Морфометрические особенности строения костной ткани головки бедра при коксартрозе

Статья поступила в редакцию 03.07.2017 г.

МОРФОМЕТРИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ ГОЛОВКИ БЕДРА ПРИ КОКСАРТРОЗЕ

MORPHOMETRIC FEATURES OF FEMUR HEAD BONE TISSUE IN COXARTHROSIS

Давыдов Д.А. Устьянцева И.М.

Федеральное государственное бюджетное лечебно-профилактическое учреждение «Научно-клинический центр охраны здоровья шахтеров»,

г. Ленинск-Кузнецкий, Россия

Цель - дать сравнительную характеристику морфометрических показателей строения костной ткани головки бедра при коксартрозе и без данной патологии.

Материал и методы. В исследование включали 16 пациентов с клинически выставленным диагнозом коксартроз Ш-И степени (средний возраст пациентов 53,0 ± 3 года), поступавших в отделение травматологии и ортопедии ФГБЛПУ «НКЦОЗШ» для эндопротезирования тазобедренного сустава. Длительность заболевания пациентов составила 9,5 ± 3,94 лет. Объектом морфологического исследования группы сравнения служили 10 головок бедренных костей, изъятых у умерших в процессе аутопсии. Средний возраст умерших составил 57 ± 5,6 лет. В эту группу вошел материал с макроскопически неизмененной суставной поверхностью и отсутствием костной деформации. Морфологическое исследование проводилось на специализированном программном обеспечении с измерением толщины костных балок и их площади в гистологических срезах. Статистическую обработку полученных результатов проводили с помощью прикладного пакета программ Statistica 6.0. Результаты. В результате морфологического изучения образцов головок бедренной кости гистологическая картина не противоречит ранее проводимым исследованиям и свидетельствует о дегенеративно-дистрофических изменениях в костной и хрящевой ткани при коксартрозе. При гистологическом исследовании материала группы сравнения отмечались равномерная толщина хрящевой ткани суставной поверхности с сохранением всех зон: бесклеточная, поверхностная, переходная, зона изогенных групп, зона колонок, зона гипертрофированных клеток и зона кальцификации. Во всех трех исследованных отделах головки бедра губчатое вещество состоит из непрерывно соединенных костных балок, образующих замкнутые полости - лакуны. Несмотря на более низкие толщину и площадь костных балок в глубоком отделе здоровой головки бедренной кости, ее механической прочности достаточно для поддержания нормального функционирования, что может быть связано с ее качественным составом за счет сохраненных процессов ремоделирования. Выполненные морфометрические исследования показали, что во всех трех исследуемых участках костной ткани головки бедра при коксартрозе толщина костных балок не имеет статистически значимых различий. Площадь костных балок в III участке ниже на 34 % по сравнению с I участком и на 17 % ниже, чем во II участке, что свидетельствует об их укорочении вследствие преобладания процессов резорбции над синтезом в данном участке. По результатам проведения сравнительной характеристики морфометрических показателей строения костной ткани головки бедра при коксартрозе и без данной патологии выявлено, что толщина суставной поверхности в артрозной головки бедра на 37,5 % ниже, чем в группе сравнения. Толщина костных балок во II участке головки бедра при коксартрозе больше на 14 %, а в III - на 31 % по отношению к группе сравнения. Площадь костных балок во II участке ниже на 20 %, а в III участке - на 15 % по отношению к группе сравнения.

Davydov D.A. Ustyantseva I.M.

Federal Scientific Clinical Center f Miners' Health Protection,

Leninsk-Kuznetsky, Russia

Objective - to perform comparative evaluation of morphometric indices of structure of femur head bone tissue in coxarthrosis and without such pathology.

Materials and methods. The study included 16 patients with clinical diagnosis of coxarthrosis of degrees III-IV (patients' mean age of 53.0 ± 3) who were admitted for hip joint endoprosthesis to the department of traumatology and orthopedics in Clinical Center of Miners' Health Protection. The disease period was 9.5 ± 3.94 years. In the comparison group the objects for morphologic study were 10 femur heads, which were taken as result of autopsy in died patients. The mean age of the diseased patients was 57 ± 5.6. This group included the materials with macroscopic unchanged articular surface and absent bone deformation. The morphologic examination was performed with the specialized software and measurement of bone rod thickness and square in the histological sections. The statistical analysis was performed with Statistica 6.0 applied software package.

Results. After the morphologic study of the femur head samples the histological picture did not contradict the previous investigations, and it testified the degenerative dystrophic changes in bony and cartilage tissue in coxarthrosis. During histological examination of the samples the comparison group showed the uniform thickness of cartilaginous tissue of articular surface with all regions saved: cell-free, superficial, transitional regions, region of isogenous groups, region of columns, region of hypertrophic cells and calcification region. In all three examined parts of the femur head the spongy substance consisted of continuously connected bone rods, which form the closed cavities - lacunes. Despite of lower thickness and decreased square of bony rods in the deep part of a healthy femur head, the mechanical strength is not sufficient for supporting normal functioning, and it is possibly related to its qualitative composition by the means of saved remodeling processes. The morphologic studies showed no statistically significant differences in bony rod thickness for all three examined parts of bone tissue of the femur head. The bony rod square in the region III was 34 % lower than in the region I, and 17 % lower than in the region II. It testified the shortening as result of domination of the resorption processes over synthesis in this region. According to the results of comparative characteristics of morphometric indices of the structure of femur head bone tissue in coxarthrosis and without this pathology it was found that articular surface thickness in arthrosis femur head was 37.5 % lower than in the comparison group. In coxarthrosis the bony rod thickness was 14 % higher in the region II of the femur head, and 31 % higher in the region III compared to the comparison group. The bony rod square was 20 % lower in the region II and 15 % lower in the region III compared to the comparison group.

ПОЛИТРАВМА

Заключение. Морфометрические показатели костной ткани при коксар-трозе характеризуются уменьшением площади костных балок, не смотря на увеличение их толщины, что свидетельствует о преобладании процессов резорбции костной ткани над ее синтезом. Преобладание процессов резорбции также подтверждается и нарушением целостности костных лакун, что, в свою очередь, влечет за собой снижение механической прочности в ар-трозной головки бедра. Оценка таких морфометрических показателей, как толщина костных балок и их площадь в различных отделах головки бедра при коксартрозе, может быть использована для оценки процессов ремоде-лирования костной ткани.

Ключевые слова: коксартроз; морфометрия; морфология; резорбция и синтез костной ткани.

Conclusion. In coxarthrosis the morphometric indices of bone tissue are characterized with decreased square of the bony rods, despite of increase in the thickness. It gives evidence of predomination of resorption processes over synthesis in the bone tissue. The predomination of resorption processes is also supported by disarrangement of integrity of the bone lacunes resulting in decreasing mechanical strength in the femur head with arthrosis. For assessment of bone tissue remodeling one can use such morphometric indices as bony rod thickness and square in different parts of the femur head in coxarthrosis.

Key words: coxarthrosis; morphometry; structure; bone tissue resorption and synthesis.

Головка бедренной кости (caput ossis femoris) является проксимальным эпифизом бедра и участвует в образование тазобедренного сустава. Суставная поверхность головки покрыта слоем гиалинового хряща. Строение костной ткани головки бедра напрямую обусловлено ее функциональными особенностями, связанными с тяжелой нагрузки. Костные балки губчатого вещества расположены в соответствии с направлением сил сжатия и растяжения и имеют строгую геометрическую структуру [1].

Твердость головки бедренной кости в ее различных участках неравномерна. Максимальная твердость выявлена в ее центральной части (0,6—1,2 кгс/мм2), менее твердой оказалось губчатое вещество субхондральных отделов (0,42— 0,75 кгс/мм2) [2].

Максимальная твердость в центральном отделе головки бедренной кости, на наш взгляд, может быть связана с появлением именно в этом участке первичных точек (центров) окостенения в период от 2-го до 8-го месяцев жизни и закладки гидроксиапатита в процессе энхондрального типа остеогенеза [3-5].

Для поддержания структуры и сохранения возможности выполнять свои функции в костной ткани головки бедра постоянно происходят процессы ремоделирования, складывающиеся из резорбции части «старой» костной ткани и синтеза новой, с учетом функциональной адаптации. Так, после 20-летнего возраста в течение одного года жизни происходит обновление не более 3 % кортикальной и 25 % губчатой костной ткани [6].

Нарушение баланса в хрупкой системе ремоделирования является

одной из причин, ведущих к формированию различных патологических состояний в костной ткани, в том числе и к развитию коксар-троза [7]. Изменения показателей минерального обмена у пациентов с коксартрозом характеризуются уменьшением содержания кальция, фосфора и активности гормонов (кальцитонин, соматотропный гормон) на фоне неизменного уровня паратгормона в сыворотке крови, что свидетельствует о снижения синтеза костного матрикса и сохранении процессов резорбции костной ткани [8].

Коксартроз значительно ухудшает качество жизни больных и является одной из основных причин возникновения временной и стойкой потери трудоспособности. Согласно современным представлениям, остеоартроз рассматривается как гетерогенная группа заболеваний различной этиологии, но со сходными биологическими, морфологическими и клиническими исходами, при которых в патологический процесс вовлекается не только хрящевая ткань, но и все структуры сустава [9].

В настоящее время активно изучаются описательные характеристики круглой связки бедра, суставной поверхности и субхондральных отделов головки бедренной кости, химический состав губчатого вещества. В свою очередь, сведения о сравнительных морфометрических характеристиках костной ткани головки бедра в норме и при коксар-трозе немногочисленны [10, 11].

Цель исследования — дать сравнительную характеристику морфо-метрических показателей строения костной ткани головки бедра при коксартрозе и без данной патологии.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В исследование включали 16 пациентов с клинически выставленным диагнозом коксартроз ГГГ-ГУ степени (средний возраст пациентов 53,0 ± 3 года), поступавших в отделение травматологии и ортопедии ФГБЛПУ «НКЦОЗШ» для эн-допротезирования тазобедренного сустава. Длительность заболевания пациентов составила 9,5 ± 3,94 лет. Объектом морфологического исследования служили 16 головок бедренных костей, удаленных при эндопротезировании тазобедренного сустава у этих пациентов. Головки доставлялись из операционной в гистологическую лабораторию патологоанатомического отделения ФГБЛПУ «НКЦОЗШ».

Параметрами исключения из морфологического исследования были: выраженная деформация головки бедренной кости, наличие кист, а также посттравматическая этиология коксартроза.

В группу сравнения нами были включены 10 умерших пациентов, вскрытие которых проводилось на базе патологоанатомическом отделении ФГБЛПУ «НКЦОЗШ» за период 2010-2013 гг. По их историям болезни отслеживалось отсутствие заболеваний тазобедренных суставов. Объектом морфологического исследования служили 10 головок бедренных костей, изъятых у умерших в процессе аутопсии. Средний возраст умерших составил 57 ± 5,6 лет. В эту группу вошел материал с макроскопически неизмененной суставной поверхностью и отсутствием костной деформации.

Из полученного материала по описанной в литературе методике [12], в вертикальном направлении,

выпиливались три фрагмента костной ткани объемом 0,75 см3 (размерами 1,5 Ч 1,0 Ч 0,5 см) с дальнейшей маркировкой (Г — суставная поверхность и верхний отдел головки, II — средний отдел, III — глубокий отдел головки). Затем производилась фиксация материала в 10% растворе формалина и обработка в электролитическом декаль-цификаторе. После декальцифика-ции проводилась гистологическая проводка материала с дальнейшим заключением его в парафин. Серийные гистологические срезы (по 4-6 срезов с одного фрагмента) толщиной 5-6 мкм готовили на санном микротоме (МС-2), с последующей окраской гематоксилин-эозином и гематоксилин-пикрофуксином (по Ван-Гизону) [13]. Исследование проводилось на световом микроскопе (Биомед-6, Россия) с фотографированием микропрепаратов фотоаппаратом. В специализированном программном обеспечении проводилось измерение толщины костных балок и их площади в гистологических срезах выделенных участков.

Статистическую обработку полученных результатов проводили с помощью прикладного пакета программ Statistica 6.0. Проверку нормальности распределения количественных данных выполняли с помощью критерия Колмогорова-Смирнова. При получении значимых показателей критерия нулевую гипотезу о соответствии анализируемых данных нормальному закону распределения отвергали и дынные

были представлены в виде Ме — и0), где Ме — медиана, — и0) — интерквартильный разброс. Для выявления различий между группами по количественным показателям использовали непараметрические критерии Манна-Уитни и Краскела-Уоллеса. Различия считали статистически значимыми при р < 0,05 [14].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ При гистологическом исследовании материала группы сравнения отмечалась равномерная толщина хрящевой ткани суставной поверхности с сохранением всех зон: бесклеточная, поверхностная, переходная, зона изогенных групп, зона колонок, зона гипертрофированных клеток и зона кальцификации (рис. 1).

Во всех трех исследованных отделах головки бедра губчатое вещество состоит из непрерывно соединенных костных балок, образующих замкнутые полости — лакуны.

В лакунах поверхностного и среднего участков определяется костный мозг с небольшим количеством жировой ткани. Лакуны глубокого отдела свободны от костного мозга и лишь частично выполнены небольшим объемом жировой ткани. Разрастания фиброзной ткани не выявлялось (рис. 2).

В результате морфометрическо-го исследования образцов костной ткани головок бедра группы сравнения и головок бедра при

коксартрозе получены данные, показывающие толщину хрящевой ткани суставной поверхности, толщину костных балок и их площадь во всех трех исследованных нами участках (табл.).

При изучении вышеуказанных показателей в группе сравнения отмечается снижение толщины костных балок в III отделе на 30 % по сравнению с I и II отделами, а площадь костных балок в III отделе на 25 % ниже их площади в I отделе и на 22 % ниже, чем во II. Статистически значимых различий между толщиной и площадью костных балок в I и во II участках выявлено не было. Несмотря на более низкие толщину и площадь костных балок в глубоком отделе здоровой головки бедренной кости, ее механической прочности достаточно для поддержания нормального функционирования, что может быть связано с ее качественным составом за счет сохраненных процессов ремо-делирования.

В результате морфологического исследования костной ткани головки бедра при коксартрозе можно отметить неравномерную толщину суставной поверхности в разных участках, что проявляется с нарушением стратификации и архитектоники групп хондроцитов, различной выраженностью разрастания фиброзной ткани, участками фрагментации хряща и различной способностью восприятия красителя (рис. 3). В субхондральных отделах костной ткани определяются участки хондрогенеза. Основным

Рисунок 1

Суставная поверхность головки бедренной кости. Окраска гематоксилин-эозин, х50 Figure 1

Articular surface of the femur head. Staining with hematoxylin-eosin, x50

Рисунок 2

Костная ткань головки бедренной кости группы сравнения поверхностного (а), среднего (b) и глубокого (с) участков. Окраска гематоксилин-эозин, х100 Figure 2

The femur head bone tissue in superficial (a), middle (b) and deep (c) regions in the comparison group. Staining with hematoxylin-

eosin, x100

76

ПОЛИТРАВМА

процессом, наиболее обращающим на себя внимание, был фиброз костных лакун в субхондральных отделах губчатого вещества различной степени выраженности (рис. 4).

Полученная гистологическая картина не противоречит ранее проводимым исследованиям и свидетельствует о дегенеративно-дистрофических изменениях в костной

и хрящевой ткани исследуемых образцов [15].

Выполненные морфометрические исследования показали, что во всех трех исследуемых участках кост-

Таблица

Морфометрические показатели строения костной ткани в исследуемых группах

Table

The morphometric indices of bone tissue structure in the examined groups

Показатель Index Головки бедренной кости с коксартрозом Femur heads with coxarthrosis

Толщина суставной поверхности, мкм Articular surface thickness, |jm 722.14

Толщина костных балок в I участке, мкм Bone rod thickness in region I, jm 270.22

Толщина костных балок во II участке, мкм Bone rod thickness in region II, jm 265.34

Толщина костных балок в III участке, мкм Bone rod thickness in region III, jm 230.43 (181.39 - 283.25)* 158.64 (156.41 - 160.64)ab

Площадь костных балок в I участке, % Bone rod square in region I, % 42.63

Площадь костных балок в II участке, % Bone rod square in region II, % 33.98

Площадь костных балок в III участке, % Bone rod square in region III, % 28.13 (22.96 - 32.48)12* 33.083 (32.61 - 34.25)ab

Примечание: a - статистически значимые различия между показателями I и III участков в группе сравнения при р < 0.05; b - статистически значимые различия между показателями II и III участков в группе сравнения при р < 0.05; 1 - статистически значимые различия между показателями I и III участков в артрозной головке бедра при р < 0.05; 2 - статистически значимые различия между показателями II и III участков в артрозной головке бедра при р < 0.05; * - достоверные различия между морфометрическими показателями строения костной ткани при коксартрозе и группой сравнения при р < 0.05. Note: a - statistically significant differences between the indices of regions I and III in the comparison group, p < 0.05; b - statistically significant differences between the indices of regions II and III in the comparison group, p < 0.05; 1 - statistically significant differences between the indices of regions I and III in femur head with arthrosis, p < 0.05; 2 - statistically significant differences between the indices of regions II and III in femur head with arthrosis, p < 0.05; * - statistically significant differences between the morphometric indices of bone tissue in coxarthrosis and in the comparison group, p < 0.05.

Рисунок 3

Суставная поверхность головки бедренной кости при коксартрозе.

Окраска гематоксилин-эозином, х50 Figure 3

Articular surface of the femur head in coxarthrosis.

Staining with hematoxylin-eosin, x50

Рисунок 4

Субхондральный отдел костной ткани головки бедра при коксартрозе. Окраска гематоксилин-пикрофуксином, х100 Figure 4

The subchondral department of the femur head bone tissue in coxarthrosis. Staining with hematoxylin-eosin, x100

ной ткани головки бедра при кок-сартрозе толщина костных балок не имеет статистически значимых различий. Площадь костных балок в III участке ниже на 34 % по сравнению с I участком и на 17 % ниже, чем во II участке, что свидетельствует об их укорочении вследствие преобладания процессов резорбции над синтезом в данном участке.

По результатам проведения сравнительной характеристики морфо-метрических показателей строения костной ткани головки бедра при коксартрозе и без данной патологии выявлено, что толщина суставной

поверхности в артрозной головки бедра на 37,5 % ниже, чем в группе сравнения. Толщина костных балок во II участке головки бедра при коксартрозе больше на 14 %, а в III на 31 % по отношению к группе сравнения. Площадь костных балок во II участке ниже на 20 %, а в III участке на 15 % по отношению к группе сравнения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Морфометрические показатели костной ткани при коксартрозе характеризуются уменьшением площади костных балок, несмотря на уве-

личение их толщины, что свидетельствует о преобладании процессов резорбции костной ткани над ее синтезом. Преобладание процессов резорбции также подтверждается и нарушением целостности костных лакун, что, в свою очередь, влечет за собой снижение механической прочности в артрозной головки бедра.

Оценка таких морфометрических показателей, как толщина костных балок и их площадь в различных отделах головки бедра при коксар-трозе может быть использована для оценки процессов ремоделирования костной ткани.

ЛИТЕРАТУРА/REFERENCES:

1. Gayvoronsky IV. Human general anatomy. Т. 1 : textbook for medical schools. 3d revised edition. Saint-Petersburg : SpetsLit Publ., 2003. p. 107. Russian

2. Milyukov AY. Surgical tactics and organization of specialized medical assistance for patients with isolated, multiple and concomitant pelvic injuries. Dr. med. sci. diss. Новосибирск, 2013. 354 p. Russian

3. Nekachalov VV. Bone and joint pathology : manual. Saint-Petersburg : Sotis, 2000. p. 36-39. Russian

4. Histology atlas. Velsh U, editor. Moscow : GEOTAR-Media Publ., 2011. p. 76. Russian

5. Clanton ThO, De Lee JS. Osteochondritis dissecans. History, pathophysiologic and current treatment concepts. Clin. Orthop. 1982; 167: 50-64.

6. Akulich YV, Bryukhanov PA, Merzlyakov MV, Sotin AV. Estimation of relation of bone tissue structural adaptation. News of Saratov University. New series. 2011; Vol. II. Mathematics. Mechanics. Informatics Series.

7. Nikonova TA, Ustyantseva IM, Khokhlova OI. Mineral density indices and features of bone remodeling in coxarthrosis. In: Multiprofile hospital: problems and solutions : the collection of works from XVIth All-Russian scientific practical conference. Leninsk-Kuznetsky, 2012. С. 88. Russian

8. Davydov DA, Nikonova TA, Ustyantseva IM. Relationship between pathomorphological parameters of femoral head structure and bo-

ne remodeling markers in coxarthrosis. Polytrauma. 2013;

9. Gerk SA, Golovanova OA. Human bone apatite - features of chemical structure in pathology. Butlerov's messages. 2011;

10. Semenova LA, Radenska-Lopovok SG, Alekseeva LI. Morphologic characteristics of osteoarthrosis. Archive of pathology. 2010;

11. Shostak NA, Klimenko AA, Nikolenko MV. Osteoarthrosis: the issues of pathogenesis and treatment. Clinicist. 2010.

12. Golovanova OA, Lemesheva SA. Composition and structure of human bone tissues as reflection of pathogenic mineralization processes in coxarthrosis. Bulletin of Omsk University. 2010;

13. Histologic and microscopic techniques : manual. Sapozhnikov AG, Dorosevich AE, editors. Smolensk : SAU Publ., 2000. 476 p. Russian

14. Glants S. Biomedical Statistics : translated from English. Moscow : Praktika Publ., 1998. 459 p. Russian

15. Goldberg OA, Grishina LP, Kanya OV, Koryak VA, Lebedev VF. About the issue of femoral head pathomorthology in coxarthrosis of stages III-IV. Bulletin of East Siberian Scientific Center. 2012;

ПОЛИТРАВМА

Сведения об авторах:

Давыдов Д.А., врач-патологоанатом, патологоанатомическое отделение, Федеральное государственное бюджетное лечебно-профилактическое учреждение «Научно-клинический центр охраны здоровья шахтеров», г. Ленинск-Кузнецкий, Россия.

Устьянцева И.М., д.б.н., профессор, заместитель директора по клинической лабораторной диагностике, Федеральное государственное бюджетное лечебно-профилактическое учреждение «Научно-клинический центр охраны здоровья шахтеров», г. Ленинск-Кузнецкий, Россия.

Information about authors:

Davydov D.A., anatomic pathologist, anatomic pathology department, Federal Scientific Clinical Center of Miners' Health Protection, Len-insk-Kuznetsky, Russia.

Ustyantseva I.M., PhD, professor, deputy director of clinical laboratory diagnostics, Federal Scientific Clinical Center of Miners' Health Protection, Leninsk-Kuznetsky, Russia.

Адрес для переписки:

Устьянцева И.М., 7-й Микрорайон, № 9, г. Ленинск-Кузнецкий, Кемеровская область, Россия, 652509 Тел: +7 (384-56) 9-55-11 E-mail: irmaust@gnkc.kuzbass.net

Address for correspondence:

Ustyantseva I.M., 7th district, 9, Leninsk-Kuznetsky, Kemerovo region, Russia, 652509

Tel: +7 (384-56) 9-55-11 E-mail: irmaust@gnkc.kuzbass.net