Статья: Влияние нанесения дефекта большеберцовых костей ювенильным белым крысам с стрептозотоциновым диабетом на прочность плечевой кости

Влияние нанесения дефекта большеберцовых костей ювенильным белым крысам с стрептозотоциновым диабетом на прочность плечевой кости

А.В. Торба

Аннотация

Актуальность и цели. Цель исследования - установить динамику изменения прочности плечевой кости у ювенильных крыс со стрептозотоцин-индуцированным диабетом после хирургической перфорации большеберцовых костей. Материалы и методы. Сахарный диабет индуцировали однократным внутрибрюшинным введением стрептозотоцина в дозе 55 мг/кг (35 крыс с исходной массой 135-150 г в возрасте 3 месяцев). Хирургическую перфорацию большеберцовых костей диаметром 2,0 мм производили в проксимальном метадиафизе (35 крыс); 35 крысам перфорацию большеберцовых костей производили после индуцирования сахарного диабета. Контролем служили интактные животные (35 крыс). Биомеханический анализ плечевых костей выполняли с использованием техники трехточечного изгиба, по кривым смещения нагрузки рассчитывали прочностные характеристики. Результаты. Хирургическая перфорация большеберцовых костей приводила к снижению прочности плечевых костей с пиком отклонений к 30-м сут после операции, когда модуль упругости, предел прочности и минимальная работа разрушения отставали от контроля на 10,83; 13,47 и 13,60%. При стрептозотоцин-индуцированном диабете прочность плечевой кости уменьшалась прямо пропорционально длительности эксперимента: к 90-м сут предел прочности, модуль упругости и минимальная работа разрушения кости отставали от контроля на 11,97; 4,53 и 10,59%. Сочетание перфорации большеберцовых костей и стрептозотоцин-индуцированного диабета приводило к усугублению нарушений прочности плечевых костей с 7-х сут, к 90-м сут эксперимента модуль упругости, предел прочности и минимальная работа разрушения кости отставали от значений группы без введения стрептозотоцина на 10,74; 9,08 и 8,22%. Выводы. Хирургическая перфорация большеберцовых костей при стрептозотоцин-индуцированном диабете у ювенильных крыс приводит к усугублению нарушений прочности плечевых костей с 7-х сут после манипуляции.

Ключевые слова: крысы, стрептозотоцин-индуцированный диабет, хирургическая перфорация кости, прочность

Abstract

The effect of tibia perforation on the strength of humerus in juvenile rats with streptozotocin-induced diabetes

A.V. Torba

Background. The purpose of the research is to investigate the dynamic changes of humerus strength in juvenile streptozotocin-induced diabetic rats after surgical perforation of the tibia. Materials and methods. Diabetes (35 animals with body weight of 135-150 g at the age of 3 months) was induced by a single intraperitoneal injection of streptozotocin in dosage of 55 mg per kg of body weight. Surgical perforation of the tibia was modeled as 2 mm through opening in the proximal metadiaphysis (35 animals). Another group comprised 35 animals with both perforation and diabetes. 35 intact animals comprised the control group. Strength testing was performed by means of three-point bending loading technique at a loading speed of 10 pm per minute. Strength features were calculated from resulting displacement curves. Results. Surgical perforation of the tibia results in decrease of strength of the humerus; manifestations peak was observed on the 30th day after intervention. By the 30th day elasticity modulus, ultimate strength, and fracture energy were lower than those of the controls by 10.83%, 13.47%, and 13.60% (hereinafter, all the given numerical differences are statistically significant, p<0.05). In streptozotocin-induced diabetes humerus strength features depend on duration of the experiment. By the 90th day ultimate strength, elasticity modulus, and fracture energy were lower than those of the controls by 11.97%, 4.53%, and 10.59%. Fracture of the tibia in streptozotocin-induced diabetes leads to aggravation of strength disorders beginning from the 7th day of observation. By the 90th day elasticity modulus, ultimate strength, and fracture energy decreased by 10.74%, 9.08%, and 8.22% respectively (in comparison with non-diabetic animals with fracture of the tibia). Conclusions. Surgical perforation of the tibia in streptozotocin-induced diabetic juvenile rats leads to aggravation of humerus strength disorders from the 7th day after intervention.

Keywords: rats, streptozotocin-induced diabetes, bone surgical perforation, strength

Введение

Термин «сахарный диабет» обозначает группу метаболических расстройств, которые приводят к стойкому хроническому повышению уровня глюкозы в крови [1]. Причиной сахарного диабета первого типа (СД1) является аутоиммунная реакция на Р-клетки эндокринной части поджелудочной железы, что приводит к абсолютной недостаточности инсулина и, следовательно, к гипергликемии [2]. Сахарный диабет второго типа (СД2) развивается по причине нечувствительности клеток к инсулину, возникающей на разных уровнях взаимоотношений клеток с инсулином [3]. Латентный аутоиммунный диабет у взрослых (LADA) в целом имеет те же причины и механизмы развития, что и СД1, однако симптомы и признаки данного заболевания характерны и для СД2, что затрудняет выявление и постановку верного диагноза [4].

По данным Всемирной организации здравоохранения, на 2014 г. диабетом болели 422 млн человек во всем мире, что составляло 8,5% всего взрослого населения планеты; 10-15% случаев приходится на СД1 и другие, более редкие типы заболевания. При этом частота встречаемости СД1 и LADA постепенно увеличивается [1].

При сахарном диабете нарушаются все виды обмена, что приводит к разнообразным осложнениям, в том числе и к диабетической остеопатии и остеопорозу. На их фоне значительно повышается риск переломов, лечение которых, как и реабилитация, весьма сложно, длительно и затратно [5].

Изучению состояния скелета при диабете посвящено значительное количество работ, однако состояние скелета после перелома на фоне СД освещено значительно меньше. При этом подавляющее большинство исследований посвящено состоянию скелета у больных СД2 [6]. Морфогенез скелета в условиях СД1 и LADA после переломов практически не освещен.

Цель исследования - установить динамику изменения прочности плечевой кости у ювенильных крыс со стрептозотоцин-индуцированным диабетом после хирургической перфорации большеберцовых костей.

Материал и методы исследования

большеберцовая кость диабет хирургический

В исследовании было задействовано 140 ювенильных белых крыс в возрасте трех месяцев при вступлении в эксперимент массой 135-150 г, находящихся на содержании в виварии Луганского государственного медицинского университета имени Святителя Луки. Животных содержали в условиях 12-часового дневного освещения при температуре 20-22 °С и влажности 60-80%, им обеспечивали свободный доступ к пище и воде в течение 7 дней перед экспериментом. Крыс случайным образом разделили на четыре группы. Сахарный диабет 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 их дозировали из расчета 2 мл/кг (35 крыс) [7]. Поскольку после инъекции стрептозотоцина из-за массивного некроза В-клеток поджелудочной железы манифестирует гиперинсулинемия, крысам обеспечивали доступ к достаточному количеству комбикорма, а питьевую воду в 1-е сут после инъекции заменяли достаточным количеством 20% водного раствора сахарозы, а на 2-3-и сут - 10% водным раствором сахарозы. С 4-х сут животные переводились на обычную питьевую воду. Через 3 сут после инъекции диабетический статус каждого животного подтверждался путем измерения уровня глюкозы в крови из хвостовой вены, взятой через 6 ч после приема пищи. Уровень глюкозы анализировали с помощью глюкозооксидазного метода [8], используя стандартные наборы реактивов CORMAY LDL DIRECT (Польша), и выражали в ммоль/л сыворотки крови. В исследование в дальнейшем были включены только крысы с уровнем глюкозы в крови >12 ммоль/л. Хирургическую перфорацию большеберцовых костей диаметром 2,0 мм при эфирной анестезии производили в проксимальном метадиафизе большеберцовых костей (35 крыс) [9]. Части животных (35 крыс) перфорацию большеберцовых костей производили после индуцирования сахарного диабета. Контролем служили интактные животные (35 крыс). Точкой отсчета начала эксперимента считали время введения стрептозотоцина либо ему соответствующее.

Биомеханический анализ плечевых костей выполняли с использованием техники трехточечного изгиба при скорости нагружения 10 мкм/мин, по кривым смещения нагрузки рассчитывали прочностные характеристики (минимальную работу разрушения кости, удельную стрелу прогиба, модуль упругости и предел прочности) [10]. Для каждой группы рассчитывались среднее значение и стандартные ошибки, для сравнения между группами использовался двусторонний Г-критерий Стьюдента при уровне значимости p < 0,05.

Результаты и обсуждение

Хирургическая перфорация большеберцовых костей приводила к снижению прочности плечевых костей в диапазоне с 7-х по 90-е сут после операции (табл. 1). Значение удельной стрелы прогиба к 7-м сут после операции было меньше показателей группы 1 на 9,94%, а к 30-м и 60-м сут превышало их на 8,28 и 9,32% (все приведенные в тексте данной статьи цифровые отличия являются статистически значимыми, р < 0,05). Одновременно минимальная работа разрушения кости с 7-х по 30-е сут была ниже контрольной на 9,04; 11,39 и 13,60%, модуль упругости с 15-х по 60-е сут - на 8; 8,21; 10,83 и 4,99%, а предел прочности с 15-х по 90-е сут - на 10,86; 13,47; 6,88 и 5,45%.

Таблица 1

Биомеханические характеристики плечевых костей ювенильных белых крыс в зависимости от вида воздействия и длительности эксперимента (X ± Sx)

Примечание. * - статистически значимое отличие от контрольной группы (р < 0,050); Л - статистически значимое отличие от группы с перфорацией большеберцовых костей (р < 0,05).

Согласно полученным результатам хирургическая перфорация большеберцовых костей у ювенильных крыс приводила к снижению прочности плечевых костей с пиком отклонений к 30-м сут после операции, с признаками восстановления в дальнейшем. Это является отражением реакции организма на хирургическую перфорацию большеберцовых костей с задействованием иммунных и метаболических механизмов, направленных на обеспечение процессов остеорепарации [11].

Биологическая резорбция костных отломков в области перфорации большеберцовых костей сопровождается генерацией супероксид NADPH- оксидазы и подъемом уровня внутриклеточных активных форм кислорода, которые стимулируют дифференцировку и образование зрелых остеокластов [12]. Это приводит к H2O2-индуцированному апоптозу и ингибированию дифференцировки остеобластов [13]. В результате нарушаются прочностные характеристики костей скелета. С замедлением резорбтивных процессов прочность костей восстанавливается.

При стрептозотоцин-индуцированном диабете прочность плечевой кости уменьшалась: модуль упругости и минимальная работа разрушения были меньше значений контрольной группы с 7-х по 90-е сут после инъекции стрептозотоцина на 4,41; 4,79; 5,32; 4,53 и 4,53%, и на 7,37; 10,30; 10,20; 9,75 и 10,59%, а удельная стрела прогиба к 15-м, 60-м и 90-м сут - на 5,16; 6,52 и 6,47%. Одновременное снижение данных показателей свидетельствует об увеличении хрупкости кости. В то же время предел прочности был меньше значений контроля с 15-х по 90-е сут на 7,72; 8,55; 10,41 и 11,97%.

Следовательно, при стрептозотоцин-индуцированном диабете у ювенильных крыс прочность плечевой кости уменьшалась с 7-х сут прямо пропорционально длительности эксперимента. Стрептозотоцин-индуцированный диабет сопровождается гипергликемией, окислительным стрессом и снижением активности инсулина [3]. В результате угнетается морфофункциональная активность остеобластов и остеоцитов, что ведет к снижению уровня костеобразования и нарушению процессов костного ремоделирования [6]. Также хроническая гипергликемия и окислительный стресс способствуют накоплению конечных продуктов глубокого гликирования белков, что сопровождается и образованием поперечных связей коллагена в костном матриксе [14, 15]. Все это приводит к изменению микроструктуры губчатого и компактного костного вещества и отражается в нарушении прочности костей [4, 16]. В результате понижается прочность плечевых костей и возрастает их хрупкость.

Сочетание перфорации большеберцовых костей и стрептозотоцин-индуцированного диабета приводило к усугублению нарушений прочности плечевых костей по отношению к группе, где хирургическая перфорация большеберцовых костей производилась без диабета, с 7-х сут эксперимента: удельная стрела прогиба превышала показатели сравнения на 4,39%, а с 15-х по 90-е сут была меньше их на 8,00; 12,86; 15,41 и 8,50%. Значение модуля упругости к 60-м и 90-м сут также отставало от контроля на 6,30 и 10,74%, что свидетельствует о значительном увеличении хрупкости плечевой кости. Синхронно с этими изменениями предел прочности к 7, 60 и 90-м сут отставал от контроля на 5,35; 7,84 и 10,68%, а минимальная работа разрушения к 60-м сут - на 8,22%.

То есть сочетание перфорации большеберцовых костей и стрептозотоцин-индуцированного диабета у ювенильных крыс приводило к усугублению нарушения прочности плечевых костей уже с 7-х сут, а к 90-м сут эксперимента изменения нарастали. Вероятно, при сочетании повреждения большеберцовых костей и стрептозотоцин-индуцированного диабета прогрессирует нарастание уровней конечных продуктов глубокого гликирования и окислительного стресса, что приводит к более грубым повреждениям в скелете и снижению прочности костей.

Заключение

Хирургическая перфорация большеберцовых костей у ювенильных белых крыс сопровождается снижением биомеханической прочности плечевых костей с пиком отклонений к 30-м сут после операции. Стрептозотоцин-индуцированный диабет у ювенильных белых крыс также сопровождается снижением биомеханической прочности плечевых костей; вышеперечисленные изменения наблюдаются с 7-х по 90-е сут и постепенно нарастают. Сочетание перфорации большеберцовых костей и стрептозотоцин-индуцированного диабета у ювенильных животных приводит к усугублению нарушений прочности плечевых костей с 7-х сут после манипуляции, а к 90-м сут экспе-римента изменения нарастали.

Список литературы

1. Saeedi P., Petersohn I., Salpea P. [et al.]. Global and regional diabetes prevalence estimates for 2019 and projections for 2030 and 2045: Results from the International Diabetes Federation Diabetes Atlas, 9 th edition // Diabetes Research and Clinical Practice. 2019. Vol. 157. P. 107843. doi:10.1016/j.diabres.2019.107843

2. Dhaon P., Shah V. N. Type 1 diabetes and osteoporosis: A review of literature // Indian Journal of Endocrinology and Metabolism. 2014. Vol. 18, № 2. P. 159-165. doi:10.4103/2230-8210.129105

3. Hamada Y., Fujii H., Fukagawa M. Role of oxidative stress in diabetic bone disorder // Bone. 2009. Vol. 45, suppl. 1. P. S35-S38. doi:10.1016/j.bone.2009.02.004

4. Li J., Zhang Y., Zhang J. [et al.]. Oxidative Stress and Its Related Factors in Latent Autoimmune Diabetes in Adults // BioMed Research International. 2021. Vol. 2021. P. 5676363. doi:10.1155/2021/5676363

5. Costantini S., Conte C. Bone health in diabetes and prediabetes // World Journal of Diabetes. 2019. Vol. 10, № 8. P. 421-445. doi:10.4239/wjd.v10.i8.421