MORPHOLOGICAL CHANGES OF THE INTERVERTEBRAL DISKS OF THE SPINE CAUDAL PORTION IN RATS AFTER PERMANENT AND TEMPORARY ASYMMETRIC COMPRESSION-DISTENSION

Full Text

Среди весьма распространенных заболеваний опорно-двигательного аппарата человека — остеохондроз позвоночника и его осложнения. Известно, что в основе патогенеза остеохондроза лежат дистрофические (т.е. связанные с нарушениями метаболизма, катаболические) изменения в студенистом ядре (СЯ) и фиброзном кольце (ФК) межпозвонковых дисков (МПД) [7, 8, 14, 17], к которым присоединяются механические повреждения коллагеновых пластин ФК, что влечет за собой репаративные процессы различной степени выраженности, в том числе — врастание сосудов через повреждения ФК и замыкательные пластинки эпифизов [7, 9, 17]. Как показано в некоторых клинических и экспериментальных исследованиях, морфологические изменения в СЯ и ФК МПД возникают после травмы диска и тела позвонка, нарушения кровоснабжения тканей диска по сегментарным сосудам, отходящим от аорты [3, 7]. При этом в СЯ ускоряется естественная возрастная дегенерация ткани, выражающаяся в некрозе клеток СЯ, а в ФК появляются очаги ишемического некроза хондроцитов (ХЦ), лежащих между коллагеновыми пластинами, что авторы наблюдали в передних отделах ФК МПД поясничных сегментов [3, 5, 12]. В ряде работ по изучению морфогенеза остеохондроза позвоночника была предложена модель поражения тканей МПД при длительной асимметричной статичной компрессии–дистензии (АСКД) хвостового отдела позвоночника крыс [2, 6, 13, 16]. Однако в этих работах не исследованы темпы, топография и механизмы формирования очагов повреждения структур МПД, а также результаты релаксации хвоста после снятия АСКД, в ходе которой можно предполагать репаративные изменения в тканях дисков. Цель настоящего экспериментального исследования — установить морфологические особенности поражения и репарации тканей МПД хвостового отдела позвоночника крыс при постоянной и временной (с последующей релаксацией хвоста) асимметричной компрессии – дистензии. Материал и методы. Эксперимент поставлен на 44 белых крысах-самцах Вистар в возрасте 4 мес, которые разделены на три группы. Эксперименты проведены в соответствии с «Правилами проведения работ с использованием экспериментальных животных» (приказ № 755 от 12.08.1977 г. МЗ СССР). Крыс I группы (интактные животные) умерщвляли одновременно с введением животных II и III групп в эксперимент. Животным II группы под внутрибрюшинным кетаминовым наркозом выполняли ампутацию трех последних сегментов хвоста, а затем подшивали культю хвоста в области его основания по методике, описанной ранее [2, 13, 16]. Крыс содержали в стандартных условиях вивария. Местных осложнений операции (прорезывание швов, некроз мягких тканей, инфицирование операционной раны), а также спонтанного падежа животных не наблюдали. Релаксацию хвостового отдела у животных III группы выполняли под кетаминовым наркозом путем отсечения дистальной культи хвоста, подшитой к его основанию; разрезы в основании и на конце хвоста ушивали узловыми швами. Животных выводили из эксперимента путем внутрибрюшинного введения летальной дозы тиопентал-натрия, после чего крысам со сроками постоянной АСКД 3, 7 и 14 сут, пребывающим в глубоком наркозе, выполняли инъекцию сосудов тушьжелатиновой массой (ТЖМ) [1, 3]. Сроки наблюдения после создания АСКД, сроки после снятия АСКД, т. е. длительность релаксации хвостового отдела позвоночника, количество животных на каждый срок наблюдения в группах сравнения указаны в таблице. Тканевые блоки, включавшие 2–4 сегмента хвостового отдела позвоночника, вырезали в плоскости наиболее выраженного изгиба хвоста. После фиксации и декальцинации кусочки заливали в целлоидин. Срезы толщиной 10 мкм, полученные на разных уровнях резки блока, до окрашивания просматривали для оценки репрезентативности структур сегментов: СЯ, ФК, эпифизов тел позвонков. Срезы окрашивали гематоксилином — эозином и гематоксилином – пикрофуксином по Ван-Гизону. Отдельные срезы толщиной 200 мкм, полученные при интервальной резке блоков, просветляли в метилсалицилате. Гистологические исследования проводили по методу светлого поля и в поляризованном свете. Результаты исследования. Тело хвостового позвонка крысы построено из следующих анатомических компонентов: двух эпифизов, граничащих с проксимальным и дистальным межпозвонковыми дисками, и метадиафиза, так как какое-либо разграничительное образование между метафизами и диафизом отсутствует. Эпифизы тел позвонков крысы, в отличие от растущих позвонков человека, имеют форму распластанной бляшки. Между метафизом и эпифизом располагается эпифизарный (ростковый) хрящ в виде прослойки. Часть тела позвонка, расположенную между двумя эпифизарными хрящами, мы называем метадиафизом, хотя этот термин и отсутствует в Международной анатомической терминологии (2003). Строение МПД и эпифизов тел хвостовых позвонков интактных крыс (I группа). МПД хвостового отдела позвоночника крысы характеризуется симметричностью тканевых компонентов относительно продольной оси позвонков (рис. 1). Коллагеновые пластины ФК с обеих сторон симметрично ограничивают полость СЯ, границы которой довольно четкие, образующие переход от плотных коллагеновых структур внутренних отделов ФК к рыхлой структуре СЯ. Расположение коллагеновых пластин ФК с обеих сторон СЯ примерно одинаковое: они не имеют строго параллельной ориентации, образуют незначительную волнистость (рис. 2), их клетки — хондроциты (ХЦ), заключенные между коллагеновыми пластинами, — уплощенные, с небольшим ядром. СЯ состоит из скоплений бледнобазофильного межклеточного вещества, которое по объему значительно преобладает, составляя 60–85% объема полости СЯ, и распределенных в нем групп клеток. Клеточный состав СЯ гистологически сравнительно однородный, большинство клеток — крупные, полигональные или округлые, с объемной мелко-и крупновакуолизированной цитоплазмой — хордальные клетки (ХК) СЯ, которые образуют разнообразные гистологические структуры: трабекулярные, островковые и т.п. К ФК и СЯ МПД по обеим поверхностям прилежат эпифизы тел позвонков, которые представляют собой неправильной формы плоские образования, утолщенные в центре и суженные по краям (см. рис. 1). В краевых отделах поверхности, обращенной к МПД, к костной ткани прикрепляются коллагеновые пластины ФК; в центральных отделах, где эпифиз граничит со СЯ, на поверхности эпифиза располагается тонкая замыкающая хрящевая пластинка. Вся обращенная к метафизу поверхность эпифиза прилежит к эпифизарному (ростковому) хрящу. Костная часть эпифиза представлена толстобалочной губчатой костной тканью, в костномозговых пространствах которой содержится желтый или смешанный костный мозг. Морфологические изменения в МПД и эпифизах тел позвонков при постоянной АСКД (II группа). Уже на 3-и сутки после начала АСКД определялись асимметрия структур ФК при сравнении на стороне дистензии и компрессии и некоторое смещение полости и ткани СЯ в сторону дистензии. В ткани ФК как на стороне компрессии, так и на стороне дистензии, выявлялись участки некроза ХЦ, расположенных между коллагеновыми пластинами ФК. На стороне дистензии эти участки всегда были мелкоочаговыми, а на стороне компрессии — более крупных размеров. Также на стороне дистензии наблюдалось параллельное расположение как бы натянутых коллагеновых пластин ФК, на стороне компрессии — их сминание, разволокнение и расслоение, которые, впрочем, не достигали максимальной степени выраженности. Сепарация коллагеновых пластин от эпифиза регистрировалась примерно в половине общего количества дисков, относящихся к данному сроку наблюдения. В костномозговых пространствах эпифизов встречались очаги ишемического повреждения костного мозга, сопровождавшиеся локальным отеком. В просветленных срезах блоков тканей после инъекции ТЖМ встречались очаги незаполнения микроциркуляторного русла (МЦР) костного мозга, сопровождавшиеся экстравазацией инъекционной массы. На 7-е сутки постоянной АСКД значительное смещение СЯ наблюдалось почти в половине исследованных МПД (рис. 3). В ФК на стороне дистензии встречались участки отделения коллагеновых пластин. Сминание и расслоение коллагеновых пластин ФК на стороне компрессии были выражены сильнее, чем в предыдущий срок; при этом крупные очаги некроза ХЦ регистрировались почти в половине МПД (рис. 4). На 14-е сутки от начала АСКД значительное смещение СЯ в сторону дистензии наблюдалось примерно в 40% МПД, примерно с такой же частотой — сепарация коллагеновых пластин (рис. 5). Относительно часто в этот срок (более чем в 20% исследованных МПД) встречались крупные очаги некроза ХЦ на стороне дистензии, а на стороне компрессии они обнаружены в 2/3 всех исследованных МПД. В участках некроза ХЦ крупных размеров на стороне компрессии отмечалась пролиферация незрелых ХЦ (рис. 6). Через 30 сут после начала АСКД в подавляющем большинстве МПД была заметна асимметрия основных структурных компонентов диска: значительно увеличена толщина ФК на стороне дистензии и уменьшена на стороне компрессии; дисков, где регистрировалась высокая степень смещения СЯ в сторону дистензии, было более 2/3 из всех исследованных; сепарация коллагеновых пластин на стороне дистензии наблюдалась примерно в 1/3 МПД. В этот срок, как и в предыдущий, относительно часто (примерно в 1/3 всех МПД) встречались очаги некроза ХЦ крупных размеров на стороне дистензии; на стороне компрессии — примерно в 4/5 от общего числа дисков, относящихся к этому сроку. В СЯ многих МПД содержались некротизированные ХК, причем их расположение в части дисков было диффузным, а в части — очаговым, в виде скоплений эозинофильных масс, прилежащих к группам жизнеспособных ХК (рис. 7). На 60-е сутки в большинстве МПД сохранялась выраженная асимметрия толщины ФК при сравнении на стороне дистензии и компрессии, с крупными очагами некроза ХЦ и характерными структурными изменениями коллагеновых пластин ФК на стороне компрессии, а также — высокой степенью смещения СЯ в сторону дистензии. Морфологические изменения в МПД и эпифизах тел позвонков при временной АСКД (III группа). В МПД этой группы выявлены практически такие же качественные патологические изменения, как и у животных с постоянной АСКД. Изменения были представлены асимметрией основных компонентов МПД, смещением СЯ в сторону дистензии, наличием некроза ХЦ, сминанием и расслоением пластин ФК, участками отделения коллагеновых пластин ФК от эпифизов. В сериях животных, где воспроизводили 60 сут АСКД, а затем — 30 сут релаксации хвоста, асимметрия структур МПД была выражена в меньшей степени, т.е. сниженная толщина ФК на стороне компрессии в большинстве случаев восстанавливалась (рис. 8), приближаясь к параметрам у интактных животных, однако на стороне дистензии толщина ФК не обнаруживала тенденции к восстановлению. Высокая степень смещения СЯ в сторону дистензии ни в одном диске не встречалась, однако относительно высокими оставались частота отделения коллагеновых пластин и встречаемости очагов некроза ХЦ ФК крупных размеров на стороне дистензии (около 2/5 всех случаев) и на стороне компрессии (около 2/3 всех случаев). Заметно чаще, чем в конечный срок постоянной АСКД (60 сут) встречались МПД, где в СЯ содержались скопления некротизированных ХК. В серии животных, где воспроизводили 60 сут АСКД, а затем 60 сут релаксации, отмечено увеличение толщины ФК на стороне дистензии, отчетливые признаки восстановления толщины ФК на стороне компрессии. Частота встречаемости МПД с высокой степенью выраженности некроза клеток ФК на стороне дистензии составляла 1/3, на стороне компрессии — 2/3 всех случаев этой серии. Оставалась высокой (в половине всех исследованных МПД) частота встречаемости сепарации коллагеновых пластин от эпифизов; высокая степень смещения СЯ в сторону дистензии обнаружена более чем в 1/3 всех МПД. Обсуждение полученных данных. Среди большого числа экспериментальных моделей дегенеративного поражения позвоночника наиболее близки по патогенезу к вызываемым АСКД методики, основанные на применении устройств, обеспечивающих длительную статическую компрессию одного или нескольких сегментов в поясничном или хвостовом отделах. Модели, предполагающие острое механическое или химическое повреждение ткани МПД [6, 10, 14, 15, 18], представляются этиологически более далекими от патологии человека, чем методика, основанная на АСКД. Ее преимуществами являются высокая воспроизводимость отдельных сторон морфогенеза: асимметрия основных гистологических структур МПД, смещение СЯ, наличие очагов некроза ХЦ в ФК, отделение коллагеновых пластин от эпифизов на стороне дистензии, некроз ХК СЯ, сминание и дезорганизация коллагеновых пластин ФК на стороне компрессии, признаки неполной регенерации очагов поражения клеток ФК. Некоторые из этих признаков патологии позвоночных сегментов были описаны [2, 6, 13, 16], однако динамика, топография и исходы поражения, включая период релаксации, прежде были изучены недостаточно. Патогенез морфологических изменений в настоящем исследовании может быть объяснен с позиций острого нарушения сегментарного кровоснабжения хвостового отдела позвоночника. Трофика основных компонентов МПД и смежных позвонков обеспечивается в норме из нескольких источников [8, 11, 17]. Метадиафизы тел позвонков получают кровоснабжение из главной питающей артерии, а также более мелких метафизарных артерий, эпифизы тел позвонков — из сосудов, входящих по их боковым поверхностям. ФК кровоснабжается из мелких сосудов, проникающих в его наружные отделы и питающих 2/3– 3/4 его толщины. СЯ, не имеющее МЦР, получает трофику диффузионно — из эпифиза, через замыкающие хрящевые пластинки. АСКД создает резко выраженное натяжение и компрессию сосудов, обеспечивающих кровоснабжение сегментов, вплоть до полного перекрытия просветов и нарушения тока крови в МЦР и, возможно, в более крупных сосудах, что приводит к острой ишемии в тканях бассейнов кровоснабжения метадиафизов и эпифизов [4]. Как показало наше исследование, наиболее уязвимым на стороне компрессии является МЦР наружных отделов ФК и эпифизов: именно там возникали наиболее крупные ишемические очаги некроза, а в эпифизах — некроз костного мозга. Нарушению кровоснабжения способствует не только компрессия, но, по-видимому, и дистензия ФК, хотя ишемический некроз при этом чаще оказывается мелкоочаговым. В коллагеновых пластинах ФК, расположенных близко от полости СЯ как на стороне дистензии, так и на стороне компрессии, некротические изменения были минимальны либо вообще отсутствовали. Встречавшиеся в эпифизах очаги медуллярного некроза относительно быстро регенерировали, с восстановлением кровоснабжения, в то время как некротизированные клетки гиповаскуляризованных тканей (ФК, СЯ) длительно не замещались. В отличие от работ, когда изучали морфологические изменения в МПД в отдаленные сроки наблюдения после начала АСКД (30, 60, 90, 150 сут) [2, 6, 16], в настоящем исследовании была прослежена динамика ранних изменений (3, 7, 14 сут), что позволило выявить некоторые прежде не известные тенденции развития ишемически-некротического и дистрофическидеструктивного процессов в МПД и высказаться о темпах и факторах, способствующих их формированию. Так, можно утверждать, что увеличение толщины ФК на стороне дистензии происходит уже в первые 3 сут после создания АСКД, а затем медленно прогрессирует, но характерное уменьшение толщины ФК на стороне компрессии складывается лишь к 7-м суткам после начала АСКД. Возможно, что эффект запаздывания снижения толщины ФК на стороне компрессии в первые дни эксперимента связан с развитием ишемического повреждения структур преимущественно ФК и сопровождающим его отеком как проявлением реактивного серозного воспаления в очаге повреждения тканей. Таким образом, основными морфологическими изменениями в структурных компонентах МПД при постоянной и временной АСКД хвостового отдела позвоночника являются: очаги некроза ХЦ ФК различной величины (наиболее часто встречающийся признак), натяжение коллагеновых пластин ФК и их сепарация от эпифизов на стороне дистензии, сминание и разволокнение коллагеновых пластин ФК на стороне компрессии и перифокальная к очагам хондронекроза пролиферация фиброхондроцитов; увеличение в СЯ количества некротизированных нотохордальных клеток. По сравнению с терминальным сроком постоянной АСКД (60 сут), применение релаксации длительностью 30 или 60 сут приводит к уменьшению выраженности, но не полному устранению некоторых признаков поражения: изменения толщины ФК, частоты встречаемости крупных очагов некроза и участков сепарации коллагеновых пластин, смещения СЯ в сторону дистензии. Регенерация в поврежденных структурах ФК при постоянной или временной АСКД является неполной, т.е. субституцией, и выражается в перифокальной к очагам некроза пролиферации ХЦ. Очаги некроза клеток ФК крупных размеров, которые чаще встречаются на стороне компрессии, полностью не замещаются новообразованным волокнистым хрящом и длительно сохраняются в ткани ФК.

About the authors

V. V. Grigorovskiy

Ukrainian National Academy of Medical Sciences Institute of Traumatology and Orthopedics

Email: val_grigorov@bigmir.net

M. V. Khizhnyak

A. P. Romodanov Institute of Neurosurgery

Yu. G. Gafiychuk

Military Medical Clinical Centre of the Southern Region of the Ministry of Defense of Ukraine

References

Supplementary files