща определяли частоту встречаемости сосудов, данный параметр рассчитывали как сумму сосудов в полях зрения, разделенную на количество всех исследуемых полей зрения (от каждого животного анализировали в среднем 20 полей при 400-кратном увеличении).

Статистические методы

Обработку количественных данных осуществляли в электронных таблицах Microsoft Exсel. Оценку выборок на нормальность распределения проводили с помощью критерия Колмогорова. Мера центральной тенденции морфометрических параметров представлена в виде медианы и квартилей, минимальных и максимальных значений (Me (р25-р75) [min-max]) и в виде средней и ошибки средней (М ± m). Для оценки различий сравниваемых групп применяли критерий Манна - Уитни, для частотного показателя — критерий Барнарда, значимыми считали различия при р < 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Гистопатология суставного хряща

При светооптическом исследовании гистопрепаратов суставной хрящ латерального мыщелка большеберцовой кости в опытных и контрольной группах сохранял зональное строение (рис. 2).

  В большей части опытных наблюдений в поверхностной зоне отсутствовало тангенциальное расположение клеток, отмечены пустые клеточные лакуны, бесклеточные поля, межклеточное вещество поверхностной зоны неравномерно окрашено (рис. 3, а), очаги разволокнения не выявлены, в группе 1 в одном наблюдении отмечен синовиальный паннус (рис. 3, в).

В промежуточной зоне хондроциты располагались чаще одиночно и в виде изогенных групп, состоящих из двух клеток. В глубокой зоне выражено колончатое расположение хрящевых клеток, преобладали гипертрофированные хондроциты, часть клеток — с признаками хондроптоза.

В обеих группах выявлены участки нарушения базофильной линии, проникновение сосудов и костномозгового паннуса в глубокую зону некальцифицированного хряща (рис. 3, б, г).

Частота встречаемости сосудов в глубокой зоне в группе 1 — (0,65 ± 0,06), что статистически значимо (р = 0,0148) больше, чем в группе 2 (0,35 ± 0,02).

Толщина некальцифицированного хряща в группе 1 статистически значимо меньше контроля, в группе 2 сопоставима с контролем, различия между группами статистически значимы (табл. 1). Значения параметра «толщина кальцифицированного хряща» в группах 1 и 2 сопоставимы с контролем (табл. 1).

Субхондральная костная пластинка в контроле неравномерной толщины, непрерывна на всем протяжении (рис. 4, а). В опытных группах субхондральная костная пластинка истончена, в группе 1 местами отсутствовала (рис. 4, б), в группе 2 регистрировали участки, выстланные остеобластами (рис. 4, в). Значения параметра «толщина субхондральной костной пластинки» в обеих группах статистически значимо меньше нормы, минимальные показатели зарегистрированы в группе 1 (табл. 1).

При окрашивании гистологических срезов трехцветным методом по Массону субхондральная костная пластинка в контроле окрашена преимущественно в красный цвет, в группе 2 отмечали снижение доли фуксинофильных структур, а в группе 1 преобладали анилинофильные структуры (рис. 4), что косвенно свидетельствовало о снижении минерализации костного матрикса.

В опытных группах выявлено разряжение субхондральной трабекулярной кости, наиболее выраженные признаки резорбции отмечены в группе 1 (рис. 5, а, б). Гистоморфометрическое исследование выявило статистически значимое снижение значений параметров площади и толщины трабекул в группе 1 относительно контроля (табл. 1), в группе 2 параметр «толщина трабекул» не имел статистически значимых отличий с контролем, различия между группами статистически значимы (табл. 1).

В группе 1 чаще отмечали явления остеолизиса, — аутолиз костного матрикса, расщепление основного вещества трабекул по линиям склеивания (рис. 5, в), поверхности костных трабекул не содержали клеток. В группе 2 регистрировали поверхности трабекул, выстланные активными остеобластами, продуцирующими основное вещество (рис. 5, г).

ОБСУЖДЕНИЕ

Для восстановления функции протезированной конечности большое значение имеет состояние смежного сустава. При протезировании нижних конечностей и у детей, и у взрослых пациентов отмечают контрактуры и формирование деформирующего артроза в вышерасположенных суставах [22]. Известно, что оперативное вмешательство на костных структурах сопровождается компенсаторными изменениями метаболизма костной ткани, — развитием стрессового ремоделирования, обеспечивающего адаптационную перестройку костной ткани после операции [23], при этом в смежном суставе отмечают деструктивные изменения суставного хряща, синовит [24, 25].

В данном исследовании впервые на экспериментальной модели методами гистоморфометрии изучены особенности ремоделирования субхондральной зоны большеберцовой кости при экзопротезировании конечности. К процессам ремоделирования костной ткани можно отнести истончение субхондральной костной пластинки, остеолизис и изменение архитектоники костных трабекул в субхондральной трабекулярной кости, снижение минерализации костной ткани, интенсивнее выраженные в группе 1, признаки репаративного остеогенеза, — активные остеобласты, выстилающие поверхности костных трабекул в группе 2. Гистоморфометрически зарегистрировано уменьшение значений параметра «толщина субхондральной костной пластинки» в группе 1 в два раза, в группе 2 — в 1,5 раза по сравнению с контролем. Значения параметра «площадь трабекул» снижены в среднем в группе 1 на 17 %, в группе 2 — на 10 %, минимальные значения параметра «толщина трабекул» зафиксированы в группе 1.

Согласно классификации O-M. Aho et al. [26], наблюдаемые в нашем исследовании изменения субхондральной зоны соответствовали стадии 0 (очень ранние признаки остеоартроза), когда субхондральный склероз не выражен, субхондральная костная пластина — тонкая.

Инициирующая роль субхондральной кости в деградации суставного хряща подтверждена многочисленными исследованиями [27-29]. Субхондральная кость вместе с суставным хрящом образуют «остеохондральную» функциональную единицу и является механической основой для суставного хряща, поддерживая его структуру и трофику, защищая от чрезмерных нагрузок [30-32].

При патологических изменениях в зоне контакта между хрящом и субхондральной костью во всем суставе происходят значительные структурные изменения. 

Истончение субхондральной костной пластинки и разряжение субхондральной трабекулярной кости приводят к увеличению нагрузки на суставной хрящ и нарушению его структуры [29]. 

Ремоделирование субхондральной костной ткани сопровождается сосудистой инвазией в область кальцинированного хряща. Сочетание сосудистой инвазии в суставной хрящ и повышенного притока катаболических факторов без ингибирования металлопротеиназ обеспечивает прогрессирование деструкции хрящевой ткани [33, 34].

Наблюдаемые структурные изменения суставного хряща большеберцового плато при протезировании голени (истончение, гибель части хондроцитов поверхностной зоны, неравномерное окрашивание межклеточного матрикса) соответствовали степени 0-1 по гистологической классификации Международного общества изучения остеоартроза OARSI [35].

Статистически значимое снижение значений толщины суставного хряща зарегистрированы в группе 1 и сопровождались большей (в 1,8 раза) частотой встречаемости сосудов в глубокой зоне некальцифицированного хряща по сравнению с группой 2. Применение имплантатов группы 2 способствовало менее выраженным изменениям в субходральной зоне.

Полученные знания об особенностях структурной реорганизации суставного хряща и субхондральной зоны смежного сустава при протезировании конечности имеют большое значение. Терапевтические стратегии, направленные на стимуляцию репаративного остеогенеза, могут предотвратить разрушение суставов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Гистоморфометрические изменения остеохондрального компонента большеберцового плато при протезировании голени (истончение субхондральной костной пластинки, рарефикация субхондральной трабекулярной кости, проникновение сосудов в некальцифицированный хрящ) являются предикторами артроза. Применение имплантатов из сплава Ti6Al4V с кальций-фосфатным покрытием способствует снижению интенсивности процессов резорбции костной ткани и активации процессов репаративного остеогенеза.

 

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

Li Y, Lindeque B. Percutaneous Osseointegrated Prostheses for Transfemoral Amputations. Orthopedics. 2018;41(2):75-80. doi: 10.3928/01477447-20180227-03.

Ontario Health (Quality). Osseointegrated Prosthetic Implants for People With Lower-Limb Amputation: A Health Technology Assessment. OntHealth TechnolAssess Ser. 2019;19(7):1-126.

Hoellwarth JS, Tetsworth K, Rozbruch SR, et al. Osseointegration for Amputees: Current Implants, Techniques, and Future Directions. JBJSRev. 2020;8(3):e0043. doi: 10.2106/JBJS.RVW.19.00043.

Bates TJ, Fergason JR, Pierrie SN. Technological Advances in Prosthesis Design and Rehabilitation Following Upper Extremity Limb Loss. CurrRevMusculoskeletMed. 2020;13(4):485-493. doi: 10.1007/s12178-020-09656-6.

Raschke SU. Limb Prostheses: Industry 1.0 to 4.0: Perspectives on Technological Advances in Prosthetic Care. Front Rehabil Sci. 2022;3:854404. doi: 10.3389/fresc.2022.854404.

Varaganti P, Seo S. Recent Advances in Biomimetics for the Development of Bio-Inspired Prosthetic Limbs. Biomimetics (Basel). 2024;9(5):273. doi: 10.3390/biomimetics9050273.

Кузнецов В.П., Еманов А.А., Горбач Е.Н., Горгоц В.Г. Имплантаты для одноэтапной остеоинтеграции с механобиологическим стимулированием костеобразования. Materials. Technologies. Design. 2021;3(5):23-30. doi: 10.54708/26587572_2021_33523.

Ступина Т.А., Еманов А.А., Кузнецов В.П., Овчинников Е.Н. Оценка риска развития остеоартроза коленного сустава при протезировании голени (пилотное экспериментально-морфологическое исследование). Гений ортопедии. 2021;27(6):795-799. doi: 10.18019/1028-4427-2021-27-6-795-799.

Li G, Yin J, Gao J, et al. Subchondral bone in osteoarthritis: insight into risk factors and microstructural changes. Arthritis Res Ther. 2013;15:223. doi: 10.1186/ar4405.

Stupina TA, Stepanov MA, Teplen’kii MP. Role of subchondral bone in the restoration of articular cartilage. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2015;158(6): 820-823. doi: 10.1007/s10517-015-2870-4.

Котельников Г.П., Ларцев Ю.В., Кудашев Д.С. и др. Патогенетические и клинические аспекты остеоартроза и остеоартроз-ас- социированных дефектов хряща коленного сустава с позиций представлений о роли субхондральной кости. Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2023;30(2):219-231. doi: 10.17816/vto346679.

Nagira K, Ikuta Y, Shinohara M, et al. Histological scoring system for subchondral bone changes in murine models of joint aging and osteoarthritis. Sci Rep. 2020;10(1):10077. doi: 10.1038/s41598-020-66979-7.

Dudaric L, Dumic-Cule I, Divjak E, et al. Bone Remodeling in Osteoarthritis-Biological and Radiological Aspects. Medicina (Kaunas). 2023;59(9):1613. doi: 10.3390/medicina59091613.

Zhang YY, Zhu Y, Lu DZ, et al. Evaluation of osteogenic and antibacterial properties of strontium/silver-containing porous TiO2 coatings prepared by micro-arc oxidation. JBiomed Mater Res B Appl Biomater. 2021;109(4):505-516. doi: 10.1002/jbm.b.34719.

Wang YR, Yang NY, Sun H, et al. The effect of strontium content on physicochemical and osteogenic property of Sr/Ag-containing TiO2 microporous coatings. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2023;111(4):846-857. doi: 10.1002/jbm.b.35195.

Drevet R, Faure J, Benhayoune H. Bioactive calcium phosphate coatings for bone implant applications: a review. Coatings. 2023;13(6):1091. doi: 10.3390/coatings13061091.

Стогов М.В., Еманов А.А., Кузнецов В.П. и др. Влияние цинксодержащего кальций-фосфатного покрытия на остеоинтеграцию чрескожных имплантатов для протезирования конечностей. Гений ортопедии. 2024;30(5):677-686. doi: 10.18019/1028- 4427-2024-30-5-677-686.

Ивашенко С.В., Остапович А.А., Джамаль А. Экспериментальное обоснование применения магнитофореза лекарственных веществ для улучшения остеоинтеграции дентальных имплантатов. Современная стоматология. 2021;1:27-31.

Кузнецов В.П., Горгоц В.Г., Аникеев А.В. и др. Имплантат культи трубчатой кости. Патент РФ на полезную модель № 194912. 30.12.2019. Бюл. № 1. 

Кузнецов В.П., Губин А.В., Горгоц В.Г. и др. Устройство для остеоинтеграции имплантата в кость культи нижней конечности. Патент РФ на полезную модель № 185647. 13.12.2018. Бюл. № 35

Ступина Т.А., Щудло М.М. Способ количественной оценки состояния суставного хряща на разных уровнях структурной организации. Гений ортопедии. 2009;(1):55-57.

Сусляев В.Г., Щербина К.К., Смирнова Л.М. и др. Ранняя протезно-ортопедическая помощь как основа медицинской реабилитации детей с врождёнными и ампутационными дефектами нижних конечностей. Гений ортопедии. 2020;26(2):198-205. doi: 10.18019/1028-4427-2020-26-2-198-205.

Макаров МА, Макаров СА, Павлов ВП, Вардикова ГН. Стрессовое ремоделирование костной ткани после эндопротезирования крупных суставов и его консервативная коррекция. Современная ревматология. 2009;3(1):62-67. doi: 10.14412/1996-7012- 2009-526.

Еманов А.А., Ступина Т.А., Борзунов Д.Ю., Шастов А.Л. Особенности структурной реорганизации суставного хряща и синовиальной оболочки коленного сустава при замещении пострезекционного дефекта костей голени в условиях чрескостного остеосинтеза аппаратом Илизарова в эксперименте. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015;12(7):1228-1232.

Ступина Т.А., Еманов А.А., Антонов Н.И. Костное сращение и структурные изменения суставного хряща после срочного и отсроченного остеосинтеза антеградным блокирующим интрамедуллярным стержнем переломов диафиза бедра. Гений ортопедии. 2016;(4):76-80. doi: 10.18019/1028-4427-2016-4-76-80.

Aho O-M, Finnila M, Thevenot J, et al. Subchondral bone histology and grading in osteoarthritis. PLoS One. 2017;12(3):e0173726. doi: 10.1371/journal.pone.0173726.

Клементьева В.И., Чернышева Т.В., Корочина К.В., Корочина И.Э. Лабораторно-инструментальное исследование коленных суставов пациентов с гонартрозом ранних стадий: поиск взаимосвязей. Медицинский академический журнал. 2020;20(3):99-106. doi: 10.17816/MAJ43455.

Burr DB, Gallant MA. Bone remodelling in osteoarthritis. Nat Rev Rheumatol. 2012;8(11):665-673. doi: 10.1038/nrrheum.2012.130.

Hu Y, Chen X, Wang S, Jing Y, Su J. Subchondral bone microenvironment in osteoarthritis and pain. Bone Res. 2021;9(1):20. doi: 10.1038/ s41413-021-00147-z.

Павлова В.Н., Павлов Г.Г., Шостак Н.А., Слуцкий Л.И. Сустав: Морфология, клиника, диагностика, лечение. М.: ООО «Издательство «Медицинское информационное агенство»; 2011:552.

Madry H, Orth P, Cucchiarini M. Role of the Subchondral Bone in Articular Cartilage Degeneration and Repair. J Am Acad Orthop Surg. 2016;24(4):e45-e46. doi: 10.5435/JAAOS-D-16-00096.

Imhof H, Sulzbacher I, Grampp S, et al. Subchondral bone and cartilage disease: a rediscovered functional unit. Invest Radiol. 2000;35(10):581-588. doi: 10.1097/00004424-200010000-00004.

Bauerle T, Roemer FW. Dynamic contrast-enhanced MRI for assessment of subchondral bone marrow vascularization in an experimental osteoarthritis model: a major step towards clinical translation? Osteoarthritis Cartilage. 2021;29(5):603-606. doi: 10.1016/j.joca.2021.03.001.

Dorraki M, Muratovic D, Fouladzadeh A, et al. Hip osteoarthritis: A novel network analysis of subchondral trabecular bone structures. PNASNexus. 2022;1(5):pgac258. doi: 10.1093/pnasnexus/pgac258.

Pritzker KP, Gay S, Jimenez SA, et al. Osteoarthritis cartilage histopathology: grading and staging. Osteoarthritis Cartilage. 2006;14(1):13-29. doi: 10.1016/j.joca.2005.07.014.

Информация об авторах:

Татьяна Анатольевна Ступина — доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник,

 Андрей Александрович Еманов — кандидат ветеринарных наук, ведущий научный сотрудник

Виктор Павлович Кузнецов — доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией

Евгений Николаевич Овчинников — кандидат биологических наук, заместитель директора по научной работе

 

Теги: титановый имплантат
234567 Начало активности (дата): 15.07.2025
234567 Кем создан (ID): 989
234567 Ключевые слова:  экзопротезирование, титановый имплантат, кальций-фосфатное покрытие, суставной хрящ, субхондральная кость, гистоморфометрия
12354567899