Исследованы такие характеристики скелета, как площадь поверхности скелета, удельная поверхность и костный объем спонгиозы, количество губчатой кости в бедренной кости, отношение площади поверхности скелета к объему крови животных, скорость аппозиционного роста костной ткани.
По данным прямой прижизненной радиометрии в течение 17 сут после инъекции 91Y самое медленное его выведение наблюдали у животного №1, самое быстрое - у животного №2, животное №3 занимало промежуточное положение. Радиометрия органов и тканей, проведенная после умерщвления животных, подтвердила выявленную закономерность: содержание 91Y в скелете составило 56,0, 42,3 и 44,4% от введенного, во всем теле - 65,3, 56,6 и 59,9% соответственно. Относительно большая задержка радионуклида в мягких тканях старых животных по сравнению с молодым (14,4, 15,5 и 9,3% от введенного соответственно) хорошо согласуется с литературными данными (Булдаков Л.А., Москалев Ю.И., 1968; Панченко И.Я., Буров Н.И., 1970; Вредные химические…, 1990; Bronner F., 1964).
Полученные морфофизиологические характеристики скелета позволили получить качественную характеристику процессов накопления - выведения 91Y из скелета этих животных и сопоставить ее с данными прямой прижизненной радиометрии. Теоретически самое высокое содержание радионуклида на протяжении всего эксперимента должно быть у молодого взрослого животного (№1). Выведение 91Y из скелета путем десорбции зависит в основном от величины отношения площади поверхности скелета к объему крови: чем оно выше, тем скорее протекают процессы, приводящие к выведению кумулированного радионуклида. По возрастанию этого показателя крысы располагаются в следующий ряд: №1 - №3 - №2 (66,3; 69,1 и 81,9 см2 /см3).
Скорость аппозиционного роста, приводящая к замуровыванию и препятствующая выведению радионуклида из кости, практически одинакова у одновозрастных животных (1,8 ± 0,2 и 1,7 ± 0,2 мкм сут-1) и значимо выше у молодого взрослого животного (2,4 ± 0,1 мкм сут-1). Однако, исходя из представлений о сбалансированности процессов роста и резорбции у взрослых животных, мы считаем, что интенсивность резорбции у животного №1 тоже самая большая. Высокий уровень резорбции противодействует задержке радионуклида в скелете и свидетельствует об относительно высокой функциональной активности остеокластов. Это косвенно указывает на увеличенную продукцию скелетом депонирующего агента, роль которого играют метаболиты типа лимонной кислоты, а основным источником являются остеокласты (Ньюман У., Ньюман М., 1961; Слуцкий Л.И., 1969; Торбенко В.П., Касавина Б.С., 1977). Под влиянием депонирующего агента 91Y, выведенный в кровь в результате резорбции, десорбции и обменных процессов в мягких тканях, при рециркуляции у молодого животного в бульшей мере, чем у старых, аккумулируется в кости. У двух взрослых старых крыс интенсивность процессов роста и резорбции практически одинакова, а величина отношения площади поверхности скелета к объему крови, определяющая скорость процессов выведения радионуклида из скелета, у животного №3 меньше.
Качественная обусловленность (направленность процессов накопления - выведения) индивидуальных особенностей обмена 91Y совокупностью параметров морфофизиологических факторов скелета, характеризующих отдельную особь, адекватно совпала с данными прямой прижизненной радиометрии. При этом экспериментальные кривые соответствуют расчетным, построенным по реальным параметрам МФФ этих животных. Хотя опыт был проведен с применением одного радионуклида, но, поскольку механизмы обмена являются общими для всех остеотропных веществ (Любашевский Н.М., 1980), можно считать его результаты качественно репрезентативными и для других радионуклидов, депонирующихся в скелете.
Оценить вклад каждого МФФ в кинетику 91Y на уровне целостного организма крайне сложно. Однако ранее нами для губчатой кости была обнаружена прямо пропорциональная зависимость удельной поверхности и ее массы (в противоположность обратной пропорциональности для целостных костей). Это позволяет по массе оценивать площадь поверхности и коррелирующие с ней параметры лимитирующих факторов. Данное обстоятельство положено в основу эксперимента, в котором моделью увеличения площади поверхности служило различное количество новообразованной костной ткани в результате репарации переломов.
Метаболизм 91Y в условиях репарирования костной ткани. Кинетику 91Y исследовали через 2 месяца после перелома, когда костная мозоль заместилась настоящей костной тканью и под новообразованной кортикальной костью сформировалась трабекулярная ткань. Несомненно, в ранние сроки могли проявиться более резкие различия, так как в это время область перелома накапливает радионуклид в количестве чуть ли не на порядок величин бульшем, чем прилежащие отделы скелета (Торбенко В.П., Касавина Б.С., 1977; Фосфорно-кальциевый…, 1982; Свешников А.А. и др., 1984; Свешников А.А., 1986), однако костная мозоль химическим составом и гистологическим строением отличается от настоящей костной ткани (Русаков А.В., 1959; Уотсон-Джонс Р., 1972; Никитин Г.Д., Грязнухин Э.Г., 1983; Хмельницкий О.К. и др., 1983; Хэм А., Кормак Д., 1983; Ревелл П.А., 1993). Кроме того, за счет дестабилизации всех физиологических процессов (в том числе во внескелетных тканях) в этот период возникают дополнительные условия, осложняющие количественный учет депонирования радионуклида.
По данным прижизненной радиометрии четкой зависимости между числом нанесенных переломов (от 2 до 10) и изменением в кинетике 91Y выявить не удалось. Авторадиографические и радиометрические исследования показали резкое увеличение накопления 91Y местом бывшего перелома. При этом обнаружена корреляция между накоплением 91Y в локусе бывшего перелома и приростом массы костной ткани (рис. 4). Коэффициент корреляции уменьшается в направлении лучевая и локтевая кости - большая и малая берцовые кости - плечевая кость (0,81; 0,39; 0,34 соответственно), для лопатки корреляция отрицательна (-0,78). Такой разброс коэффициентов объясняется различиями в морфологии переломов отдельных костей. Общий коэффициент корреляции составляет 0,74 (p<0,001).
Рис. 4. Зависимость между изменением содержания 91Y и приростом костной массы в костях крыс, подвергнутых перелому: 1 - большеберцовая и малоберцовая кости, 2 - плечевая кость, 3 - лучевая и локтевая кости, 4 - лопатка
На основании выявленной зависимости расчетным путем оценен минимальный сдвиг величины площади поверхности репарированной костной ткани экспериментальных животных, вызывающий значимые отличия в кинетике 91Y. Оказалось, что на локальном уровне сдвиг в аккумуляции 91Y может быть выявлен при изменении площади поверхности на 3-10%, на тканево-системном уровне - на 28-70%, на уровне всего организма - на 40-110% площади поверхности всего скелета. В проведенном эксперименте значимое изменение содержания 91Y на локальном уровне было вызвано меньшей величиной площади поверхности репарированной кости (2-6% площади поверхности всего скелета), однако истинное изменение площади поверхности может быть несколько бульшим за счет возможного остеопороза, наступившего в результате снижения двигательной активности животных после переломов (Русаков А.В., 1959; Ревелл П.А., 1993; Свешников А.А., Смотрова Л.А., 2001; Оганов В.С., 2003).
Таким образом, сопоставление накопления 91Y в скелете отдельных крыс с морфофизиологическими параметрами скелета животных подтвердило их взаимосвязь. Показано, что для проявления индивидуальных особенностей метаболизма 91Y на уровне целостного организма два индивида должны различаться по величине площади поверхности скелета на 40-110% (при относительной неизменности параметров всех других факторов), чего невозможно достичь в эксперименте на отдельных особях, не вызывая далеко идущих патологических нарушений. Поэтому нами применен метод аппроксимации индивидуальных характеристик групповыми показателями однородной по возрасту и генотипу выборки животных - инбредных линейных мышей. Индивиды одной линии с генетической точки зрения вполне взаимозаменяемы (Уильямс Р., 1960; Gupta A.P., Lewontin R.C., 1982), а вся инбредная линия представляет собой «коллективный индивид». На линейных мышах проведены дальнейшие экспериментальные исследования.
Кинетика 90Sr при нормальном и замедленном развитии скелета у животных разных возрастов. Одним из эффективных модификаторов ростовых процессов у мышей является длительная овсяная монофагия (см. раздел 3). После родов самок мышей линии CBA содержали на стандартной или овсяной диете. Рацион потомства оставался прежним и после перевода их на самостоятельное питание. В возрасте 8 нед (I возраст) и 12 нед (II возраст) контрольным и опытным мышам производили однократное введение 90Sr, через 3 нед животных подвергали эвтаназии.
На фоне возрастного увеличения массовых показателей выявлено уменьшение накопления 90Sr как у интактных, так и у опытных животных (рис. 5), что полностью соответствует возрастным закономерностям прироста тела и аккумуляции радионуклидов (Проблема выведения…, 1962; Куликова В.Г., 1966; Булдаков Л.А., Москалев Ю.И., 1968; Гольдман М., Делла Роза Р.Дж., 1971; Корнеев Н.А. и др., 1977; Радиобиология…, 1986; Вредные химические…, 1990; Журавлев В.Ф., 1990; Биокинетика…, 1996).
Согласно концепции ЛМФФ, одним из факторов выведения остеотропных веществ является соотношение «поверхность - объем» кости: чем оно больше, тем интенсивнее идет процесс элиминации. В длинных трубчатых костях удельная поверхность отрицательно коррелирует с их массой (рис. 1), что позволяет по массе оценивать соотношение «поверхность - объем». Поэтому при сравнении пары костей бедренная - большеберцовая можно предполагать, что у меньшей из них уровень депонирования радионуклида будет ниже. Действительно, бедренные кости внутри отдельных групп на 20-25% тяжелее большеберцовых и концентрация 90Sr в них в среднем на 9,6% выше. Это совпадает с данными других авторов о различиях аккумуляции радионуклидов в различных костях, а также в пределах одной и той же кости (К вопросу…, 1963; Швыдко Н.С. и др., 1987; Проблемы…, 1990; Wronski T.J. et al., 1980; Schofield G.B., 1982; Kathren R.L. et al., 1987).
Корреляция концентрации 90Sr и массы составляет -0,90 (p<0,01) (рис. 6) для бедренных и -0,88 (p<0,01) - для большеберцовых костей. Столь высокий уровень корреляции свидетельствует о связи кинетики радионуклида с фактором «поверхность - объем», опосредованно проявляющимся через массу костей.
На протяжении всего эксперимента животные, содержавшиеся на овсяной монодиете, были гораздо мельче контрольных, поэтому, следуя логике предыдущих рассуждений, можно было бы ожидать, что удельная активность радионуклида в их костях будет ниже, чем в контроле. Полученные результаты (рис. 5), на первый взгляд, противоречат этому утверждению. Однако костные поверхности, кроме количественных параметров - «площадь», «скорость роста», «интенсивность резорбции» - характеризуются еще качественно - степенью минерализации. Оценкой минерализации кости (соотношение минерального и органического компонентов) можно считать коэффициент озоления - отношение массы золы к массе сырой кости. Известно, что количество минерализованной костной ткани после рождения увеличивается; у человека с определенного возраста начинает уменьшаться (Человек…, 1977; Георгиевский В.И. и др., 1979; Радиобиология…, 1986; Профилактика…, 2001; Свешников А.А., Репина И.В., 2007).
Коэффициент озоления бедренных костей животных I-го возраста равен: контроль - 0,30 0,001, опыт - 0,23 0,002; II-го возраста - 0,33 0,002 и 0,25 0,004 соответственно, что свидетельствует о наличии в костях опытных животных меньшего количества минеральных веществ. Следовательно, полностью минерализованной кости в скелете животных опытных групп приблизительно на 20-25% меньше, чем у контрольных (p<0,01). По прошествии месяца (временной разрыв между I и II возрастом) минерализация костной ткани у всех животных увеличивается, однако различия между контролем и опытом остаются на прежнем уровне. Известно, что не полностью минерализованная кость сильнее удерживает депонированные на ее поверхности радионуклиды (Ньюман У., Ньюман М., 1961; Книжников В.А., Марей А.Н., 1971; Любашевский Н.М., 1980). Радиометрические данные подтверждают это положение: у опытных животных концентрация 90Sr больше, чем у контрольных. Корреляция концентрации 90Sr и коэффициента озоления для бедренных костей составляет -0,77 (p<0,01) (рис. 7), для большеберцовых - -0,74 (p<0,01). При использовании удельной активности золы величина корреляции не изменяется (-0,88 - для бедренной кости, -0,84 - для большеберцовой, p<0,01). При этом обнаружена взаимосвязь коэффициента озоления и массы костей (например, для бедренной кости r = 0,80, p<0,01) (рис. 8).
Интерес представляет сравнение II-ой опытной группы с I-м контролем. Опытные животные в возрасте 3,5 мес по всем изученным показателям еще не достигли уровня 2,5 - мес контрольных животных. Например, масса тела - 13,7 0,3 и 17,6 0,2 г; масса бедренной кости - 0,0858 0,002 и 0,1004 0,001 г.; концентрация 90Sr в бедренной кости 1266 45 и 935 17 Бк/г; коэффициент озоления - 0,25 0,004 и 0,30 0,001 соответственно. Полученные результаты свидетельствуют о несоответствии физиологического и хронологического возрастов костной ткани у животных опытных групп, то есть диета, состоящая в течение длительного времени из овса, замедляет не только темп роста тела, но и дифференциацию морфологических структур скелета. Факт различий физиологического и календарного возрастов при содержании животных в разных условиях или на разных диетах известен из литературы (Румянцев А.В., 1958; Пархон К.И., 1959; Касавина Б.С., Торбенко В.П., 1979) и свидетельствует о необходимости учета в физиологических исследованиях всех экзогенных факторов.
Таким образом, в работе на мышах линии СВА показано, что особенности депонирования 90Sr на локальном уровне количественно могут быть интерпретированы через параметры такого морфофизиологического фактора, как соотношение «поверхность - объем» (удельная поверхность) костной ткани. Например, на уровне отдельных костей (бедренная - большеберцовая) кинетика 90Sr коррелирует (r = -0,9; p<0,01) с удельной поверхностью, оцениваемой по массе кости, то есть чем больше удельная поверхность кости, тем меньше концентрация 90Sr. Однако на уровне целостного скелета на конечный результат аккумуляции 90Sr в большой степени влияет и минеральная плотность костей: чем сильнее они недообызвествлены, тем выше величина накопления радионуклида (r = -0,7 - -0,8; p<0,01).