|
Институт зоологии им. И.И. Шмальгаузена НАН Украины (г. Киев, Украина)
Эта работа опубликована в сборнике научных трудов по материалам Первой
Международной Телеконференции «Фундаментальные медико-биологические
науки и практическое здравоохранение» (январь-февраль 2010 год), под
редакцией проф., д.б.н. Ильинских Н.Н.
Посмотреть титульный лист сборника
Скачать информацию о сборнике (в архиве: обложка, тит. лист, оглавление, список авторов)
В последнее время все большего внимания заслуживают исследования биологических закономерностей реакции костей скелета, и в первую очередь клеточных механизмов, и в частности остеоцитов на условия сниженной опорной нагрузки (гипокинезия, гиподинамия, микрогравитация и др.). Эти исследования достаточно актуальны на сегодняшний день, в частности, состояние, которое мы называем гипокинезией, ассоциируется с длительным постельным режимом (клиностатическая гипокинезия), сопровождающееся некоторыми эффектами, одним из которых является снижение динамической силовой нагрузки на элементы скелета [1], что в совокупности создает дефицит механической нагрузки. Известно, что в костях скелета наибольшим изменениям при сниженных нагрузках подвергались те кости, которые несут максимальную нагрузку (бедренные кости, кости таза, позвоночник) [2,3 и др.]. Кроме того, длительное действие этого фактора может привести к остеопении и даже остеопорозу [1,3,4]. Работы последних лет [5,6], показывают, что ключевую роль в регуляции ремоделирования скелетной архитектуры в ответ на механическую нагрузку выполняют, вероятно, остеоциты. Предполагается, что именно остеоциты способны ощущать и воспринимать механическую нагрузку или давление, которое они переводят в биохимические сигналы между остеоцитами и клетками на поверхности кости, влияя тем самым на ремоделирование кости [6,7,8]. Однако механизмы этих процессов остаются неизвестны. Не изученными являются механизмы гравичувствительности остеоцитов, каким образом осуществляется передача сигналов механической нагрузки. Все вышеизложенное явилось предпосылкой для изучения в работе вопроса о реакции костной ткани и структурно-морфологических особенностях остеоцитов длинных костей в условиях снижения опорной нагрузки. Цель работы - изучить морфологические особенности костной ткани и остеоцитов и их роль в перестройке костных структур при гипокинезии.
Материалы и методы. Для эксперимента были отобраны самцы белых крыс линии Wistar (возраст 6 мес., массой 220-240 г). Гипокинезию моделировали путем разгрузки задних конечностей методом «вывешивания» под углом 35º [9] с некоторыми модификациями, длительность эксперимента составила 28 суток. Каждый эксперимент включал по две группы: контрольную и экспериментальную. После окончания эксперимента у крыс выделяли бедренные кости, которые фиксировали в 10%-ном нейтральном формалине и декальцинировали в 10%-ном трилоне Б (рН-7,4). Дальнейшую обработку и заливку образцов проводили по общепринятым гистологическим методикам. Гистосрезы изготавливали в сагиттальной площади на одном уровне, толщиной 6-10 мкм на микротоме марки “Reichert” (Австрия) и окрашивали гематоксилин – еозином; гематоксилин – тионин – эозином [10] после чего заключали их в канадский бальзам.
На гистологических срезах проксимальних эпифизов, метафизов, средней части диафиза бедренных костей крыс методом точечного подсчета с использованием квадратно-сетчатой вставки [11] при увеличении об.Х40, ок.Х16. подсчитывали: относительный удельный объем костной ткани, щелей и полостей, определяли количество остеоцитов и пустых остеоцитарних лакун; удельную площадь остеоцитарних лакун. В каждом случае вычислялась площадь для 50 клеток. Полученные цифровые данные обрабатывали с помощью программы "EXEL".
Результаты. Установлено, что в условиях гипокинезии в костной ткани бедренных костей крыс возникают очаги деструкции костных трабекул в проксимальных эпифизах и метафизах. Наблюдалось утончение костных трабекул, уменьшение их количества, нарушается типичная архитектоника и как результат, появляются зоны резорбции и разрежение костных трабекул. Кроме того, в зонах эпифиза и метафиза происходит расширение межтрабекулярных пространств. Морфометрические исследования показали снижение удельного объема костных трабекул в проксимальных метафизах исследуемых животных 0,667±0,02 в контроле и 0,503±0,014 в эксперименте (Р<0,05), а также в проксимальных эпифизах в контроле 0,711±0,03, в эксперименте - 0,609±0,01 (Р<0,05), рис.1. Подобные явления происходят за счет частичной деструкции трабекул, а также в результате возникновения в них щелей и полостей. Следует отметить, что наиболее выраженные изменения наблюдались в костных трабекулах проксимальных метафизов. Возможно, это связано с тем, что губчатая кость метафизов метаболически более активна и первой реагирует на изменения силовых и опорных нагрузок [2]. Удельный объем костной ткани в диафизах достоверно не изменяется. Так, в контроле он составляет 0,957±0,003, а в эксперименте - 0,871±0,004, рис.1. Однако в костной ткани диафиза наблюдались полости и пустоты, в некоторых зонах - расслоения костных пластинок, различного рода перфорации и разрежения.
Изменения удельного объема костной ткани (рис. 1) и удельного объема полостей (рис.2) в проксимальных эпифизах, метафизах и диафизах бедренных костей белых крыс. Гипокинезия. *- различия достоверны по сравнению с контролем, р<0,05
Как было сказано выше в костной ткани наблюдались пустоты и полости, причем во всех исследуемых зонах кости. Объективно это подтверждают морфометрические исследования. Показано, что относительный удельный объем полостей в костной ткани эпифизов и метафизов увеличивается по сравнению с контролем. Причем наибольший показатель наблюдался именно в проксимальных метафизах в контроле 0,075±0,002 и в эксперименте - 0,101±0,009, (Р<0,05). В проксимальных эпифизах удельный объем полостей составляет в контроле 0,063±0,002, в эксперименте - 0,087±0,0023 (Р<0,05) (рис.2). В средней части диафиза – 0,082±0,003 в контроле, 0,091 ± 0,0031 - в эксперименте. Таким образом, мы видим, что в костной ткани бедренных костей действительно происходят деструктивные изменения и что характерно, наиболее значительные изменения происходят именно в проксимальных метафизах. Наши данные согласуются с результатами других исследователей [3,4]. Выявленные нами изменения указывают на потерю костной массы в бедренных костях у крыс, которые находились в условиях моделированной гипокинезии.
Выявлены также изменения в клеточном составе бедренных костей крыс, находившихся в условиях моделированной гипокинезии, где основное внимание уделяли исследованию наиболее многочисленных костных клеток – остеоцитам. Так, нами исследовались остеоциты в проксимальном эпифизе, метафизе и средней части диафиза бедренных костей крыс в контроле и эксперименте.
Установлено, что среднее количество остеоцитов достоверно уменьшалось в костной ткани эпифизов и метафизов (10,3±0,89 в контроле и 7,9±0,51 в эксперименте; 8,12±0,33 – контроль, 6,31±0,28 – эксперимент, соответственно, Р<0,05), рис.3. В диафизах достоверного различия между контролем и экспериментом не выявлено (5,02±0,23 и 4,11±0,12, соответственно, Р<0,05).
Изменения количества остеоцитов (рис.3) и площади остеоцитарных лакун (рис.4) в проксимальных эпифизах, метафизах и диафизах бедренных костей белых крыс. Гипокинезия. *- различия достоверны по сравнению с контролем, р<0,05
Характерным для костных трабекул метафиза и диафиза исследуемых животных является достоверное расширение остеоцитарных лакун. Морфологический анализ показал, что средняя площадь остеоцитарных лакун возрастает во всех зонах исследуемой кости по сравнению с контролем. Особенно этот показатель увеличивается в метафизах и диафизах: так, площадь лакун в метафизах составляет 89,72 ± 4,01 в контроле и 110,43 ± 4,98 мкм2 в эксперименте, (Р<0,05), в диафизах 83,42 ± 3,89 в контроле и 108,01 ± 3,57 в эксперименте, (Р<0,05), рис. 4.
Следует отметить, что в некоторых остеоцитах экспериментальных животных отмечается деструкция цитоплазмы, пикноз ядра, большая часть клеток разрушается, и в костной ткани образуются пустые остеоцитарные лакуны, т.е. появляются апоптические остеоциты. Наиболее значительные изменения наблюдаются в проксимальных метафизах 2,4±0,1% в контроле та 3,7±0,2% в эксперименте, (Р<0,05).
Выявленные нами изменения в остеоцитах указывают на то, что в костной ткани в условиях гипокинезии активируются начальные этапы адаптивного ремоделирования.
Выводы. Установлено уменьшение удельного объема костных трабекул в проксимальных эпифизах и метафизах бедренных костей крыс, находившихся в условиях гипокинезии. Наибольшие изменения отмечались в метафизах. В условиях гипокинезии уменьшается количество остеоцитов, увеличивается площадь лакун остеоцитов, что в свою очередь свидетельствует о потере костной ткани. В популяции остеоцитов в зонах адаптивных перестроек костной ткани возрастает количество апоптических остеоцитов, что приводит к частичной потере остеоцитов. Условия гипокинезии приводят к активизации в костной ткани процессов остеоцитарного ремоделирования, и в частности остеоцитарного остеолизиса. Остеоциты при действии факторов гипокинезии, особенно длительного действия в дальнейшем может привести к развитию остеопении и остеопороза.
Список литературы:
1. Оганов В.С. Гипокинезия-фактор риска остеопороза / В.С. Оганов / Остеопороз и остеопатии.–1998. - №1.
2. Ступаков Г.П., Воложин А.И. Костная ткань и невесомость/ Проблемы космич. биологии. Т. 63. – М.: Наука, 1989. – 184 с.
3. Дурнова Г.Н., Капланский А.С., Корольков В.И., Кротов В.П. Гистоморфометрия подвздошных костей обезьян после антиортостатической гипокинезии и «сухой» иммерсии//Авиакосм. и эколог. медицина. – 2004. – Т. 38. - 5 (33). – С. 42 – 45.
4. Родіонова Н.В. Цитологічні механізми перебудов у кістках при гіпокінезії та мікрогравітації / Н.В.Родионова, - НВП “Видавництво “ Наукова думка” НАН України”, 2006. - 238с.
5. Verborgt O, Gibson G.J., Schaffler M.B. Loss of osteocyte integrity in association with microdamage and bone remodeling after fatigue in vivo. – 2000. – J. Bone Miner Res. – 15(1). – P. 60-67.
6. Mullender MG, Huiskes R. Osteocytes and bone lining cells: which are the best candidates for mechano-sensors in cancellous bone? Bone. -1997. - 20 (6). - Р. 527- 532.
7. Kamioka H. Osteocytes and mechanical stress / H. Kamioka, T. Yamashiro/ Clin Calcium. – 2008 - 18 (9). – P. 1287-93.
8. Nicolella D.P. Osteocyte lacunae tissue strain in cortical bone / D.P. Nicolella, D.E. Moravits, A.M. Gale, L.F. Bonewald et.al. / J. Biomech.- 2006. –39 (9) Р. 1735 - 1743.
9. Morey-Holton E.R. Animal model for simulating weightlessness / E.R. Morey-Holton, T.J. Wronsky // The Physiologist. - 1981. – 24, № 6. - P. 45-48.
10. Мажуга П.М. Способ комбинированного окрашивания клеточных структур на гистологических срезах костно-хрящевой ткани / П.М. Мажуга, Т.П. Вечерская // Цитология и генетика. – 1974. - № 2. – С.160.
11. Автандилов Г.Г. Медицинская морфометрия/ Г.Г. Автандилов. – М.: Медицина, 1990. – 384 с.
Читайте также:
ГРАВИТАЦИОННАЯ ТЕРАПИЯ В ЛЕЧЕНИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОСТЕОМИЕЛИТА
ОСТЕОПОРОЗ У БОЛЬНЫХ РАССЕЯННЫМ СКЛЕРОЗОМ
ВЛИЯНИЕ ОДНОДНЕВНОЙ ГИПОКИНЕЗИИ НА УРОВЕНЬ ПЕРЕКИСНОГО ОКИСЛЕНИЯ ЛИПИДОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА КРЫС
|
