Автореферат и диссертация по медицине (14.00.19) на тему:Регионарное кровообращение как фактор регуляции функционального состояния костной ткани в условиях "in vitro"

Р Г Б ОД 2 7 ЯНВ 19.97

На правах рукописи

БЕРГАЛИЕВ Артур Нуралиевич

РЕГИОНАРНОЕ КРОВООБРАЩЕНИЕ КАК ФАКТОР РЕГУЛЯЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ В УСЛОВИЯХ «IN VIVO»

14.00.19 — лучевая диагностика, лучевая терапия 14.00.17 — нормальная физиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

санкт-петербург 1996

Работа выполнена в Российском научно-исследовательском детском ортопедическом институте им. Г. И. Турнера.

Научные руководители: д. м. н. М. Г. Дудин; д. м. и. В. Г. Кра-сильииков.

Официальные оппоненты: профессор, д. м. н. Н. П. Фадеев, д. м. и. Н. П. Ерофеев.

Ведущая организация: Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена.

Защита диссертации состоится: «¿9 » 199^-года в

часов на заседании диссертационного советаA-Oi4.7i.of, при Центральном научно-исследовательском рентгено-радиологическом институте Минздрава РФ (189645, г. Санкт-Петербург, и/о Песочный-2, ул. Ленинградская, д. 70/4).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке института.

Автореферат

Ученый секретарь диссертационного совета

Л. И. Корытова

ОИЩАЯ ХЛНЛК'ПЛ'ИСТИКЛ РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ Кровообращение в костной ткани уже много лет является предметом изучения о нормальной и патологической остеологии. Исследованиями отечественных и зарубежных авторов были установлены: принципиальная схема сосудистого обеспечения в различных отделах скелета, строение костных сосудов, функциональная взаимосвязь артериальной и венозной систем (Ансеров Н.И.,1927; Привес М.Г., 1948; Костри-ков B.C.,1956; Шилова A.B.,1958; Стецула В.И.,1968-1977; Оноприенко Г.А.,1972; Витола М.К. с соавт.,1978; Trueta J., Harrison M.N.,1953; Branemark P.S.,1968; Michelsen K.,1968; Rhinelander F.W.,1972; Tonde-vold E., 1983; Hughe. S.P.F. et al.,1986 и др.).

Результаты работ последнего ^времени свидетельствуют о высокой мобильности и изменчивости интенсивности кровообращения как в сторону его уменьшения, так и в сторону увеличения. Имеются публикации. в которых авторы указывают, что усиление внугрикостного кровотока наблюдается при артериальном введении ацетилхолина, при люм-бальной симлатэктомии (Bulow J., 1985), при введении оксида азота (Iversen P.O. et а!.,1994) и в условиях развивающегося тканевого ацидоза (Davis T.R., Wood М.В.,1993).

Dohler J.R., Hennig F.F., Hughes S.P.F. (1995) при внутривенном введении адреналина и инсулина наблюдали снижение интенсивности внутрикостного кровотока.

Однако, в подавляющем большинстве случаев изучение микроциркуляции и регуляции внутрикостного кровотока проводилось без учета состояния собственно костной ткани. Сведения -.г- ее реакции на изменение кровоснабжения, были получены только при проведении оперативных вмешательств или при травматических переломах (Куприянов В.В.,1967; Стецула В.И.,1968-1977; Оноприенко Г.А.,1981; Свешников A.A.,1981-1985; Хэм А., Кормак. Д.,1983, Долышцкий О.В., Радомский

A.A.,1987; Nutton R.M. et al.,1985; Klein LeRoy,1985; Brody A.S. et al.,1991 и др.). • '

Между тем считается, что нарушение кровоснабжения играет существенную роль в патогенезе ряда заболеваний опорно-двигательного аппарата. К ним уверенно могут быть отнесены болезнь Пертеса (Аба-льмасова Е.А.,1976; До.пьницкий О.В., Радомский A.A.,1987; Betts W.E., 1975; Bernsahel Н. et al., 1983; Hickman D. et al,1984; и др.), врожденный парциальный гигантизм (Беляева A.A., Ульмасова У.Р.,1983; Мало-ва М.Н.,1985; Конюхов М.П.,1989 и др.). Есть подобные выводы и в отношении некоторых других заболеваний опорно-двигательного аппарата.

С другой стороны, при применении различных методов лечения, влияющих на около- и внутрикостное сосудистое русло, представление об их эффективности, а также механизме воздействия на костную ткань имеет достаточно гипотетический характер.

Таким образом установление связей между функциональным состоянием костной ткани и интенсивностью кровообращения имеет как теоретическое, так и практическое значение.

В связи с этим, ЦЕЛЬЮ настоящей работы явилось выявление зависимости функционального состояния интактной костной ткани от уровня интенсивности ее кровоснабжения в хроническом эксперименте, в условиях "in vivo",

В работе поставлены следующие ЗАДАЧИ:

1. На основе радионуклидной методики изучить нормальное регионарное кровообращение в костной ткани.

2. По показателям фармакокинетики остеотропного радиофармпрепарата дать оценку функциональному состоянию костной ткани в норме.

3. По показателям фармакокинетики радиофармпрепарата изучить характер изменений кровоснабжения при воздействии различных факторов на состояние кровеносных сосудов: - '•

- а условиях реактивной гиперемии после полной кратковременной окклюзии магистральных сосудов;

- в условиях воздействия медиаторов вегетативной нервной системы - ацетилхоллна и норадреналина.

4. По показателям фармакокинетики остеотропного радиофармпрепарата исследовать реакцию костной ткани на условия измененного кровоснабжения.

5. На основе полученных показателей, характеризующих кровообращение и функциональное состояние костной ткани построить модель "особенности сосудистой регуляции функционального состояния ннтакт-ной костной ткани".

нл: чнлн понизил рлноты.

Впервые в условиях "in vivo" было одновременно исследовано состояние регионарного кровоснабжения и уровень функциональной активности костной ткани у интзктных животных на протяжении всего периода роста. Были получены данные, указывающие на отчетливую физиологическую асимметрию в анатомически симметричных областях скелета, что обосновывает учет этого явления при клинических радиологических исследованиях, использующих один из парных органов в качестве контроля.

Впервые, с помощью радионуклидного метода было изучено влияние на регионарное кровообращение механического пережатия и внутрикостного введения ацетилхолина и норадреналина - медиаторов вегетативной нерзной системы.

Впервые на основе показателей фармакокинетики остеотропного радиофармпрепарата изучена реакция костной ткани г метаэпифизар-ных зонах длинных трубчатых костей на изменение интенсивности кровообращения. Отмечено, что уровень тканезого метаболизма прямо зависит от характера кровообращения: его показатели повышались при увеличении кровоснабжения после кратковременной окклюзии сосудов

и введения ацетилхолнна и понижались при снижении кровоснабжения, вызванного введением норадреналина.

Впервые разработана схема модели, связывающей состояния регионарного кровотока и костной ткани.

практическая ценность раноты.

Результаты исследований относятся к разделу фундаментальных знаний и могут быть использоны в физиологии костной ткани (изучение процессов обмена с учетом кровоснабжения и др.), патофизиологии (развитие патологического процесса в костной ткани вследствие нарушения нейро-сосудистого обеспечения и др.), патоморфологии (исследование микроструктуры костных клеток в зависимости от состояния вегетативной'и сосудистой систем и др.).

Наряду с этим результаты исследований имеют практическое значение для разработки обоснованных методов регуляции функционального состояния костной ткани с учетом сосудистого фактора у больных с рядом заболеваний опорно-двигательного аппарата.

на защиту выносятся следующие положения.

1. В течении всего периода активного роста интактных животных в области коленных суставов с высокой частотой (примерно 2/3 наблюдений) отмечается физиологическая асимметрия в кровоснабжении и функциональной активности костной ткани. Данные о физиологической асимметрии необходимо учитывать при изучении состояния регионарного кровообращения и функциональной активности костной ткани на основе использования радионуклидного метода. •

2. Следствием кратковременной полной окклюзии магистральных сосудов в костной и мягких тканях ниже области пережатия является выраженная и длительная (до 7 суток) реактивная гиперемия, приводящая к повышению функциональной активности костной ткани.

3. Внутрикостное введение ацетилхолина приводит к локальному повышению интенсивности кровоснабжения и активности обменных процессов в костной ткани.

4. Внутрикостное введение норадреналина приводит к локальному снижению интенсивности кровоснабжения и активности обменных процессов в костной ткани.

5. Искусственно вызванное изменение кровообращения кости могут инициировать соответствующие сдвиги функционального состояния костной ткани в развитии которых, немаловажную роль играет состояние гидратации интерстициального пространства.

. публикации и а про наци я результатов.

По теме диссертации было опубликовано 5 статей. Основные положения выполненной работы были доложены в виде доклада на научно-практической конференции в г. Казани (1996} и опубликованы в виде тезисов на Всемирном Конгрессе международного общества ортопедов-травматологов в г.Лмстердаме (1996).

он мод и структура рлвоты

Материалы диссертации представлены на 146 стр., в том числе 130 стр. составляют собственно текст диссертации. Она состоит из введения, обзора литературы, главы "Материал и методы исследования", главы "Анализ собственных результатов", заключения, выводов и списка использованной литературы. Работа содержит 35 рисунков и 18 таблиц. Список литературы включает 172 источника, из них 105 на русском и 67 на иностранных языках.

содержание работы о материал и методы исследования.

Для решения поставленных задач, в хроническом эксперименте использовались кролики породы "шиншилла" в возрасте активного роста скелета (от 2 до 12 месяцев)1 и весом 1-3,5 кг. Всего в эксперименте было использовано 25 кроликов. В основу эксперимента был положен

л

принцип серийности, который позволил на достаточно минимальном числе животных осуществить многочисленные эксперименты-(193 опыта). Было проведено 4 серии экспериментов:

1-я серия - контрольная. В ней изучались регионарное кровообращение и функциональное состояние костной ткани у интактных животных (6 кроликов) без каких-либо вмешательств и манипуляций (72 опыта). Все опыты начинались на животных в возрасте 2 месяцев при весе 0,6-0,8 кг и продолжались в течение последующих 10 месяцев с частотой 1-2 эксперимента в месяц.

2-я горня - :и;('н('р»чспталм1ан. В ней изучались реакции регионарного кровотока и функционального состояния костной ткани на механическое кратковременное (от 5 до 25 минут) пережатие (65 опытов с частотой выполнения 1 раз в 7-10 дней), которое осуществлялось с помощью кровоостанавливающего жгута или пневматической манжетки (давление более 150 мм рт.ст.).

3-й серия - гн.тисрнмснтолытя. В этой серии исследовались изменения регионального кровотока и функционального состояния костной ткани при внутрикостном введении ацетилхолина - аналога естественного медиатора парасимпатической нервной системы, активатора Ми Н-холинореактивных систем (26 опытов с числом повторений 4-5 раз в течении 3-4 месяцев).

4-я серия - экспериментальная. В данной серии иследовались изменения регионарного кровотока и функционального состояния костной ткани при внутрикостном введении норадреналина - аналога естественного медиатора симпатической нервной системы, активатора преимущественно а-адренергических рецепторов (30 опытов). Опыты, как и в предыдущей серии проводились с числом, повторений 4-5 раз в течении 3-4 месяцев. .

Растворы ацетилхолина и норадреналина готовились кепосредст-' aeuuo перед введением и для избежания побочных эффектов вводились в малом объеме (0,005 мл). Дозы вазоактивкых веществ подбирались

такие, которые вызывали достаточно выраженный локальный эффект, но не давали генерализованной системной реакции, выражавшейся в изменениях сердечной деятельности, артериального давления, дыхания и пр. Введение минимальных доз позволяло рассчитывать на инактивацию примененных нейромедиаторов в области введения за счет собственных ферментных систем (ацетилхолинэстераза, моноаминоксидаза и пр.), что практически исключало их влияние на контрлатеральную (контрольную) конечность. Ацетилхолин использовался в дозе 7,5 мкг/кг, а норадреналин - 5,0 мкг/кг массы тела животного. Препараты вводились в латеральный мыщелок правого бедра.

Для исключения реакции со стороны сосудистого русла и функционального состояния костной ткани на локальную травматическую процедуру (прокол иглы) и введение жидкости, в аналогичной зоне (ла-геральный мыщелок дистального отдела бедренной кости) левой конечности одновременно проводилась внутрикостная инъекция Того же объема физиологического раствора.

Во второй, третьей и четвертой сериях исследования выполнялись по следующей схеме: накануне основного опыта (выполнение кратковременного пережатия или внутрикостное введение вазоактивных медиаторов), а затем на протяжении определенного временного периода, необходимого для нормализации исследуемых параметров, осуществлялся контроль за регионарным кровотоком и функциональным состоянием костной ткани.

Во всех опытах в качестве зон интереса были ьыбраны области коленных суставов левой и правой задних конечностей. Причиной тому послужили наличие в них выраженных магистральных сосудов, присутствие самых крупных ростковых зон в скелете животного, минимум мягких тканей и удобное для выполняемых манипуляций расположение сустава. Независимо от характера серии коленный сустав левой задней конечности рассматривался как контрольный и данные, полученные при обработке информации, принимались за 100%, а правый коленный сус-

тав, на который осуществлялось воздействие, являлся экспериментальным. . . МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ:

I. Ралиоиуклилнын метол, позволяющий одновременно оценить состояние регионарного кровообращения и функциональную активность костной ткани "¡n vivo". Его основой является экстракорпоральная регистрация у-квантов, излучаемых радиофармпрепаратом введенного внутривенно в виде болюса (комка) и активно включающегося в различные обменные процессы живого организма. Технологически этот метод обладает достаточной чувствительностью, атравматичен.

В настоящей работе в качестве радиофармпрепарата использовались 99тТс пертехнетат и остеотропный комплексон пирфотех. Первый из них ("тТс пертехнетат), как химическое соединение, представляет собой пертехнетат щелочных металлов (NaTc04), и рекомендуется для исследования кровообращения, т.к. не обладает какой-либо тканевой или органной избирательностью и циркулирует в крови. Второй из них ("тТс пирфотех) является остеотролным препаратом и используется при исследовании костной ткани. При выполнении настоящего исследования в ряде опытов использовались раздельно как пертехнетат, так и 99тТс пирфотех. Однако существенного различия в информации о состоянии регионарного кровотока не получено.. Это позволило в дальнейшем применять только 99тТс пирфотех. Радиофармпрепарат вводился внутривенно в краевую вену уха кролика одномоментно. Сбор ин-* формации проводился с первых секунд после внутривенной иньекции и продолжался на протяжении 4-х часов.

Оценка кровообращения и функционального состояния костной ткани осуществлялась на основе анализа данных, полученных в результате построения кривой "активность/время" раздельно для первых 5 минут циркуляции радиометки и для последующих четырех часов фар-"макокинетики остеотропного РФП. При этом использовался показатель - среднее значение радиоактивности на единицу площади с учетом

времени сбора и постоянной физического распада ээтТс (импульс/ ячейка/минута/коэффициент физического распада). .

Вид рассчетной кривой "активность/время", полученной для 20240 минут и учитывающей физический распад, представлен ниже на рисунке N1.

г&о

(пчп.)

a aso к 300

т' и

200 и 150

О

с 100 т 50

ь

кролик N 15, 26.03.93 г., 2 мсс.

-Ж--

-Ж

20 40 80 S0 100 120 НО НО 180 100 ВРЕМЯ (чин.)

I'iie.I. График "¿штипностъ/время", полученный при расчете с учетом физического распада.

Обозначения', по оси к - время сбора информации с момента введения болюса РФП, выраженное в мин.; по оси у - количество зарегистрированных гамма-квантов с учетом времени сбора, плошади зон интереса и постоянной физического распада ®9тТс, выраженной в имп./мин./ яч.

Введение поправки, исключающей влияние процесса физического распада на расчеты, позволяет получить кривую "активность/время", • отражающую только биологический процесс взаимодействия исследуемой ткани и радиофармпрепарата.

Для экстракорпоральной регистрации у-квантов использовалась гамма-камера ГКС-200 с вычислительным комплексом СМ-1420.

2. Рентгенологический истод, Использовался в качестве дополнительного метода контроля и осуществлялся йутем однократных рентгенографии коленных суставов, проводимых до и после введения аце-тилхолина или норадреналина..

Для получения рентгенограмм животные укладывались на спе-

v

циальный станок, обеспечивающий неподвижную фиксацию задних конечностей. Затем осуществлялась прямая передне-задняя рентгенография коленных суставов с захватом диафизов бедренной и большеберцо-

вой костей. Использовался рентгеновский аппарат "РЕЙС-20". Экспозиция одного исследования составляла - 6 секунд. Расстояние от обьекти-ва аппарата до колейных суставов соотносилось к расстоянию от исследуемой области до рентгенпленки как - 2:1.

Обьектом исследования являлись рентгенограммы обеих задних конечностей кроликов. •

3. Гиг-томорфологичсский метод. Использовался в заключительном этап^ экспериментов и позволял оценить структуру и состояние клеточных элементов кости и сосудов в симметричных отделах конечностей. Животные после-проведения последнего цикла третьей и четвертой серий экспериментов выводились из опыта путем внутривенной воздушной эмболии (2 мл) в ушную краевую вену. Для гистологического исследования на обеих конечностях коленные суставы иссекались, фиксировались в 10% растворе формалина нейтральной реакции, дека-льцинировались в 25% растворе трилона "В" и заливались целлоидин-парафином. Депарафинированные срезы окрашивались гематоксилин-эозином с доокраской альциановым синим и по ВанТизону. Гликоген и нейтральные гликоза-миногликаны выявлялись методом ШИК.

4. Статистический метод. Статистическая обработка фактических результатов производилась по методу Фишера-Стьюдента.

результаты и онсуждкмш:

В первой, контрольной, серии экспериментов изучались характеристики регионарного кровотока и функционального состояния костной ткани в области метаэпифизов длинных трубчатых костей в условиях физиологической нормы. При этом было установлено, что у интакт-ных животных в течение всего периода активного роста в большинстве слунаев (65-64%) наблюдается некоторая асимметрия в интенсивности регионарного кровообращения и функциональной активности костной ткани этих зон. Симметричность показателей исследуемых процессов отмечалась только в 35-36% случаев.

Отмечаемая асимметрия была определена как физиологическая и наблюдалась уже в возрасте 2-х месяцев (минимальный возраст экспериментальных животных) с переменной активизацией то справа, то слева с интервалом примерно 1-2 месяца. По мере роста животного показатели асимметричности уменьшались. При этом отмечалась прямая корреляция уровня активности в функциональном состоянии костной ткани с интенсивностью кровоснабжения.

Во второй серии экспериментов были изучены реакции кровообращения и костной ткани на кратковременную полную ишемию конечности (5,10,15 и 25 минут), которая осуществлялась одномоментно с помощью жгута или пневматической манжетки (давление более 150 мм рт. ст.) без нарушения целостности кожных покровов. При такой механической окклюзии сосудов в области метаэпифизов длинных трубчатых костей, находящихся дистальнее зоны пережатия, во всех сериях опытов сразу после окончания механического сдавления наблюдалась выраженная гиперемия, показатели которой в среднем на 50% (от 14% до +250%) превышали таковые, полученные на контрлатеральной стороне. Длительность реактивной гиперемии достигала 5-7 суток. Установлена отчетливая корреляция между продолжительностью механического пережатия сосудов, выраженностью и длительностью реактивной гиперемии. При этом со стороны костной ткани наблюдалось .повышенное накопление остеотропного радиофармпрепарата в среднем на 38% (от + 15% до +75%). Регистрируемая гиперфиксация радионуклидной метки свидетельствующая об активизации обменных процессов, наблюдалась во всех случаях до 5-7 суток.

В третьей серии экспериментов были изучены реакции регионарного кровотока и функционального состояния костной ткани "при внут-рикостном введении в метаэпифизарную зону АЦЕТИЛХОЛИНА. При этом в большинстве случаев отмечалось длительно сохранявшаяся умеренная гиперемия исследуемой области на 5-28% (в среднем на 18%), постепенно уменьшавшаяся к 5-6 суткам. Со стороны костной ткани от-

мечалась активизация процессов тканевого обмена, проявляющаяся в виде гиперфиксации остеотропного радиофармпрепарата на 5-45% (в среднем на 21 %) и Сохранявшаяся до 7 суток,

В четвертой серии экспериментов - внутрикостное введение НОР-АДРЕНАЛИНЛ приводило к снижению уровня кровоснабжения на 552% (в среднем на 19%), продолжавшееся в среднем 6 суток после введения и с постепенным затуханием. Реакция костной ткани характеризовала^ выраженным снижением накопления остеотропного радиофармпрепарата на 5-52% (в среднем на 35%), которое длилось в среднем 3-6 суток.

Таким образом в результате данного исследования установлены положительные корреляционные связи между состоянием регионарного кровоснабжения и функциональным состоянием костной ткани: активность метаболических процессов меняется в зависимости от интенсивности регионарного кровотока, но направленность этих изменений зависело от характера применявшихся-воздействий.

На основе полученных данных и сведений, имеющихся в литературе была разработана гипотетическая схема-модель, согласно которой пусковым фактором, влияющим на функциональную активность костных клеток при изменение интенсивности кровообращения, является уровень гидратации тканевого интерстициального пространства.

Подтверждением выводов, основанных на результатах радионук-лидного исследования, явились данные рентгенологического и гистологического методов контроля.

• выводы 1

1. в течение всего периода активного роста у интактных животных в области коленных суставов наблюдается как естественная симметрия, так и асимметрия в кровообращении и функциональной активности костной ткани. '

2. Проведение исследований с целью изучения состояния регио-. нарного кровообращения и функциональной активности костной ткани

на основе использования радионуклидного метода целесообразно осуществлять с учетом факта физиологической асимметрии в кровообращении и функциональном состоянии костной ткани.

3. Выполнение кратковременной полной окклюзии магистральных сосудов приводит к развитию постокклюзионной выраженной и достаточно длительной (до 7 суток) реактивной гиперемии и повышению функциональной активности костной ткани ниже области пережатия.

4. Внутрикостное введение ацетилхолина приводит к локальному повышению интенсивности кровоснабжения и активности обменных процессов в костной ткани (в среднем на 19% и 21% соответственно).

5. Внутрикостное введение норадреналина приводит к локальному снижению интенсивности кровоснабжения и активности обменных процессов в костной ткани (в среднем на 19% и 35% соответственно).

6. В развитии тканевой реакции кости при изменении интенсивности кровообращения немаловажную роль играет состояние интерсти-циального пространства.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бергалиев А.Н., Красильников В.Г. Асимметрия кровоснабжения и функционального состояния росковых зон длинных трубчатых костей в эксперименте (предварительное сообщение)//Травмат., ортопед. России, N2, 1993, с. 101-106

2. Дудин М.Г., Красильников В.Г., Бергалиев А.Н., Ольнев М.Г. Роль сосудистого фактора в регуляции функционального состояния костной ткани//Профилактика, диагностика и лечение повреждений и заболеваний опорно-двигательного аппарата у# детей. Тезисы научно-практической конференции, С-Пб., 1995, с. 287-290

3. Красильников В.Г., Вероман В.Ю., Дробышевский В.В., Заславская A.M., Бергалиев А.Н., Дудин М.Г. Физиологические аспекты импульсной магнитной стимуляцииД/тезисы н.-практической конференции. СПб., 1995. -306 с.

lh

4. Arthur N. Bergaliev, Michail G.Olnev, Michail G.Dudin, Vadim G.Krasilnikov. Functional Condition of the Bone Tissue in Changing of the Intensiyity o[ the Regional Blood Flow-Physiological Aspects.//7th World Congress SIROT, Amsterdam, 1996, p. 240.

5. Дудин M.Г., Ярошевская Е.Н., Бергалиев А.Н., Прошин С.Н., Ольнев М.Г., Красильннков В.Г. Реакция костной ткани на изменение регионарного кровотока в условиях хронического эксперимента//Хирургическая коррекция и восстановительное лечение повреждений и заболеваний опорно-двигательного .аппарата у детей. Материалы научно-практической конференции детских ортопедов-травматологов 28-30 мая 1996, Казань, С-Пб.,-Казань, 1996, с. 204-207

tS