Автореферат и диссертация по медицине (14.00.22) на тему:Влияние статических нагрузок на структуру эпифизарного хряща и рост длинных костей (экспериментально-морфологическое исследование)

МІНІСТЕРСТВО ОХОРОШ !?ДОРОВ"Я УКРАЇНИ

УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИН ІНСТИТУТ ТРАВМАТОЛОГИ І ОРТОПЕДІЇ

СПЛИВ СТАТИЧНИХ НАВАНТАЖЕНЬ НА СТРУКТУРУ ЕПІФІЗАРІЮГО ХРША ТА РІСТ ДОВГИХ КІСТОК (експериментально-морфологічне дослідження)

14.00.22 - травматологія і ортопедія

14.00.23 - гістологія та ембріологія людини

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня ' кандидата медичних наук

0

На правах рукопису..

ТКАЧ Тетяна Аркадавна

КИЇВ' 1994

Дисертація с рукописом.

, Робота виконана п Українському науково-дослідному■ інституті травматолог 11 та ортопеди Міністерства, охорони здоров'я України.

Еаукоьий керівник: доктор медичних наук, -професор А. Т. Еруско

Офіційні опоненти: доктор медичних наук, .

. . еасл. діяч науки України,

• ' ’ .

_ .• Професор Є. Т. Скляренко, '

; , доктор медичних наук, .

' професор Є. Я Панков .

• Провідна установа: Харківський наукоео-дослідний інсти-

тут ортопедії та травматолог і і і м. М. І.Сітенко

Захист відбудеться "{Уіи,и' ■ 'М*- 190.1 року о'_[_ го-

дині на засіданні спеціалізованої вченої ради* Д.000.06.01 при Українському науково-дослідному інституті травматологи і ортопедії (м.Киіе-54, вул. Еоровського, £?). ■

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Українського науково-дослідного інституту травматолог! і і ортопеди.

Автореферат розісланий ’’ І~ ?¿'.Ьу- 199і р. •

Учений секретар спеціалізованої .

вченої ради, доктор медичних наук В. А. Улещенко

Актуальність. Еліфізарний хгяш, який с основним ■ д лом поздовжнього росту кісток,- знаходиться ПІД ПОСТІЙНІШ впливом багатьох факторів зовнішнього та внутрішнього середовища органіому ( Шікитюк Б. Л. ,Коган С. І. ,107-і;' Коьєшішкое В. Г.. 1075; Стецула R І.та Ні. ,1076; Еруско А. Т. , 10G3; True ta, 1968; Burne, 1972; Cotta,Rauterberff, 1979). Серед зовнішніх факторів n-шіиве значення належить механічному (Ст-'-нула В. І. .Рруско А. Т. ,1975; Кнето I.R та Пі. ,1080; Еруско Л..Т. , 1984; Hert, 196-1), вплив котрого по даним Вр?ско А. Т. (1984) реалізується через гідродинамічні ефекти пружних деформмил, які виникають У процесі функціонування апарату руху. Результати експериментальних досліджень скідчагь про важливе біо-

. f

логічне значення динамічних навантажень для трофіки та збереження структурної організації епіфігарного хряиа.Що стосується статичних навантажень, то їх вплив на структуру та Функцію епіфізарного хряща лишається не досить вивченим. Літературні дані про клінічні спостереження та окремі ’ ек'Шг>ри-' менти мають багато протирічь, не достовірні, що моміа пояснити труднощами моделювання стандартних біомеханічних умов, впливаючих на кістку, яка росте, у т. ч., моделювання чисто динамічного чи статичного компонентів функціонального навантаження. -

Нові можливості управління біомеханічними умовами./ опорно-руховому апараті та аналітичного вивчення впливу окремих компонентів функціонального навантаження (динамічного та статичного) на структурну організацій та функцію е^іфіеа-рного хряша з'явились із розробкою апаратів для кріяькютко-

ього остеосинтезу. Ьикористання апаратів для крізькісткової фіксації дозволяє моделювати в експерименті на тваринах стандартні-біомеханічні умови. Визначення ролі статичних навантажень у біолог і 1 ені^ізарного хряща являє собою не тільки великий теоретичний інтерес, але має і вадливе пригладив лнч'іенни для розробки у клінічній ортопедії методів регуляції ПО?ДОЬЖНЬОГО росту ДОВГИХ КІСТОК. Крім того, вивчення

ДИНиМІКИ реНТІ>НОЛОГІЧНИХ та Г ІОТОМОрфОЛОПЧНИХ ЗМІН у епіфі-

< ■> . парному хрящі під ьішіьом статичного навантаження дасть мол--

ливість встановити критерії, які дозволяють виявляти та отінювати дію на опорно-руховий апарат статичних навантажень, що т«.' мати клінічне та прогностичне вивчення. <

' . М-.та роботи: виявити вплив статичного компоненту функ-

ціональних навантажень на структурну організацію та Функцію .епіфіварного хрящ. *

• * 1

Основні завдання дослідження: , •

- вивчити у експерименті динаміку ГІСТОМОрфОЛОПЧНИХ амін.структурної організації та функцію епіфізарного хряща

•під впливом статичного наианталення;

- вивчити у експерименті динаміку ГІСТОМОріІОЛОГіЧНИХ

емін та функцію епіфізарного хряща після припинення дії статичного навніїталеїшя; ' ' '

- встановити рентгенологічні та гістоморфологічні. показники порушення поздовжнього росту довгих КІСТОК ПІД впливом статичних навантажень. „ . .

Шукоиа новизна:

- з"иі;ована динаміка пстоморФологічних змін структурної організації та функції еіі'іфізорпого хрлша -під впливом

- З -

статичного навантаження, яка ещдчить про че, що неп вид навантаження викликає у еміфіааріюму хрящі ежє з перших діб впливу поступово вростаючі дистрофічні ЙМ1НИ, які призводять на 21 добу до часткового некрозу, затримці процес; і а хондро-та остеогенезу, зупинці поздовжнього росту КІСТКИ; ’

- встановлено, що після припинення дГі статичних наван-

тажень відбувається поступове відновлення структури та Функції епіфізарного хряща; . •

- встановлені рентгенологічні та гістоморфологиш» по-

казники, які свідчать про те, що епіфізарний хрящ знаходиться під впливом статичних навантажень; . .

- показано, що епіфізарний хрящ після виливу на нього статичних навантажень иідьер^.-нші більш швидкому "закриттю".

Теоретичне та практичне значення роботи.

Теоретичне янач^ння роботи лежить у поясненні механізму впливу статичних навантажень на структурну організацію та функцію епіфізарного хруща, сутність котрого складається у виключенні при статичних навантаженнях гідродинамічних ефектів пружних деформацій, які проявляють свою біологічну дію тільки при наявності динамічних наьантажень. Ці уявлення можуть лягти в основу пояснень виникнення вісьових деформацій на рівні ешметафізу.

Практичне значення роботи лежить у встановленні рентгенологічних та гіетоморфологічних критеріїв оцінки Функціонального стану епіфі.адрного хряща, які дозволяють судити про поздовжній ріст кістки в умовах норми та патолог іі, по мач важливе діагностичне та прогностичне значення. Кріп того, вони вказують шляхи можливого управління поздовжнім ростом

. . ' - . кісток, що мож* бути використане у ортопедичній практиці.

Власним вкладом, відображеннм у данрму дослідженні, являється практична реалізація фрагменту теорії про вплив різних видів навантажень на опорно-руховий апарат, яка розробляється у відділі патоморфологіі Українського ЦДІТО, та вперше використано морфометричні методи обробки матеріалу для оцінки функціонування епіфізарного хряща під впливом статичних навантажень.

і >

Впровадження результатів дослідження. Матеріали роботи, які відображають розуміння впливу статичних навантажень на поздовжній ріст кісток, 'рентгенологічних та гістоморфо-лопчних критеріїв виявлення та оцінки цього впливу, пояснення розвитку вісьових деформацій кісток у області зон їх поздовжнього росту, впроваджені у КЛІНІЧНОМУ Відділенні по- ' •рушень розвитку апарату руху у дітей, відділенні рентгенологічної діагностики захворювань апарату руху, та відділенні' патоморфологіі Українського ІЩГ травматології та ортпедії. Крім того, вказані аспекти дослідження еключуНІ у лекційний матеріал кафедри травматології та ортопеди Київського інституту вдосконалення лікарів.

Апробація дисертації. Осноені результати дослідження 'доповідались на Республіканській конференції гістологів (Київ, ' 1976), обласній конференції "Стрес та патологія- опорно-рухового апарату” (Харків, 1989), наукових конференціях співробітників Українського НДІТО (Київ,1934,1935,19*37,1980,1990). Матеріали дослідження відображені у п"яти друкованих працях.

■ • структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, огляду літератури, розділу, що відображує.відомості’

про матеріал та методи дослідження, двох розділів, у котрих представлені результати власних експериментів, закінчення, висновків та вказівник,-і літератури. ОЗсяг дисертації 9). с. машинописного тексту, ьключаючи 9 таблиць та 32 малюнки. Вказівних літератури складається із 91 назви, у тому числі, 37 вітчизняних та 54 зарубіжних авторів. . ' .

■ Основні положення, які виносяться ня захист: .

’ - статичні механічні навантаження - викликають у

епіфізарному хрящі порушення структурної організації та зупинку поздовжнього росту КІСТОК;

' - гіетоморфлопчні показники, які свідчать про дію

статичних навантажень на- епіфізарний хрящ та зміну його функ

ті; ,

- рентгенологічні еияви пстоморфолопчіш змін структурної організації та порушення поздовжнього росту кісток Під впливом статичних навантажень; _ •

_ ■- припинення дії статичних навантажень на протязі 21

діб на епіфварний хрящ призводить до відновлення його будови ■ та Функції. • .

, - ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ , ..

Матеріал та методи дослідження. Вплив поздоежнього втискування на структурно-функціоначьну організацію єгтіфі-варного хряща та ріст кісток,вивчено на 48 цуценятах у віці 4-5 міс та масою від 4 до б кг. •

' У всіх цуценят’апаратом Ілізарова з чотирма кільцями,.

які закріплювали на дротах, проведених через середню та дію-

' - 6 - . тальну третини стегнової та проксимальну та середню третини великої ГОМІЛКОВО'І КІСТОК, при випрямленій у колінному суглобі кінцівці, провадили втискування суглобових кінців вказаних кісток 9 силою, _ рівною 5-6-кратній масі тіла тварини, або, від £0 до ЗО кг. Поставлено дві серії дослідів. У першій серії (ЗО цуценят) провадили втискування суглобових кінців колінного суглобу на протязі 1-21 діб;у дослідах другої серп (18 цуценят) суглобові кінці втискували на протязі ' í >

21 діб, потім знімали апарат та виводили тварин з досліду

черев 3-21 доби після припинення втискування.

Накладення апарату Ілізарова провадили під наркозом. Сроки клініко-рентгенологічних спостережень над піддослідни-ш тваринами - 1,3,7,14 та 21 доби (перша серія) та в другій .серп - 21 доба втискування епіфізарного хряща та наступне спостереження його відновлення через 3,7,14 та 21 доби. На кожний термін спостережень використано '3-5 тварин. '

Тварин виводили з досліду 'шляхом введення* надвисоких доз' Р.ОХ розчину тюпАнталу натрію у легені.

Відразу після' виведення тварин і» досліду провадили рентгенографію виділених контрольних та дослідних стегнових та великих гомілкових кісток у двох проекціях та фіксували у 10% розчині нейтрального формаліну. Потім відпилювали дис-' . тальний суглобовий кінець стегнової та проксимальний .- великої гомілкової -кісток,' де кальцинували іх у 8”£ розчині азотної кислоти, знежирювані та зневоднювали у ацетонах та сппр-тах вростаючої міцності та після спирт-ефіру запивали у це-лоїдін. Робили гістологічні зрізи, які фарбували .гематоксиліном та еозином, а також пікрофуксином по ван .Гізону.

- 7 " .

Провадили якісну та кількісну оцінку змін структурної організації епіфізарного хряща,які виникають при втискуванні суглобових кінців кісток. Кількісні показники пораховані методами варіаційної статистики. Достовірність різниці середніх величин оцінювали по Ь-критерію Сгьюдента. (ППП "Вю-стат-1"; РОМ ЕС-1841; операційна система М3 ЕЮЗ 3. ЗОЇ. .

' Результати дослідження вказують на те, шр втискування колінного суглобу по ¡тоздовдаїй осі викликає вле- через одну добу у епіфізарних хрящах у зонах резорбції та окісткув.ання хряща явищі зминання. Процес проростання капілярів у .зону резорбції хряша припиняється. На 3-7 добу втискування у епі-фізарних хряшах виникають та поступово зростають .дистрофічні зміни та з'являються некротичні поля. Процеси хондро- та остеогенезу сповільнюються або припиняються. Починаючи з 7 доби втискування, із аони вбережного хряшд у проміжки між кістковими балками "видушуються" хрящові вузлики, розміри та кількість котрих поступово зростає. У зоні проліферації формуються вертикальні тріщини, у зоні резорбції хряща з'являються вони міксоматозної дистрофії. Колонки хрящових клітин пролі'іератквної зони змінюють свій звичайний поздовжній напрям. На метафізарній стороні епіфізарних хрящів, починаючи в 7 доби зтискування, з'являються перші ознаки формування ва-. микаючої кісткової .пластинки. На пізніших сроках спостере- 1 жень, на 14-21 добі втискування суглобових кінців, дистрофічні -.та некротичні зміни у. епіфізарних хрнщах зростають, хондро- та остеогенез не відновлюються, еамикаюча кісткова . пластинка ("лінія зупинки росту" на рентгенограмах) стає .товщою, розповсюджуючись, практично, на всю ширину метафізу.

• - 8 - .

Аналіз остеометричних даних показав, що вже через одну ■ добу відмічачгьея вкорочення втискуваної стегнової та великої гомілкової кісток. Значно зменшується висота епіфізарних хрящів та їх зон. Таке вкорочення кісток у першу добу зтиску-ьанля можна пояснити не тільки за рахунок вминання вони резорбції хряща, але і за рахунок сповільнення або Зупинки процесів хондро- та остеогенезу, відповідальних за ріст кінцівок у довжину. У сроки 10-J4 діб морфометрично встановили

і ■>

деяке ..збільшення висоти епіфізарного хряща за рахунок накопичення у них великої кількості хрящових клітин, а на 14-21 добу - за рахунок збільшення об"ему міжкліткового матриксу. Дані морфометричних досліджень підтверджують результати якісній змін у втискуваних епіфізарних хрящах та свідчать про те,що втискування епіфізарних хрящів призводить до виражених патологічних змін, до сповільнення або повної зупинки процесів хондро- та остеогенезу і, як слідство, .до зупинки поз-, довднього росту КІСТОК. ■ ■ . * •

■ . Результати рентгенологічного та пстоморфологічного до-

сліждення, отримані у другій сері і дослідів, поісазали, що після припинення 21-добового зтискування суглобових КІНЦІВ, кісток, структура епіфізарних хрящів поступово відновлюється^ шр проявляється у відновленні процесів хондро- та-остео-генезу, зникненні дистрофічних змін та зон- некрог.у, та відновленні звичайної зональної будови епіфізарних хрящів.

‘ Нами встановлено, що вже через 3 доби після припинення зтискування, висота еіпфізарних хрящів зростає, розміри хрящових клітин збільшуються, вони стають ок.руглоі форми. Сформовані аампкаючі кісткові Пластинки залишаються щільно при-

тиснутими до метафізарноі поверхні епіфізарних хрящів. Тільки в окремих місцях відбувається відновлення вростання капілярів та локальна резорбція епіфізарних хрящів над замикаючою кістковою пластинкою. Дані; морфометрп на цих ороїтах спостережень підтверджують описані явища: збільшення'довжини ДОСЛІДНИХ КІСТОК, висоти ВСІХ sou епіфізарних хрящів. Це,по--перед всього, зв"яяане із встановленим наш процесом віднте-ного збільшення кількості хряшрвих клітин та МІЯКЛІТКОВОГО матриксу. Не виключено, ідо важлива роль у цьому процесі належить регідратаціі після припинення втискування.

• На пізніших ороках спостережень, на 7-14 добу, дистрофічні та некротичні зміни у епіфіварному хрящі, які 'розвинулися у процесі втискування, практично- повністю зникли, майже повністю відновилась зональна будова епіфізарного хряща, відновилися процеси хондро- та остеогенезу -ріст кістки у довжину. У результаті відновлення росту кістки "лінії зупинки росту” можна бачити на рентгенограмах у вигляді попереч-.них ліній склерозу на деякій відстані від епіфізарного хряща.

Результати проведених досліджень дозволили встановити гістоморфологічні та рентгенологічні показники, які СЕідчать про дію статичних навантажень .на епіфізарний хрящ •’ .

До пстоморфологічних показників відносимо: . , .

- нерівномірне зменшення висоти епіфізарного хряща, його

окремих зон; ' . ' ■

- деформація та розтріскування колонок хрящових клітин;

- виникнення некротичних полів у зонах збереженого хря-••

та; . ' ••

- формування хрящових вузликів у проміжках міц кістко-

- 10 -

виш'балками епіфізів в боку зони вбереженого хряшз;'

- формування замикаючої кісткової пластинки на металі зарній поверхні епіфізарного хряща; • '

- сповільнення або зупинка хондро- та остеогенезу.

• До рентгенологічних показників зупинки росту кісток відносимо: ■ . . •

- нерівномірне зниження висоти епіфізарного хряща; ,

- формування замикаючої кісткової пластинки на метафі-

зарнїй-поверхні епіфізарного хряща. .

Ікобхідно підкреслити, ідо саме по рентгенологічним показникам, які враховують 1 дані антропометри, можна судити про переважний вплив на кістку статичного або динамічного навантаження. ■ ■

. Гістоморфологічні та рентгенологічні спостереження над структурою епіфізарного хряша після припинення його втискування показали,що до гістоморфологічних критеріїв відновлення росту кістки у довжину можна віднести:

- відновлення розташування колонок хрящових клітин вздовж поздовжньої вісі кістки; . _

- відновлення процесів хондро- та остеогенезу; .

' . - '-'відсування" замикаючої кісткової пластинки у бік

діафізу. _ - , ' , . '

До рентгенологічних показників відновлення функції зони

• росту відносимо: . ■' . ' . ■;

- Збільшення вйсотк есцфіварного хряща; .

- виникнення "лінії 'зупинки росту" та'гі зсув у бік діафізу. ■ - , . ' .

Таким чином, отримані нами результати дослідження одно-

. г 11-

аначно вказують на те, що втискування колінного суглоба по поздовжній вісі викликає затримку та зупинку поздоежнього росту дослідних кісток ва рахунок дистапьноі зони росту стегнової та проксимальної великої гомілкової кісток. Наші спостереження свідчать про те, нр поздовжнє зтискування епіфізар-шґо хряща на протязі 21 діб силою, рівною 5-6-кратній пасі-•тіла тварини, не призводить до виникнення незворотніх пошкоджень епіфізарного хряща. Це підтверджується швидким, на протязі 14-21 діб лісля притінення зтискування, відновленням їх гістологічної структури, та функції. В той же час морфометрич-ні показники епіфізарних хрящів свідчать про те, и,о, не дивлячись на відновлення нормальної структури,зтискування явля •' сться причиною вичерпання ростових 'потенцій епіфізарного хряща. Ці дані можуть бути використані у клінічній практиці ДЛЯ розробки методів корекції ДОВЖИНИ КІНЦІВОК ШЛЯХОМ ЗМІНИ, умов функціонального навантаження на опорно-руховий апарат.

Переносити отримані дані у область ортопедії дозволяє запропонована нами концепція про вплив статичних навантажень на поздовжній ріст довгих кісток,, дані про який у літературі вкрай неоднозначні.' .

Виходячи з результатів наших досліджень та уявлення про стереотип функціонального навантаження- та-анатомо-функціона-. льш співвідношення (Стецула В. І. .Бруско А. Т., 1984; Стецула В. І. ,1984) ми ввадасмо, що тільки тоді, коли у стереотипі функціонального навантаження яке у дітей визначається побутовою, спортивною та »і нівою діяльністю, переважав статичний,--а не динамічний компонент, то виникає сповільнення поздовжнього росту кісток і, навпаки, коли переважне динамічний

компонент, ріст кісток пошвидшується. Ситуації, коли епіфі-зарні хрящі можуть функціонувати в умовах підвищених статичних навантажень, можуть гиішкати при патологічних станах опорно-рухового апарату, а також при широкому використанні апаратів для крізькістково'і фіксації; •

. Запропонована нами концепція, по-перше, поясни» протиріччя даних літератури про вплив статичних навантажень на поздоряій ріст кісток і, по-друге, підтверджує тих авторів, які у-експерименті та на'клінічних спостереженнях над працівниками різних важких професій, наприклад, штангістами, вантажниками та ін. , вказують на вкорочення та потовщення у них 1 довгих кісток. . . ‘ .

Проведене нами дослідження відрізняється від відомих тим, шр використання апарату для крізькісткового остеосинтезу дало можливість виключити у експерименті вплив динамічного компоненту на структуру та функцію епіфізарного хряща. Друга відміна складається в тому, що нами вивчена не тільки динаміка змін у епіфізарному хрящі під впливом статичного навантаження, але і динаміка його відновлення після припинення ди статичного навантаження. Третя відміна - нами вперше- використаний метод кількісної оцінки аналізу виявлених змін,у епіфізарному хрящі. *

■ . Представлені дані про вплив статичних навантажень на

структурну органівацію та функцію епіфізарного хряща, гюто-морфодогічні та рентгенологічні показники виявлення цього впливу являють собою не'тільки великий теоретичний біологічний інтерес, але має. і велике практичне значення, так як вказує на можливі шляхи корекції росту довгих кісток. ■ '

БИС НО Б К И

1. Статичні-навантаження силою, рівною б-б-кратній масі тіла тварини, викликають у епіфівартому хрящі дистрофічні та некротичні зміни та зупинку процесів хондро- та остеоген>-зу. .

". Припинення дії статичного навантаження після 21 доби втискування епіфізарного хряща призводить до відновлення його структури га поздовжнього росту кісток.

3. Основними критеріями впливу статичних навантажень на

епіфізарний хрящ при гіісгоморфологічному -дооліджєііні є: нерівномірне зменшення висоти епіфізарного хряща, деформація та розтріскування колонок хрящових клітин, виникнення полів некрозу у зонах ¡убереженого хряща та проліферативній, формування хрящових вузликів у проміжках мі« кісткорими балками епіфізу та замикаючої кісткової пластинки на метафі гарні її стороні епіфізарного хряща, сповільнення, або повна зупинка процесів хондро- та остеогенезу;- при рентгенологічному дослідженні; нерівномірне зменшення висоти та формування ¡замикаючої кісткової пласі’ин'ки на метафізарній поверхні епіфізарного хряща ("лінія зупинки росту”). . ■'

4. Виявлені основні ґі стоморфолог.) чи і та рентгенолог і Ч-.

ні показники, які свідчать про вплив статичного нарантаження на £-іііфізарний хрящ та можуть мати діагностичне та- прогностичне значення у практиці ортопед і в-травматолог і в та лікарів спортивної медицини. » ' . - . ' •

5. Аналіз морфоиетричних показників' структури еміфізар-' ного хряща після припинення поздовжнього втискування спід-

- 14 -

пить про вичерпання його ростових потенцій та можливого передчасного йиго закриття.

6. При широкому використанні дистракційно-компресійних апаратів у дітей при травмах та ортопедичних захворюваннях, особливо у дітей молодшого віку, необхідно враховувати можливий неблагодійний ¿плив довгих' статичних навантажень на

епіфізарний хряві.” . ,

■ І

. 7. Встановлені можливості епіфізарного хряща змінювати свою структуру та функцій під.впливом статичних навантажень

• вказують на можливі шляхи розробки методів корекції росту кінцівок. '■ '