Онтогенез і мінеральний обмін в умовах підвищеного вживання важких металів

ОСТЕОГЕНЕЗ ТА МІНЕРАЛЬНИЙ ОБМІН В УМОВАХ ПІДВИЩЕНОГО ВЖИВАННЯ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ

ВСТУП

Життя як біологічна категорія можливе тільки за умов тісного взаємозв'язку внутрішнього та зовнішнього середовищ, його розвиток відбувається в основному в поступально-прогресуючому, пізніше - регресуючому напрямках. Взаємовідносини між тканинами, органами та факторами зовнішнього середовища багатогранні й виражаються двома формами - домінантного та корелятивного [1]. Перша форма впливу на кістки скелету - навантаження, перенавантаження, травма - вивчена детально [2-4], в той час, як друга - реакція кісток на зовнішні впливи - недостатньо відображена в роботах морфологів.

Кістка - депо мінеральних речовин та регулятор загального обміну іонів, що розчинюються у воді [2]. Безумовно, вона повинна реагувати на підвищене надходження в організм солей важких металів (надлишкову кількість деяких з них виявлено Новомосковською експедицією в більшості районів Сумської області) перебудовою росту, формоутворенням мінерального та органічного метаболізму, що в кінцевому результаті відображається на її механічних властивостях.

МЕТА

У зв'язку з цим, метою нашої роботи є виявлення направленості та динаміки морфофункціональних змін (у тому числі реадаптаційних процесів) у кістковій тканині під впливом підвищеної кількості солей важких металів і знаходження ефективного способу їх корекції.

Найбільш раціональним шляхом досягнення цієї мети є проведення експериментальних досліджень.

МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ

Було використано 70 лабораторних крис-самців вагою 120-150 грамів. Тварин було розбито на 5 серій. Першу серію (15 тварин) затравлювали солями цинку, хрому та заліза протягом 1, 2 та 3 місяців. Другу (15 тварин) затравлювали протягом того ж часу солями міді, нікелю та кобальту. Третю серію (30 тварин) - комбінацією всіх вищезазначених солей, після чого 15 тварин склали четверту серію, в якій спостерігалися реадаптаційні процеси через 1, 3 та 6 місяців. П'яту серію (10 тварин) складав контроль.

Тварин забивали та проводили гістологічне, гістохімічне й морфометричне дослідження стегнової, великогомілкової та плечової кісток [5].

ОБГОВОРЮВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕННЯ

У першій серії експерименту було відмічено зниження ростової активності кісток скелета. В першу чергу, перебудовується кристалічна основа оксіапатиту. З її поверхні вимиваються іони кальцію, фосфору, натрію, калію та магнію [6]. Компенсаторне підвищення через 1 і 2 місяці експерименту вмісту мікроелементів супроводжується підвищенням кількості остеотропних ферментів: лужної фосфатази, каталази та цитохромоксідази.

Але через 3 місяці ці показники мінерального й органічного метаболізму різко знижуються. Демінералізація кістки є безпосередньою причиною зменшення міцності кісток та їх мікротривкості.

Дефіцит мінерального компоненту при дії на організм хрому, заліза та цинку викликає порушення осіфікації органічного матрикса молодих кісток. Порушується структурна організація хрящових зон росту, за рахунок яких відбувається основний ріст кісток у довжину. Губиться зональна будова хряща, знижується проліферативна активність хондроцитів. Зі збільшенням тривалості експерименту ці явища прогресують.

Деструктивні зміни з'являються і в компактній речовині, де знижується швидкість перебудови грубоволокнистої тканини у пластинчату, звужується остеонний шар, збільшується товщина зовнішніх і внутрішніх генеральних пластинок. На третьому місяці експерименту з'являються елементи функціональної перебудови кісткової тканини: [2] багато ліній зклеювання, мозаїчних ділянок звапнення різного ступеня й порожнин гладкостінної резорбції, що вказує на перебудову тканини. Все це призводить до остеопорозу, який супроводжується лакунарним розсмоктуванням кісткових балок. Найнаглядніші ці зміни на 3-му місяці експерименту, але помітні навіть з самого початку, зростаючи разом з тривалістю дослідження.

Субмікроскопічно в хрящевих пластинках росту з'являються молоді недиференційовані хондроцити, а в кортикальному шарі - остеобласти зменшеного розміру та зі зміненою структурою мітохондрій, мембран гранулярного та агранулярного ЕПР й комплексу Гольджі.

В другій серії експерименту тваринам давали солі міді, нікелю та кобальту, які більш токсичні, ніж елементи, які діяли в першій серії.

На відміну від першої серії експерименту навіть через місяць спостерігались чіткі зміни мінерального обміну. Посилено виводяться кальцій, фосфор, калій та магній [6]. У подальшому (на 2-му місяці) ця відмінність значно збільшується й складає більшу величину, ніж при таких же строках у першій серії. У зв'язку із збільшеним надходження іонів міді, їх кількість у кістках, які досліджувались, зростає, утворюючи "ножиці" із вмістом кальцію.

На першому місяці експерименту кількість мікроелементів компенсаторно збільшується, що пов'язано зі збільшенням вмісту остеотропних ферментів. Але на 2-му місяці, а тим більше на третьому, мікроелементарний обмін пригнічується, що виражається у відставанні його кількісного складу від кісток інтактних тварин. Найбільш виражений дефіцит міді, марганцю та цинку безпосередньо пов'язаний з активністю цитохромоксидази та лужної фосфатази, що беруть участь в остеогенезі. При чому відмінність у вмісті мікроелементів більша, ніж у першій серії.

Аналогічним чином реагує на зовнішньосередовищну дію й обмін органічного матриксу. Протягом 1-го місяця відбувається незначне компенсаторне збільшення вмісту глюкози, фосфатази, АТФази, цитохромоксидази та каталази. Зі збільшенням часу дії солей відбувається зрив адаптації, вміст вуглеводів та більшості ферментів порівняно з контролем знижується, досягаючи найбільшої різниці на 3-му місяці. Залишається підвищеним вміст кислої фосфатази, АТФази, загального білка та жиру. Від співвідношення органічного та неорганічного компонентів залежать і міцнісні властивості скелета, що знижуються навіть на 1-му місяці та продовжуються зі збільшенням строків експерименту. Найбільш значне зниження міцності на стискування - на 10,44% та мікротвердість - на 11, 65%.

На відміну від першої серії, на першому місяці другої серії відбувається послаблення проліферативних процесів у хрящових пластинках росту, збільшення вмісту міжуточної речовини між колонками хондроцитів та значне зменшення більшості морфометричних показників. При збільшені термінів експерименту посилюються деструктивні зміни, порушуються процеси нормального старіння клітин, уповільнюються темпи їх дегенерації та утворення кісткового матриксу. Зникає колоноподібне розміщення хрящових клітин, знижується ширина ділянок росту за рахунок звуження зон проліферативного та дефінітивного хрящів. На третьому місяці другої серії на межі з діафізом з'являються порожнини резорбції, що свідчать про дистрофічні зміни в кістковій системі. При збільшенні термінів експерименту поступово знижується об'ємна густина первинної та вторинної спонгіози, зменшується об'єм хрящової тканини в губчастій речовині та глибина проникнення трабекул спонгіози хондроїдної тканини в кістково-мозкові порожнини. Рідше зустрічаються остеобласти, з'являються ділянки некрозу перекладин губчастої речовини.

В діафізах трубчастих кісток, починаючи з першого місяця, збільшуючись на другому, а ще більше на третьому місяці, з'являються елементи дистрофічних змін в кістковій тканині у вигляді остеопорозу. Чим більше триває дія солей, тим краще визначаються лінії склеювання, мозаїчні плями та порожнини резорбції. Порушується диференціювання молодих та зрілих остеонів, поступово згладжується межа зон. Від ступеня до ступеня зростає ширина внутрішніх та зовнішніх генеральних пластинок, площа кістково-мозкової порожнини та каналів остеонів, а також їх діаметр. Одночасно знижуються площі діафізу, остеоцитарних лакун та компактної речовини. Зменшується ширина остеонного шару та найбільший діаметр остеонів. Слід підкреслити, що процентні показники відмінності між експериментом та контролем набагато вищі, ніж при таких же термінах першої серії.

Субмікроскопічно в проксімальному епіфізарному хрящі та діафізі плечової кістки, починаючи з 1-го місяця другої серії виявляються деструктивні зміни, що наростають разом зі збільшенням тривалості експерименту. Мітохондрії набухають, матрикс їх просвітлюється, кристи розчиняються. В апараті комплексу Гольджі помітне набухання його цистерн, руйнування мембран. Тут же виявляються ліпідні включення і утворення за типом лізосом. Тісне топографічне взаємовідношення комплексу Гольджі та лізосом можна пояснити тим, що останні утворюються з розширених цистерн комплексу Гольджі. Лізосоми містять кислу фосфатазу та інші гідролітичні ферменти, шо прискорюють резорбцію кісткової речовини. Помітний набряк цитоплазми, що супроводжується зниженням кількості глікогену та рибосом, що свідчить про послаблення процесів остеогенезу. Зменшення розмірів ядер хондроцитів та остеобластів слід розглядати як виражене зниження швидкості утворення нового білка. Таким чином, ультраструктурні дослідження свідчать про виснаження резервних можливостей клітин та посилення в них дистрофічних процесів, які більш виражені, ніж в першій серії. Все це призводить до затримки росту й формоутворення кісток скелета, що виявляється в скороченні в більшій мірі повздовжніх розмірів кісток, які досліджувались, і в меншій - поперечних.

Третя серія експерименту проводилась в умовах затравки комбінацією солей. Такі умови найбільш реально відображають екологію Сумської області.

ВИСНОВКИ

1 Зміни в кістковій системі під дією солей важких металів носять неспецифічний характер та виявляються в затримці епіфізарного та субперіостального росту кісток скелета, посиленні резорбції кісткових структур, розвитку остеопорозу, зменшенні мінеральної насиченості кісткової тканини, втраті міцнісних властивостей.

2 Характер та ступінь перетворень кісток скелета залежить, головним чином, від тривалості дії та в меншому ступені - від різновиду солей.

3 Чим триваліша дія, тим більш остеотоксичний ефект вона викликає.

4 Компенсаторні перетворення скелета в процесі реадаптації починається з внутрішньоклітинної регенерації кісткових клітин, які беруть участь в остеогенезі. В подальшому відновлюються мікроструктура, мінералізація, лінійні розміри й міцнісні властивості кісток.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

Касавина Б.С., Торбенко В.П. Минеральные ресурсы организма - 9. - Москва: Наука, 1975. - С.14.8

Русаков А.В. Руководство по паталогической анатомии.- Москва: Медгиз, 1959. - Т.5-С.73-75.

Там же.- С.150-153.

Там же.- С.162.

Гуцол А.А., Кондратьев Ю.Ю. Практическая морфометрия органов и тканей. - Томск: Томск. ун-т, 1989.

Фридман А.Е. Нарушения обмена калия в организме и их клиническое значение // Педиатрия.-1969.- №10.- С.80-86.