Реферат: Вплив гіпокінезії на біоелектричні властивості кістки

Перша фаза ПН мала позитивне початкове відхилення й виникала у відповідь на додаток механічного навантаження. Друга фаза виникала при усуненні навантаження. Її початкове відхилення мало зворотну спрямованість, а амплітуда дорівнювала або була близька до амплітуди першої фази. Значення електричного потенціалу (мкВ), що доводиться на одиницю навантаження (г) – (А/Н), перебувала в діапазоні від 1 до 3 мкВ/г. При східчастому збільшенні навантаження від 30 до 100% маси тіла щура амплітуда ПН зростала в експонентній залежності.

У щурів, що перебували в умовах 28-добової жорсткої гіпокінезії, амплітуда ПН стегнової кістки при навантаженнях I, II і III ступеня була на 37, 35 і 23% відповідно менше, ніж у тварин контрольної групи.

Середня амплітуда ПН у контрольних щурів становила 720,0±89,5, 1102,6±10,8 і 1537,6±189,6 мкВ, а у дослідних - 456,8±54,5, 812,8±83,6 і 1287,7± 173,1 мкВ відповідно при навантаженнях I, II і III ступеня. При навантаженнях I і II ступеня розходження в амплітуді ПН між тваринами контрольної та дослідної груп були статистично вірогідними (p<0,05).

Загальна закономірність збільшення амплітуди ПН при збільшенні ступеня навантаження на стегнову кістку була характерна як для контрольних, так і для дослідних щурів. Однак у тварин, які перебували в умовах гіпокінезії, значення приросту амплітуди ПН були завжди менше, ніж у контрольних. Як у контрольних, так і у дослідних щурів значення електричного потенціалу, що доводиться на одиницю навантаження, при впливах I і II ступеня збільшувалися, а III ступеня - зменшувалися. Однак середні значення А/Н у дослідних тварин при навантаженнях I і II ступеня були на 36% менше, ніж у контрольних. При навантаженнях III ступеня вірогідних розходжень в амплітуді ПН і значенні А/Н між контрольними та дослідними тваринами невстановлено.

Дослідження впливу вікових змін кісткової тканини на ПН стегнових кісток проводили на щурах віком 2 , 6 і 24 міс. Загальна тенденція до збільшення амплітуди ПН зі збільшенням навантаження на кістку була властива для тварин усіх вікових груп.

Зростаючи в експонентній залежності, ПН сягав максимальних значень при навантаженнях III ступеня. При всіх ступенях навантаження максимальні амплітуди ПН були зареєстровані у стегнових кістках 6-місячних щурів. У 2-місячних щурів ПН не перевищував 9,1-10,3-11,6% амплітуди ПН 6-місячних тварин при відповідних ступенях навантаження. У 24-місячних тварин ПН був лише 54,5-78,7-81,4% такого показника 6-місячних щурів при відповідних ступенях навантаження. Слід зазначити, що найбільші розходження амплітуди ПН у 2, 6 і 24-місячних щурів були зафіксовані при навантаженнях I та II ступеня.

Незалежно від віку щурів, при збільшенні навантажень від 30 до 50% від маси тіла значення електричного потенціалу, що доводиться на одиницю навантаження, збільшувалися, а при навантаженнях, які сягали 100% від маси тіла - знижувалися.

Максимальне значення цього показника було зареєстровано в 6-місячних щурів і сягало 6,3-7,8 мкВ/г. У 2-місячних щурів він не перевищував 0,8-0,9 мкВ/г, а у щурів 24-місячного віку він зменшувався до 2,8-4,2 мкВ/г.

Пасивні електричні властивості компактної кістки білих щурів при стереотипному функціональному навантаженні. При мультичастотному імпедансометричному тестуванні електрична ємність препаратів стегнової кістки контрольних щурів змінювалася згідно з експонентною залежністю, досягаючи мінімуму на частоті 1 МГц.

Максимальне значення реактивного опору реєстрували на частоті 10 кГц. Воно суттєво зменшувалося як на більш високих, так і на більш низьких частотах. Оскільки реактивний опір відображає стан поляризаційних процесів у біологічних тканинах, можна говорити про те, що на частоті 10⁴ Гц вони сягали максимального ступеня виразності. Властивості частотної динаміки імпедансу й активного опору були дуже близькі. На частотах 10⁴ ,10⁵ Гц їх значення суттєво не змінювалися, на частотах 10² ,10³ Гц вони зростали, а на частоті 10⁶ Гц – зменшувалися.

Для встановлення зв'язку вікових змін структури та складу кістки з її ПЕВ були проведені дослідження на 49 щурах-самцях віком від 1 до 24 міс. Для стегнової кістки одномісячних щурів були характерні низькі значення імпедансу, активного та реактивного опору і високі показники ємності.

Із віком тварини імпеданс, активний і реактивний опір збільшувалися, а ємність зменшувалася. Найбільш значні зміни ПЕВ відзначалися протягом перших 3-4-х місяців життя. У дорослих щурів показники ПЕВ залишалися відносно сталими, а після 18 міс значення імпедансу, активного й реактивного опору починали поступово зменшуватися, а ємності - збільшуватися.

Маса стегнових кісток збільшувалася втричі протягом перших 3-х місяців життя, від 6 до 12 міс - сягала пікових значень, а після 18 міс починала зменшуватися, що свідчило про початок вікової інволюції кісткової тканини. Остеометричні дослідження показали, що діаметр кістковомозкового каналу в період активного росту щурів (1-6 міс) збільшувався істотніше. У тварин віком від 6 до 14 міс його показники залишалися відносно стабільними, а після 14 міс він знову починав збільшуватися. Товщина стінки діафіза в перші 3-4 міс життя щурів також зростала більше ніж удвічі. Потім темпи його приросту істотно сповільнювалися та зберігалися такими до 12-місячного віку. У щурів після 18 міс життя товщина стінки діафіза починала поступово зменшуватись. Аналіз закономірностей вікової динаміки остеометричних показників стегнових кісток щурів дозволив виділити найбільш характерні періоди їх змін. Вони відповідали віку 1-3, 6-14, 18-24 міс і практично повністю збігалися з описаними вище періодами вікових змін ПЕВ кістки. Дослідження вікової динаміки основних складових кісткового матриксу показало, що вміст мінеральних речовин істотно збільшувався у перші 3-4 міс життя щура (з 45,5±1,1 до 56,6±1,6%). Із віком мінералізація кістки продовжувала збільшуватися, але значно меншими темпами. У щурів віком від 12 до 18 міс масова частка мінеральних речовин залишалася стабільно високою (60,4±0,2%), а після 18 міс почала відзначатися чітко виражена тенденція до її зниження. У 24-місячних тварин масова частка мінеральних речовин у складі кісткового матриксу не перевищувала 53,7± 1,3%. Вікова динаміка вмісту органічних речовин наближалася до динаміки вмісту мінеральних речовин. У одномісячних щурів масова частка води у кістковій тканині сягала 35,0±1,4%, у щурів 6-місячного віку вона зменшувалася до 17,0±0,3%. У тварин, вік яких перевищував 18 міс, вміст води в кістковій тканині починав поступово збільшуватися й до 24-місячного віку сягав 26,39±1,35%. Щільність кістки також найбільше зростала в перші 3 міс життя щурів. До 18 міс вона залишалася стабільною, а потім починала поступово зменшуватися.

Кореляційний аналіз показав, що між віковими змінами показників гідратації та мінералізації компактної кістки щурів існувала значна зворотна залежність (r=-0,894; р<0,01). Показники вмісту органічних і мінеральних речовин також були пов'язані зворотною кореляційною залежністю, однак ступінь її виразності був значно меншим (r=-0,406; p<0,05). Аналіз кореляційних зв'язків показників ПЕВ і складу кістки показав наявність вірогідного прямого зв'язку між ємністю, вмістом води й органічних речовин (r=+0,858; r=+0,485) та імпедансом, активним і реактивним опором і вмістом мінеральних речовин (r=+0,766; r=+0,765; r=+0,893). Вірогідний зворотний кореляційний зв'язок був виявлений між ємністю і вмістом мінеральних речовин (r=-0,877), а також між імпедансом, активним, реактивним опором і вмістом води (r=-0,594; r=-0,592; r=-0,901) та органічних речовин (r= -0,491; r=-0,392; r=-0,304). Отримані результати свідчать про те, що вікові розходження пасивних електричних властивостей стегнової кістки щурів визначаються особливостями її складу та структури в різні періоди життєвого циклу.

Пасивні електричні властивості кістки при дозованій гіпокінезії. Після 28-добової жорсткої гіпокінезії у 67% дослідних тварин спостерігалися характерні ознаки остеопенії – низька маса й щільність кістки в порівнянні з тваринами контрольної групи. В 33% щурів ці показники не відрізнялися від контролю. Отримані результати свідчили про наявність міжіндивідуальної варіабельності та відносної "інертності" реакції компактної кістки щурів на зменшення функціонального навантаження, що узгоджується з даними інших дослідників. У кістках тварин, що мали ознаки остеопенії, відзначалося вірогідне зменшення об'ємної маси мінеральних речовин (на 15,6%) та збільшення вмісту води (на 10,6%). Порівняльний аналіз показав, що у контрольних тварин щільність сухої кістки сягала 1,95±0,09 мг/мм³ , а у тварин, що мали ознаки остеопенії - не перевищувала 1,65±0,13 мг/мм³ (р<0,05). Зменшення функціонального навантаження на кінцівки в умовах жорсткого 28-добового обмеження рухливості істотно не впливало на ріст стегнової кістки в довжину, але помітно знижувало темпи її аппозиційного росту, що призводило до зменшення маси стегнової кістки, середнього діаметра діафіза та просвіту кістковомозкового каналу на 16,6, 19,0 і 20,4% відповідно (p<0,05).

Для ПЕВ препаратів стегнових кісток, що мали ознаки остеопенії, на всьому діапазоні частот були властиві низькі величини електричного імпедансу, активного й реактивного опору і високі показники електричної ємності. Так, на частоті 10⁴ Гц зменшення середньої величини електричного імпедансу сягало 50,1%, реактивного й активного опорів - 80,4 і 50,2% відповідно при збільшенні електричної ємності на 396,0%.

При збільшенні тривалості гіпокінезії до 45 діб у всіх дослідних щурів спостерігалися ознаки остеопенії. Маса стегнової кістки тварин була вірогідно меншою, ніж контролю (750,01±65,01 і 894,55±30,61 мг відповідно), а щільність кісткової тканини не перевищувала 1,62±0,04 мг/мм³ (р<0,05). Вміст мінеральних і органічних речовин у компактній кістці дослідних щурів вірогідно зменшувався, а вміст води - збільшувався. Якщо в контрольній групі щурів мінеральна насиченість кісткової тканини становила 1,46±0,03 мг/мм³ , то у тварин дослідної групи вона не перевищувала 1,23±0,04 мг/мм³ (p<0,001). У щурів, що перебували в умовах 45-добової гіпокінезії, відзначалася більш висока гідратація кісткової тканини порівняно зі щурами контрольної групи і порівняно з тваринами, які знаходилися в умовах жорсткої 28-добової гіпокінезії (0,43±0,01, 0,73±0,05 і 0,52±0,03 мг/мм³ відповідно). Характер і загальна спрямованість змін діаметра діафіза та кістковомозкового каналу стегнових кісток щурів після жорсткої 45-добової гіпокінезії був таким, як і у тварин після жорсткої 28-добової гіпокінезії, проте ступінь їх виразності був найбільшим, що призводило до вірогідного зменшення товщини стінки діафіза на 22,2% (р<0,05).

Гіпокінетичні порушення складу й остеометричних параметрів стегнової кістки дослідних щурів супроводжувалися характерними змінами її ПЕВ. На рис.10 представлена динаміка ємності, імпедансу, активного та реактивного опору препаратів стегнової кістки тварин контрольної й дослідної груп при проведенні мультичаcтотного імпедансометричного тестування.

Загальна спрямованість змін ПЕВ препаратів тварин після 45-добової гіпокінезії на всьому діапазоні частот була такою самою, як і у тварин після 28-добової гіпокінезії, однак ступінь їх виразності був значно більшим. На частоті 10⁴ Гц питома ємність і реактивний опір становили 773,8 і 17,1% відповідно щодо контролю. Вірогідно, хоча не так значно, зменшувалися імпеданс і активний опір (до 26,6 і 26,4% відповідно щодо контролю).

Залежність електричних показників кістки від змін складу та фізико-хімічних властивостей основних компонентів кісткового матриксу. Для моделювання змін водно-мінерального балансу кістки в умовах гіпокінезії використаний метод демінералізації препаратів in vitro. Контролем були недемінералізовані препарати тих самих тварин.

Демінералізація препаратів кістки супроводжувалася зменшенням їхньої вихідної маси на 55% та збільшенням вмісту води на 48%. Істотно змінювалися ПЕВ препаратів. Якщо імпедансу свіжовиділених препаратів сягав 1,5 кОм, то після демінералізації він не перевищував 40 Ом. Активний опір до кінця періоду демінералізації зменшувався більше ніж у 34 рази, а реактивний опір - в 60 разів. Демінералізовані препарати втрачали залежність показників ПЕВ від частоти тестового струму. Очевидно, що в умовах гіпокінезії повної демінералізації кістки ніколи не відбувається, але і сама модель хімічної модифікації кісткової тканини лише з відомим ступенем припущення відображає реальні процеси, що відбуваються в кістці при зменшенні функціонального навантаження. Однак два факти, що випливають із результатів цієї серії досліджень, становлять інтерес і можуть бути використані для пояснення особливостей зміни пасивних електричних властивостей кістки в умовах реальної гіпокінезії: 1 - процеси демінералізації та гіпергідратації кістки є двома взаємозалежними процесами, які протікають паралельно; 2 - гіпомінералізація та гіпергідратація кістки спричинюють збільшення її електропровідності й ємності.

Для дослідження впливу змін фізико-хімічних властивостей органічного матриксу на ПЕВ кісткової тканини використаний метод дозованої термічної денатурації. Встановлено, що при нагріванні препаратів кістки від 37 до 65єС ємність, імпеданс, активний і реактивний опір істотно не змінювалися. Подальше нагрівання препаратів до 100єС супроводжувалося вірогідним збільшенням ємності на 105% і зменшенням на 47% імпедансу, активного й реактивного опору, що свідчило про розвиток денатураційних процесів в органічному матриксі .

Той факт, що зони фазових змін основних електричних показників кістки відзначалися при температурі, що перевищувала 60⁰ С і були подібні до зон фазового переходу колагену у процесі його термічної денатурації, дає змогу говорити про наявність зв'язку між ПЕВ кістки та фізико-хімічними властивостями її органічного матриксу і, в першу чергу, колагену.

Кисневий метаболізм і пасивні електричні властивості кістки при гіпокінезії в умовах нормоксії і переривчастої нормобаричної гіпоксії. Напруження кисню (РО₂ ) у литковому м'язі щурів, які перебували в умовах жорсткої 28-добової гіпокінезії в атмосферному повітрі, не перевищувала 13,5±1,7 мм рт.ст., що на 43,7% менше відповідного показника контрольних тварин. РО₂ у литковому м'язі щурів, які перебували в умовах жорсткої гіпокінезії та дихали нормобаричними гіпоксичними газовими сумішами, було вірогідно вище і сягало 19,2±1,9 мм рт.ст. (p<0,05).

Споживання кисню (VО₂ ) кістковою тканиною діафізарної частини стегнової кістки контрольних щурів становило 0,09±0,012 млО₂ ·100г^-1 ·хв^-1 .

У тварин, які перебували в умовах жорсткої 28 добової гіпокінезії в атмосферному повітрі, VО₂ не перевищувало 0,03±0,011 млО₂ ·100г^-1 ·хв^-1 (p<0,05). При аналогічних режимах гіпокінезії в умовах переривчастої нормобаричної гіпоксії величини споживання кисню практично не відрізнялися від показників контрольної групи тварин. У щурів, які перебували в умовах гіпокінезії та протягом 8 год щодня дихали НГГС, маса стегнової кістки була лише на 15,5% (p<0,05) меншою, ніж у тварин контрольної групи. Діаметр діафіза та просвіту кістковомозкового каналу, а також товщина стінки діафіза не відрізнялися від відповідних показників контрольної групи тварин, хоча загальна тенденція до їх зменшення ще спостерігалася.

Аналіз складу кістки показав, що у щурів, які перебували в умовах гіпокінезії та дихали НГГС, відмінності у вмісті мінеральних речовин і води із тваринами контрольної групи не перевищували 9 і 21% відповідно (p<0,05). При цьому відзначалася характерна тенденція до збільшення вмісту органічних речовин. У щурів, що одержували НГГС на етапі преадаптації й у період дії гіпокінезії, маса та щільність кістки не відрізнялися від маси кістки тварин контрольної групи. Не було статистично достовірних відмінностей і у значеннях основних остеометричних показників, а також у вмісті мінеральних речовин і води. Однак тенденція до збільшення вмісту органічних речовин мала характер статистично значимої закономірності. Якщо вміст органічних речовин у компактній кістці тварин контрольної групи становив 0,52±0,03 мг/мм³ , то у тварин дослідної групи він сягав 0,72 ±0,02 мг/мм³ (p<0,05).

Дихання НГГС у період обмеження рухливості щурів хоча й не попереджало повністю порушень ПЕВ кіст?