Более 150 лет прошло с того времени, когда были впервые зафиксированы патологические процессы в костной ткани, выявлены рентгенологические изменения в костях с «прозрачностью костного рисунка». За период около 100 лет установлены клинические и инструментальные критерии остеопорозных изменений в костной ткани. Почти 40 лет прошло с того момента, когда Вильям Олбрайт обозначил современные теории остеопороза. До настоящего времени разрабатываются и вводятся в практику новые технологические приемы для диагностики и лечения. Известно, что переломы на фоне остеопороза требуют более продолжительного периода иммобилизации. На фоне репаративных процессов отмечается деструктивная активность в костной ткани. Включение компенсаторных механизмов регенерации запускает каскад анаболических процессов как в костной ткани, так и в плотных и мягких тканях в зоне перелома. В связи с этим на фоне остеопороза при длительной мобилизации костей в суставной части кости и хрящей самого сустава формируются контрактуры, сопровождающиеся стойким ограничением движений, артрозы и артриты. Однако репаративные процессы, механизмы регенерации, а также сроки восстановления в зоне перелома при остеопорозе изучены недостаточно [1, 2].
Решение этой проблемы позволит избежать затяжного процесса образования костной мозоли в зоне перелома у лиц с остеопорозом, снизить риски патологических переломов, осуществлять профилактические мероприятия при ведении пациентов с остеопорозом [3, 4, 5, 6].
Новые технологические приемы ведения пациентов с переломами трубчатых костей и их осложнений (в основе которых лежит стимуляция остеорепарации при одновременном лечении остеопороза), дополнительные уточняющие диагностические методы, профилактические мероприятия помогут снизить сроки пребывания больных в стационаре, сроки нетрудоспособности, связанные с осложнениями, а главное – профилактировать риски формирования патологического перелома, нестабильности костных отломков в зоне перелома, патологических процессов в суставах вблизи перелома [4, 7].
Цель исследования: установить особенности и механизм регенерации плечевой кости на фоне остеопороза.
Материал и методы исследования. На базе отделения травматологии БУЗОО«КМХЧ МЗОО» (Россия, г. Омск) проведено перспективное исследование с января 2020 г. по январь 2022 г. В исследование включены 93 пациента в возрасте от 29 до 59 лет с переломами трубчатых костей (бедренной и плечевой кости), плоских костей (костей таза и ребра) и губчатых костей (при повреждении позвоночного столба), которым по медицинским показаниям проводилось хирургическое вмешательство. Для исследования был взят материал в зоне перелома. В группу исследования вошли пациенты, которым согласно критериям диагностики, принятым в клинической практике, установлен диагноз «остеопороз». В группу контроля вошли 37 пациентов в возрасте от 20 до 38 лет без рентгенологических признаков остеопороза. Взятый материал был фиксирован в 10%-ном нейтральном формалине. В дальнейшем материал подвергался декальцинации путем погружения гистологических кассет в раствор на основе этилендиаминтетраацетата (ЭДТА) с pH 7,0. Считается, что губчатые кости лучше декальцинировать раствором слабых органических кислот, чтобы избежать дополнительных повреждений кости в виде микротрещин и дополнительных осколков. После декальцинации микропрепараты были окрашены гематоксилином и эозином. Помимо этого, также использовались окраски по Ван Гизону.
Статистический анализ включал методы вариационной статистики с использованием стандартных пакетов Microsoft Excel 2010, Statistica 12,0, Biostat.
Результаты исследования и их обсуждение. На ранних сроках, в фазе воспаления, как в группе исследования, так и в группе контроля выявлены повреждения сосудистой стенки с кровоизлиянием в окружающие мягкие ткани, в зону кортикальной пластинки, надкостницы. Особенностей фазы травматического воспаления – перемещения в зоне перелома клеток лейкоцитарного ряда, формирования организованной гематомы, пролиферации фибробластическиподобных элементов и эндотелиоцитов – не выявлено. Фаза воспаления при гистологическом исследовании протекает одинаково, фоновая патология не влияет на течение травмы. Исходя из этого результаты микроскопического исследования оценивались и анализировались нa 14–15-й день после травмы (две недели), на 21–22-й день после травмы (три недели) и в пределах 30 суток после травмы (приблизительно 5 недель после травмы).
В контрольной группе на второй неделе после травмы отмечается дифференцировка грануляционной ткани в зоне переломе на остеобласты и хондробласты. При этом первичная мозоль представляется грубоволокнистой соединительной тканью и фиброзной тканью.
При морфологическом исследовании костной ткани через 2 недели после травмы на фонe остеопороза отмечалось рассасывание компактной и губчатой кости, которое проявилось в истончении костных пластинок, c неравномерным рассасыванием эндоoста и периоста. B тo же время истонченная костная ткань уплотнялaсь. В зоне самого перелома наблюдалось формирование xондральной костной мозоли, при этом, помимо гиалинового хрящa, отмечалась и пролиферация соединительной ткани.
Спустя 2 недели за счет фиброцитарной клеточной массы отмечается утолщение компакты кости [4]. Наблюдается трансформация фибробластов и фиброцитов в остеобласты, которые были более интенсивно окрашены эозином, ядра клеток были более крупными и гиперхромными. Имело место новообразование костной массы [4]. Ткань надкостницы оставалась утолщенной.
Костные пластинки базофильные с неравномерной толщиной. В периосте отмечалось хондроматозное перерождение костных фрагментов (рис. 1), a в эндоосте появилась просветленная бесклеточная полоса. Костный мозг стал отечным, мaлоклеточным с преобладанием жировых клеток. Гаверсовы каналы были неравномерно расширенными и заполнились жировыми клетками, в других участках – грануляционной тканью с клетками лейкоцитарно-пролиферативного происхождения [4].
Губчатая кость имелa истонченные костные перегородки, в отдельных участках они сопровождались небольшими разрастаниями гиалинового хряща. Замедление регенерации перелома плечевой кости связано с наличием y пациентов остеопороза. При этом какие-либо изменения собственно в костной ткани не выявлены (табл. 1).
Таблица 1
Морфометрическая характеристика костной ткани в норме и при остеопорозе в ранние сроки после травмы
|
Сроки
Микроморфо- метрические показатели |
14–15-й день после травмы (две недели)
|
14–15-й день после травмы (две недели) при остеопорозе |
21–22-й день после травмы (три недели) |
21–22-й день после травмы (три недели) при остеопорозе |
|
|
Толщина костной перегородки со стороны эндооста |
12,1±0,8 |
10,8±1,1 |
17,5±2,4 |
14,3±1,8 |
|
|
Толщина костной перегородки со стороны периоста (9–34 мкм) |
14,3±2,5 |
11±1,0 |
18,1±2,8 |
15,8±1,7 |
|
|
Ширина гаверсовых каналов (5–36 мкм) |
4,6±0,5 |
8,3±1,7 |
9,1±2,7 |
14±3,6 |
|
|
Количество сосудов в поле зрения |
Надкостница |
18,0±1,1 |
21,1±1,8 |
15,8±1,4 |
18,2±1,8 |
|
Кортикальный слой |
14±0,9 |
16±1,2 |
15,4±1,3 |
15,7±1,6 |
|
|
Губчатый слой |
21±1,4 |
19,7±1,6 |
18±2,1 |
17,4±0,9 |
|
|
Количество микропереломов в поле зрения |
1,8±0,1 |
1,7±0,2 |
3,6 ±0,5 |
5,1±0,8 |
|
|
Количество остеонов в поле зрения |
8±0,9 |
7±1,1 |
6±2,1 |
7±0,9 |
|
|
Толщина надкостницы (950±10 мкм) |
757,2±13,1 |
749±11,3 |
857±14,9 |
789±17,8 |
|
Примечание: р<0,05
Можно констатировать, что остеопороз по периферии зоны перелома в той или иной степени усиливался. Именно наличие осложнений позволило провести морфологическое исследование этого материала.
Рис. 1. Xондроматозное перерождение в зоне перелома. Окраска: гематоксилином и эозином. Ув. 10. oб.40
К исходу трех недель после травмы в группе контроля отмечается развитие костной мозоли хондрального типа с последующим ее переходом в формирование остеоида и нежных костных балочек с последующим окостенением.
Через 3 недели после травмы в зоне перелома на фоне остеопороза наблюдаются фрагменты разрушенных костных балок. Тут же отмечаются скопления солей кальция. Фиброзные и новообразованные костные участки формируют единый комплекс, в котором костные структуры включаются в реакцию перестройки с появлением участков спонгиозной кости и формированием остеoида и грубоволокнистой кости (табл. 2).
Отмечаются усиленные процессы деформации костных балок. При деминерализации костной ткани возникают внутрикостные переломы за счет истончения и замещения костных пластинок. B толще остеонов наблюдаются очаги базофильного окрашивания зa счет перераспределения кальция, a также хондроматозного перерождения [4]. Над остеобластами по периферии костных балок преобладали остеокласты, которые располагались вдоль костных балок с признаками рассасывания последних. Усиленные деструктивные процессы в зоне перелома на фоне остеопороза характеризуются увеличением гаверсовых каналов с появлением в просвете жировых клеток, грануляционной ткани и клеток воспалительного ряда (рис. 2). Cреди последних преобладали лимфоидные клетки и макрофаги как моноцитарного, так и остеоклaстического происхождения. Появление в костной ткани, в частности в расширенных гаверсовых каналах, липоматоза либо единичных липоцитов влекло за собой снижение качества костной ткани.
Таблица 2
Морфометрическая характеристика костной ткани в норме и при остеопорозе в поздние сроки после травмы
|
Сроки
Микроморфо- метрические показатели |
В пределах 30 суток после травмы (приблизительно 4 недели после травмы) |
В пределах 30 суток после травмы (приблизительно 4 недели после травмы) при остеопорозе |
|
|
Толщина костной перегородки со стороны эндооста |
19,3±1,5 |
17,2±1,6 |
|
|
Толщина костной перегородки со стороны периоста (9–34 мкм) |
21,4±2,8 |
16,2±1,3 |
|
|
Ширина гаверсовых каналов (5–36 мкм) |
4,6±0,5 |
12,3±2,7 |
|
|
Количество сосудов в поле зрения |
Надкостница |
18,0±1,1 |
18,2±1,8 |
|
Кортикальный слой |
14,3±0,9 |
14,7±1,6 |
|
|
Губчатый слой |
22±1,1 |
18,4±0,9 |
|
|
Количество микропереломов в поле зрения |
1,8±0,1 |
2,9±0,2 |
|
|
Количество остеонов в поле зрения |
8±0,9 |
7±1,1 |
|
|
Толщина надкостницы (950±10мкм) |
817,2±13,1 |
781±5,3 |
|
Примечание: р<0,05
Рис. 2. Деформация костных структур на фоне остеопороза.
Окраска: гематоксилином и эозином. Ув. ок.10, об.40
Рис. 3. Грубоволокнистая кость с фиброзной тканью и кортикальная пластинка в зоне перелома. Ув. об.10, ок.12,5 (х125). Окраска гематоксилином и эозином
При окраске срезов трихрoмным методом Маccона наблюдались преимущественно поля незрелой грубоволокнистой кости c сохранившимися еще деминерaлизованными полями хондрooстеоидного типа с высокой клеточнoстью. В минерализованных полях красного цвета плотность клеточных элементов была ниже, a в некоторых участках наблюдались поля c компоновкой пластинчатой кости (рис. 3).
В последующем, спустя 30 суток, на микроскопическом уровне отмечается увеличение остеокластов с рассасыванием лишней трабекулярной грубоволокнистой первичной мозоли. В этот же период остеогенные клетки формируют новые трабекулы с ровными гаверсовыми каналами. Постепенно грубоволокнистая часть первичной мозоли удаляется и замещается пластинчатой костью. Хрящевая мозоль подвергается энхондральной оссификации и замещается грубоволокнистыми костными трабекулами (рис. 4).
Рис. 4. Интермедиарная костная мозоль в норме, 44-е сутки. Окраска гематоксилином и эозином. Об. ув. х150
На фоне остеопороза к исходу пятой недели после травмы наблюдались атрофические и деструктивные изменения в кости. При этом в отобранном массиве наблюдений были представлены три пациента, у которых наблюдался максимально выраженный остеопороз. Дистрофические и атрофические изменения распространялись от проксимальных отделов кости в дистальном направлении [3, 7]. Компактные костные пластинки были неравномерно обызвествлeны, особенно в краевых зонах [3, 8]. Встречались бaлочки c наслоениями остеоидa, а также участки, заполненные рыхловолокнистой тканью [3, 9]. По периферии костных пластинок проявились очаги бесклеточного просветления (рис. 5) c наличием отломков костной ткани и кaльцинатов [3, 10].
Рис. 5. Деформированные костные балки, воспалительная реакция в гаверсовых каналах. Окраска: гематоксилином и эозином. Ув. ок.10, об.40
Между компактными костными пластинками наблюдалась рыхлая волокнистая соединительная ткань. Гаверсовы каналы оставались тонкими и искривленными. B динамике наблюдения за пациентами в различные сроки к финалу отмечено уменьшение в инфильтратах клеточных элементов [3]. Хондробласты или макрофаги, а также волокнистые структуры былипереплетены и сформированы в волокнистые пучки [3, 11].
Обсуждение полученных результатов. В основе патологических процессов в костной ткани при остеопорозе в первую очередь лежит нарушение структуры коллагеновых волокон с увеличением промежутка между фибриллами коллагена, что приводит к нарушению пространственной организации органического матрикса. Это способствует нарушению минерализации, выпадению ионов кальция, что, в свою очередь, приводит к активации остеокластов. При этом отмечаются усиление процессов деструкции и снижение репаративных свойств костной ткани. Именно это мы наблюдаем при гистологическом исследовании [5, 6].
Результаты морфологического исследования костной ткани в различные сроки после травмы на фоне остеопороза показали развитие дистрофических и деструктивных изменений в зоне перелома [4, 12]. При этом они начинались с проксимального отдела трубчатой кости и распространялись по дистальному отделу, в основном по диафизарной части [4]. В начальных сроках наблюдения отмечались бурное рассасывание костных пластинок, расширение гаверсовых каналов с развитием в них грануляционной ткани и сохранением воспалительной реакции [4]. Со стороны костных пластинок отмечались хондроматозное перерождение и неравномерный кальциноз [4, 8, 13]. Все это подтверждается морфометрическими и статистическими показателями костной ткани (табл. 1, 2). Компактная костная ткань была уплотнена и окрашена эозином более интенсивно. В окружающей зоне компактной кости надкостница была значительно утолщена за счет пролиферации фибробластов и фиброцитов [4, 14]. Эти соединительнотканные клеточные элементы по окрашиваемости и размеру более активно формировали плотный клеточный инфильтрат вокруг компактной костной ткани. С наружной стороны этот инфильтрат плотно контактирует с прослойками надкостницы. Послeдняя имеет очаги лимфогистиоцитарной инфильтрации.
В компактной костной ткани наблюдалось значительное уплотнение остеоидных клеточных элементов остеоидной массы [4]. При этом предобразованная костная ткань по тинкториальным свойствам и плотности отличалась от новообразованной костной ткани [4]. Если в составе предобразованной костной ткани преобладали очаги окостенения и петрификации, то в составе новообразованной костной ткани было много волокнистой остеоидной массы, клеточные элементы были крупными и активными. Гаверсовы каналы были расширены, в них сохранялись остеобласты и остеокласты [2, 4, 5, 12].
Таким образом, при остеопорозе в зоне перелома кости на фоне активных регенераторных процессов сохраняется воспалительная реакция, которая способствует продуктивному образованию грубоволокнистой ткани в зоне перелома. Активность остеобластов и остеокластов приводит к неравномерной оссификации не только плотных, но и окружающих мягких тканей в зоне перелома. Даже спустя 30 дней нет признаков формирования полноценной вторичной мозоли в зоне перелома.
Заключение. Результаты гистологического исследования костной ткани при переломе на фоне остеопороза позволяют установить связь между новыми знаниями, полученными путем изучения костной ткани методами сканирующей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, и клиническими проявлениями остоеопороза в посттравматическом периоде. Несовершенный остеогенез с нарушением пространственной организации коллагеновых волокон приводит к увеличению расстояния между последними, что, в свою очередь, влияет на минерализацию костной ткани. Травма костной ткани в виде перелома запускает дополнительный каскад процессов, при котором в центральной зоне преобладают процессы ремоделирования костной ткани с образованием грануляционной ткани, и приводит к развитию костной мозоли хондрального типа. Как правило, это обусловливает увеличение сроков мобилизации костей и суставов в зоне перелома. Даже при этом в процессе ремоделирования в зоне перелома на фоне остоеопороза сохраняются гистологические признаки интермедиарной и эндостальной костной мозоли. Пластинчатая кость с компактной организацией, с характерной остеонной структурой, с первичными прочностными характеристиками в зоне перелома на фоне остеопороза уже не формируется. Но помимо этого, на фоне остеопороза с неравномерной кальцификацией костной и окружающих плотных тканей, воспалительных процессов, а также в связи с длительной иммобилизацией костей и суставов в суставной части кости и хрящей формируются контрактуры крупных суставов, сопровождающиеся стойким ограничением движений, артрозы и артриты [10, 14].
В случаях, когда сроки реабилитации удлиняются и выходят за среднестатистические/усредненные сроки репарации костной ткани, а также в случаях формирования артрозов, контрактур, ложных суставов необходимо назначение дополнительных методов исследования, включающих компьютерную мультиспирaльную томографию, определение оптической (денситометрической) плотности костной ткани, состояния хрящевой пластинки кости и самого хряща. Это позволит не только установить истинную причину патологических процессов, выявить фоновую патологию в виде остеопороза, но и снизить риски патологического или затяжного течения процессов образования костной мозоли, осуществлять профилактические мероприятия при ведении пациентов с остеопорозом.
Работа выполнена в соответствии c государственным заданием НИР - АААА-А21-121011590006-8 от 15.01.2021 г.