Phase contents of bone mineral of the hipbone in streptozotocin-induced diabetic pre-senile rats after surgical perforation of the tibia

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Сахарный диабет – целый ряд метаболических расстройств, которые приводят к стойкому аномальному повышению уровня глюкозы в крови [1]. В зависимости от этиологии диабет делится на несколько типов, разнящихся соответственно и по механизмам развития, и по течению заболевания. Из них чаще всего встречаются аутоиммунные формы (сахарный диабет 1 типа и латентный аутоиммунный диабет у взрослых), а также сахарный диабет 2 типа, характеризующийся инсулинорезистентностью [2–4].

По оценкам Международной федерации диабета, в мире насчитывается 463 млн человек, больных диабетом, и уже к 2040 году это число может удвоиться [5]. Около 90% всех случаев приходится на сахарный диабет 2 типа; сахарный диабет 1 типа составляет около 10%, однако заболеваемость им растет ежегодно на 2–3% [2]. Латентный аутоиммунный диабет выявляется преимущественно у пациентов с сахарным диабетом 2 типа и составляет примерно 10% от ранее диагностированных случаев [5].

Осложнения сахарного диабета наблюдаются во всех органах и системах, одним из таких осложнений является диабетическая остеопатия, которая со временем приводит к остеопорозу [6].

Структурное состояние скелета при сахарном диабете 2 типа изучено достаточно полно [7]. В то же время морфогенез скелета при сахарном диабете 1 типа и особенно при латентном аутоиммунном диабете у взрослых практически не изучен. При этом не следует забывать, что при дефиците инсулина костеобразование угнетается, а активизация костной резорбции приводит к нарушению минерализации и микроархитектуры кости, что значительно увеличивает риск развития остеопоротических переломов [6].

В гериатрической популяции пациентов нарушения физико-химических свойств костного минерала, связанные с сенильным остеопорозом, еще больше увеличивают риск переломов [3]. Сведения же о структурно-функциональном состоянии скелета при переломе в одном из его отделов при сахарном диабете в доступной литературе отсутствуют.

ЦЕЛЬ

Установить динамику изменения фазового состава биоминерала тазовой кости (БМТК) у крыс предстарческого возраста со стрептозотоцин-индуцированным диабетом (СИД) после хирургической перфорации большеберцовых костей (ХПБК).

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

В исследовании было задействовано 140 белых крыс предстарческого возраста (при вступлении в эксперимент в возрасте 17–18 месяцев) и массой 290–310 г. Исследования были проведены с соблюдением Международных принципов Европейской конвенции о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов и других научных целей (Страсбург, 1986), в соответствии с «Общими этическими принципами экспериментов на животных» (Россия, 2011), правилами лабораторной практики в Российской Федерации (приказ Минздрава РФ № 267 от 19.06.2003). На проведение исследования получено разрешение комиссии по вопросам биоэтики Луганского государственного медицинского университета имени Святителя Луки, протокол № 2 от 20.05.2019 г.

СИД индуцировали однократным внутрибрюшинным введением стрептозотоцина (Sigma-Aidrich, США) в дозе 55 мг/кг, растворенного в 0,1 М цитратном буфере с рН=4,5 перед манипуляцией, и дозировали из расчета 2 мл/кг (35 крыс, группа ПСИД) [8]. Через трое суток после инъекции диабетический статус каждого животного подтверждался путем измерения уровней глюкозы в крови из хвостовой вены, взятых через шесть часов после приема пищи. Уровень глюкозы анализировали с помощью глюкозооксидазного метода [9], используя стандартные наборы реактивов Cormay LDL Direct (Польша). В исследование в дальнейшем были включены только крысы с уровнем глюкозы в крови ≥ 12 ммоль/л. ХПБК диаметром 2,0 мм при эфирной анестезии производили в проксимальном метадиафизе большеберцовых костей (35 крыс, группа ПХП). Части животных (35 крыс, группа ПХП-СИД) ХПБК производили после индуцирования СИД. Контролем служили интактные животные (35 крыс, группа ПК). Точкой отсчета начала эксперимента считали время введения стрептозотоцина либо ему соответствующее. По завершении эксперимента (с 7-е по 90-е сутки) животных анестезировали эфиром и декапитировали, выделяли левые тазовые кости и исследовали с помощью дифрактометра ДРОН-2,0 и гониометрической приставки ГУР-5 с использованием Cu Kα излучения (λ=0,1542 нМ).

Исследовали рефлексы гидроксилапатита с межплоскостным расстоянием 2,798 10-10 М, витлокита с межплоскостным расстоянием 2,607 10-10 М и кальцита с межплоскостным расстоянием 3,029 10-10 М [10]. Используя метод внутреннего контроля, определяли процентное содержание в биологическом минерале тазовой кости каждого из этих компонентов [11].

Для каждой группы рассчитывались среднее значение и стандартные ошибки, для сравнения между группами использовался двусторонний Т-критерий Стьюдента при уровне значимости P<0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

После ХПБК у крыс предстарческого возраста в группе ПХП наблюдали увеличение степени аморфности БМТК: доля гидроксилапатита была меньше группы ПК с 15-е по 90-е сутки после операции на 2,20%, 2,66%, 3,32% и 3,53% (здесь и далее по тексту все приведенные цифровые отличия являются статистически значимыми, р≤0,05) (таблица 1). Одновременно с 15-х по 90-е сутки эксперимента доли аморфных составляющих – кальцита и витлокита – возрастали на 7,70%, 7,86%, 9,68% и 8,91% и на 3,29%, 4,98%, 6,00% и 7,20%.

Примечание. * – различия достоверны (p<0,05) в сравнении с группой ПК; ^ – различия достоверны (p<0,05) в сравнении с группой ПСИД.

Таблица 1. Результаты фазового рентгеноструктурного анализа биоминерала тазовой кости белых крыс предстарческого возраста в зависимости от вида воздействия и длительности эксперимента

Table 1. Results of X-ray phase analysis of the pelvic biomineral of pre-senile white rats, depending on the type of exposure and the duration of the experiment

В группе ПСИД аморфность БМТК также возрастала. Содержание гидроксилапатита с 7-х по 90-е сутки эксперимента было меньше значений группы ПК на 1,53%, 1,87%, 2,98%, 3,83% и 4,00%. Содержание аморфных составляющих, наоборот, возрастало, и с 7-х по 90-е сутки доля кальцита была больше контроля на 4,48%, 5,62%, 9,04%, 10,71% и 9,01%, а содержание витлокита – на 3,56%, 3,54%, 5,38%, 7,26% и 9,00%.

В группе ПХП-СИД доля гидроксилапатита в БМТК была ниже значений группы ПХП к 30-м, 60-м и 90-м суткам эксперимента на 1,20%, 1,87%, 2,31% и 2,35% соответственно. Содержание аморфных компонентов, наоборот, возрастало, и доля кальцита к 7-м суткам была выше значений сравнения на 4,72%, а доля витлокита с 30-х по 90-е сутки – на 5,08%, 7,34% и 7,95%.

ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные нами данные свидетельствуют о том, что ХПБК у крыс предстарческого возраста сопровождается увеличением аморфности БМТК в сравнении с группой ПК, которая регистрируется с 15-х суток после операции и постепенно нарастает в течение всего эксперимента. Данный факт является отражением реакции организма на повреждение костей с целью мобилизации кальция из основного депо – остальных костей скелета с подключением комплекса различных иммунных и метаболических механизмов [12]. Одним из компонентов этих изменений является и развитие окислительного стресса, в результате чего активизируются резорбтивные процессы в скелете [13].

СИД у крыс предстарческого возраста также сопровождается увеличением степени аморфности БМТК, которая регистрируется уже с 7-х суток эксперимента, нарастает в течение всего эксперимента. Для СИД характерны гипергликемия и повышенный уровень окислительного стресса, в результате чего повышается уровень конечных продуктов гликирования белковых молекул [14]. Избыток конечных продуктов гликирования способствует повреждению кости путем образования перекрестных связей и необратимого изменения структуры белковых молекул, в том числе и коллагена, а также взаимодействию со специфическими рецепторами вследствие увеличения уровней окислительного стресса и воспалительных процессов [1, 6]. В результате создаются условия для более выраженной дестабилизации БМТК.

ХПБК на фоне СИД у животных предстарческого возраста в сравнении с группой ПХП сопровождается манифестацией дестабилизации фазового состава БМТК, которая выражена в течение всего эксперимента.

Можно предположить, что при сочетании ХПБК и СИД на фоне старения организма прогрессирует нарастание уровней конечных продуктов гликирования и окислительного стресса, что ведет к усугублению повреждений в скелете и к более грубому нарушению процессов минерализации и костеобразования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Хирургическая перфорация большеберцовых костей у белых крыс предстарческого возраста сопровождается дестабилизацией фазового состава минерала тазовых костей с пиком отклонений к 90-м суткам после операции.

Стрептозотоцин-индуцированный диабет у белых крыс предстарческого возраста также сопровождается дестабилизацией фазового состава минерала тазовых костей в период с 7-х по 90-е сутки эксперимента, а амплитуда отклонений нарастает с увеличением срока эксперимента. Сочетание перфорации большеберцовых костей и стрептозотоцин-индуцированного диабета у животных предстарческого возраста приводит к усугублению нарушений фазового состава минерала тазовых костей с 60-х суток после манипуляции, а к 90-м суткам эксперимента выявленные изменения нарастают.

Дестабилизация фазового состава костного минерала отражается в снижении прочностных характеристик костей, поэтому у геронтологических больных с сахарным диабетом и переломом одной из костей значительно возрастает риск развития повторных переломов.

Конфликт интересов: автор заявляет об отсутствии потенциального конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.

About the authors

Aleksandr V. Torba

Author for correspondence.
Email: alexandr_v_torba@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6341-5746

PhD, Associate Professor, Head of the Department of Hospital Surgery, urology and oncology

References

Supplementary files