Субмикроскопическая структура и собственное напряжение кости при дисплазии соединительной ткани

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) создает еще одну возможность для изучения структуры органического матрикса кости на субмикроскопическом уровне и для оценки влияния патологических процессов на структурное состояние и качественные характеристики элементов костной ткани. В клиническую практику прочно вошло понятие дисплазии соединительной ткани (ДСТ). Это понятие включает синдромные дисплазии (болезнь Марфана и т.д.); несиндромные формы и болезни накопления. В литературе сложилось мнение, что органический матрикс костей представлен коллагеном 1-го типа. Основу диагностики недифференцированной дисплазии соединительной ткани составляет патология – нарушение формообразования абриса тела, что в конечном итоге сводится к изменениям в формообразовании костей и костных аппаратов, с одной стороны, и качества костной ткани – с другой. Морфологические исследования кости, достаточно широко опубликованные, в основном констатируют те или иные изменения в структурно-функциональных единицах костной ткани, которые по сути своей являются неспецифическими, хотя и отражают значительные сдвиги в структуре костей у лиц с дисплазией соединительной ткани, фактически изменяя в тех или иных пределах качество костной ткани. Атомносиловая микроскопия, которая появилась в арсенале исследователей в последние годы, создала принципиально новую возможность для изучения структуры органического и минерального матриксов и их влияния на функциональные характеристики костной ткани.

Выявление зависимости состояния внутреннего напряжения кости от особенностей субмикроскопического строения ее органического матрикса в норме и при дисплазии соединительной ткани (ДСТ) явилось целью настоящего исследования.

Для реализации заявленной цели поставлены задачи: измерить объемные параметры коллагена 1-го типа в компактном веществе височной кости в группе лиц с ДСТ и без таковой и сравнить их с учетом состояния внутреннего напряжения. Исследование проводилось на секционном материале, полученном в Омском областном бюро судебно-медицинской экспертизы в соответствии со статьей № 67 Федерального закона от 21 ноября 2011 года № 323-ФЗ «Об основах охраны здоровья граждан в Российской Федерации».

Предположение, что изменение минерализации коллагена 1-го типа может приводить к изменению упругости кости в целом посредством изменения состояния ковалентных связей в агрегате, в том числе приводить к изменению состояния предварительного напряжения в покое (преднапряжения), послужило основанием для эксперимента по измерению внутреннего напряжения фибриллярных структур в условиях их частичного разрушения.

Для этого на височную кость маркером наносились взаимно перпендикулярные линии, на них отмечались точки, расстояние между которыми точно замерялось. Затем сепарационным диском по перпендикулярно нанесенным линиям производились запилы на глубину до 3 мм. Расстояния между точками повторно замерялись, значения изменений в расстояниях заносились в таблицу. Линии предварительного напряжения кости, образованные сжимающими и растягивающими усилиями фибриллярных коллагеновых структур, после нанесения повреждений компактного вещества перераспределялись. Значение собственных напряжений кости рассчитывалось по формуле

σ = (δ×l) / l × E,

где Е – модуль упругости; l – длина базы; δ × l – приращение базы.

Модуль упругости Е был принят равным 0,9×105 кгс/см². Проведено два исследования на секционном материале в исследуемой и контрольной группах. Для этого была сформирована группа (n = 190) со следующими критериями включения: возраст 25–30 лет, отсутствие травм височной кости, время смерти 24–26 часов на момент исследования, пребывание с момента смерти до момента исследования в приблизительно равных условиях влажности и температуры окружающей среды (для каждой из групп). В исследуемую группу были отобраны 72 субъекта с политравмой различной степени тяжести и локализаций с признаками ДСТ, локализованными в орофациальной области и представленными «готическим небом», скученностью зубов, наличием диастем и трем. Остальные субъекты составили контрольную группу. У представителей обеих групп брался костный материал для атомно-силовой микроскопии. Наноструктурное строение костных образцов изучалось с использованием сканирующего зондового микроскопа Solver Pro (NT–MPT, Россия). Анализ образцов АСМизображения осуществлялся с использованием программного модуля обработки изображения Image Analysis NT–MDT.

Результаты и обсуждение

Характеристика упаковки фибрилл коллагена в компактном веществе кости у исследуемых групп по данным атомно-силовой микроскопии представлена в таблице 1.

Из таблицы 1 видно, что между группой сравнения и исследуемой группой (пациенты с ДСТ ) имеются достоверные отличия по следующим показателям (р < 0,05): в норме фиксированные и контрастированные фибриллы коллагена выглядят поперечно исчерченными с периодом 67 нм, который включает одну темную и одну светлую полоски, с диаметром в среднем 100 нм. Считают, что такое строение максимально повышает сопротивление всего агрегата растягивающим нагрузкам (рис. 1).

Таблица 1

Количественные характеристики минерального матрикса у обследуемых лиц (атомно-силовая микроскопия)

Рис. 1. Наноструктура компактного вещества кости в норме

Рис. 2. Наноструктура компактного вещества кости у лиц с ДСТ

При этом у лиц с дисплазией соединительной ткани сопоставимые значения длины и поперечника коллагеновых волокон сильно варьировали: с увеличением промежутка между волокнами до 80 нм (в среднем 67 нм) и уменьшением поперечного размера волокон до 60 нм (в среднем 100 нм) (рис. 2).

После измерения дистанций и приращений в исследуемой и контрольной группах зарегистрированы достоверные различия в результатах, которые представлены в таблице 2.

Таблица 2

Изменение величин σ собственных напряжений в костной ткани у лиц с ДСТ при разрушении поперечных и продольных связей между базами (кгс/см²)

Заметные различия значений собственных напряжений ткани височной кости, по нашему мнению, объясняются качественным отличием коллагена 1-го типа в норме и при ДСТ, что проявляется в образовании величины и формы волокон, определяющих способность к сопротивлению нагрузкам. Внутреннее напряжение височной кости субъектов с ДСТ значительно меньше, чем в контроле, что дает основание для предположения, что нарушение процессов формообразования коллагена 1-го типа приводит к изменению не только картину субмикроскопического строения кости, но и физические характеристики ее внутренней среды.

Выводы

Органический матрикс височной кости примерно на 90 % состоит из коллагена, который представлен в основном только коллагеном 1-го типа. Роль коллагена в костной ткани заключается в формировании первичного каркаса или провизорного матрикса с его последующей минерализацией. Анализ изображений, полученных при атомно-силовой микроскопии образцов костной ткани височной кости здоровых субъектов и субъектов с ДСТ, выявил отличия в структуре коллагена 1-го типа. Выявлены различия в форме, рисунке контура коллагеновых фибрилл, линейных параметров фибрилл и субфибрилл, плотности и равномерности контакта между фибриллами, упорядоченности, периодичности фибриллярных структур. При ДСТ происходит уплощение, увеличение диаметра фибрилл коллагеновых волокон, сглаженность или потеря поперечной периодической счерченности, которая, как отмечается рядом исследователей, связана с нарушениями регуляции процессов ремоделирования. Исходя из результатов проведенного исследования, можно заключить, что структура коллагена костной ткани височной кости значительно изменяется при ДСТ. Установлены различия в степени внутреннего напряжения височной кости между представителями исследуемой и контрольной групп: в исследуемой группе (ДСТ) признак увеличения диаметра фибрилл коллагена относительно нормы прямо коррелирует с уменьшением внутреннего предварительного напряжения кости. Внутреннее напряжение височной кости, в свою очередь, может определять морфофункциональные и биофизические ее характеристики: плотность, упругость, способность противостоять деформирующим нагрузкам ударного характера.

Список литературы

1. Корочина, И.Э. Состояние основных типов коллагена при наиболее распространенных ревматических заболеваниях и современная стратегия его диагностики / И.Э. Корочина, Г.Г. Багирова. – Текст : непосредственный // Рос. мед.-биол. вестн. им. акад. И.П. Павлова. – 2008. – № 1. – С. 118–129.
2. Constant mineralization density distribution in cancellous human bone / P. Roschger, H.S. Gupta, A. Berzanovich et al. – Text : immediate // Bone. – 2003. – № 32. – Р. 316–323.

3. Individual cartilage aggrecan macromolecules and their constituent glycosaminoglycans visualized via atomic force microscopy / L. Ng, A.J. Grodzinsky, P. Patwari et al. – Text : immediate // J. of Structural Biology. – 2003. – № 143. – P. 242–257.
4. Investigations into the polymorphism of rat tail tendon fibrils using atomic force microscopy / M. Venturoni, T. Gutsmann, G.E. Fantner et al. – Text : immediate // Biochemical and Biophysical Research Communications. – 2003. – № 303. – P. 508–513.
5. Katz, E.P. Structure and function of collagen fibrils / E.P. Katz, S. Li. – Text : immediate // J. of Molecular Biology. – 1973. – № 80. – P. 1–15.
6. Mechanisms responsible for longitudinal growth of the cortex: coalescence of trabecular bone into cortical bone / E.R. Cadet, R.I. Gafni, E.F. McCarthy et al. – Text : immediate // The J. of Bone Joint Surgery. – 2003. – Vol. 85A. – P. 1739–1748.
7. Size and shape of mineralites in young bovine bone measured by atomic force microscopy / W. Tong, M.J. Glimcher, J.L. Katz et al. – Text : immediate // Calcified Tissue Intern. – 2003. – № 75. – P. 592–598.