The features of metabolism and structural organization of dental system under conditions of experimental insulin resistance

Размещено на http://www.allbest.ru/

The features of metabolism and structural organization of dental system under conditions of experimental insulin resistance

S.P. Guranych1, М.М. Bagriy2, T.V Guranych1, ^М. Voronych-Semchenko1

1Ivano-Frankivsk National Medical University, Ukraine;

2Institute of the Pathology and Cytology, Clinik of Medical School of Brandenburg, Neuruppin, Germany;

ОСОБЛИВОСТІ МЕТАБОЛІЗМУ ТА СТРУКТУРНОЇ ОРГАНІЗАЦІЇ ЗУБОЩЕЛЕПНОЇ СИСТЕМИ ЗА УМОВ ІНСУЛІНО- РЕЗИСТЕНТНОСТІ В ЕКСПЕРИМЕНТІ

С.П. Гуранич1, М.М. Багрій2, Т.В. Гуранич1, Н.М. Воронич-Семченко1

1Івано-Франківський національний медичний університет, Україна;

2Інститут патології та цитології медичної клініки та медичного інституту Федеральної Землі Бранденбург, Німеччина

Проаналізовано особливості кальцієвого гомеостазу, активність ферментів енергосинтезу та структурну організацію зубощелепної системи у щурів за умов інсу- лінорезистентності (перебування на високофруктозній дієті впродовж 8 тиж). Встановлено, що порушення толерантності до глюкози проявляється зниженням мінералізуючої здатності твердих тканин альвеолярних відростків і зубів, що підтверджується зменшенням вмісту кальцію в еритроцитарній масі, альвеолярних відростках, зубах дослідних тварин на 68,00-86,67% на тлі зростання активності кислої фосфатази сироватки крові у 2,25 раза щодо контролю (інтактні тварини). Аналіз активності дегідрогеназ сироватки крові щурів із інсулінорезистентністю виявив суттєве зниження активності лактат- (на 97,75%) і сукцинатдегідрогенази (на 67,62%), що може характеризувати дефіцит утворення макроергів у результаті гіпоксії тканин. У товщі кісток зубощелепної ділянки інсулінорезистентних щурів спостерігали дегенеративні зміни, що супроводжувалися розвитком гіперклітинності остеогенного шару окістя. Реактивні зміни пульпи зуба проявлялися зменшенням площі її пухкої сполучної тканини. У слизовій оболонці порожнини рота дослідних тварин розвивалися гіпер- пластичні зміни з формуванням невиражених акан- тотичних тяжів, збільшувалася товщина базального і зернистого шарів на тлі зменшення шипуватого шару епітеліоцитів, зменшувався ядерно-цитоплазматичний індекс, спостерігалося посилення утворення кератину в епітелії. У судинах різного калібру зубощелепної ділянки спостерігалося звуження просвіту капілярів та артеріол, гіперплазія ендотеліальних клітин, збільшення накопичення глікопротеїнів, особливо у дрібних артеріях, що змінювало трофіку тканин. Таким чином, порушення вуглеводного обміну призводить до метаболічних змін опорно-утримуючого апарату зубів і слизової оболонки порожнини рота, що ускладнює перебіг інсулінорезистентності розвитком патології зубощелепної системи. metabolism dental insulin resistance

Ключові слова: інсулінорезистентність; зубощелепна система; метаболічні процеси; морфологія.

ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА И СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ЗУБОЧЕЛЮСТНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ИНСУЛИНОРЕЗИСТЕНТНОСТИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ

С.П. Гуранич, Н.Н. Багрим, Т.В. Гуранич,

Н.Н. Воронич-Семченко

Проанализированы особенности кальциевого гомеостаза, активность ферментов энергосинтеза и структурная организация зубочелюстной системы у крыс в условиях инсулинорезистентности (пребывание на высо- кофруктозной диете в течение 8 нед). Установлено, что нарушение толерантности к глюкозе проявляется снижением минерализующей способности твердых тканей альвеолярных отростков и зубов, что подтверждается уменьшением содержания кальция в эритроцитарной массе, альвеолярных отростках, зубах опытных животных на 68,00-86,67% на фоне увеличения активности кислой фосфатазы сыворотки крови в 2,25 раза по сравнению с контролем (интактные животные). Анализ активности дегидрогеназ сыворотки крови крыс с инсулинорезистентностью выявил существенное снижение активности лактат- (на 97,75%) и сукцинатдегидрогеназы (на 67,62%), что может характеризовать дефицит образования макроэргов вследствие гипоксии тканей. В толще костей зубочелюстной области наблюдали дегенеративные изменения, сопровождающиеся развитием гиперклеточности остеогенного слоя надкостницы. Реактивные изменения пульпы зуба проявлялись уменьшением площади ее рыхлой соединительной ткани. В слизистой оболочке полости рта у них развивались гиперпластические изменения с формированием невыраженных акантотичных тяжей, увеличивалась толщина базального и зернистого слоев на фоне уменьшения шиповатого слоя эпителиоцитов, уменьшался ядерноцитоплазматический индекс, наблюдалось усиление образования кератина в эпителии. В сосудах разного калибра зубочелюстной области наблюдали сужение просвета капилляров и артериол, гиперплазию эндотелиальных клеток, увеличение накопления гликопротеинов, особенно в мелких артериях, что приводило к изменению трофики тканей. Таким образом, нарушение углеводного обмена провоцировало метаболические изменения опорно-удерживающего аппарата зубов и слизистой оболочки полости рта, а это усложняло течение инсулинорезистентности развитием патологии зубочелюстной системы.

Ключевые слова: инсулинорезистентность; зубочелюстная система; метаболические процессы; морфология.

INTRODUCTION

Metabolic and energy disorders that occur under conditions of insulin resistance (IR) are the result of violation of metabolic response of target cells to the effects of endogenous or exogenous insulin. It is known that reduced insulin secretion or decreased sensitivity of receptors to its action is accompanied mainly by catabolic manifestations of metabolic processes. The consequence of such changes is an imbalance of all links of metabolism, including mineral homeostasis [1]. Prolonged hyperglycemia leads to the development of so-called diabetic osteopathy: decreased bone density due to reduced absorption of calcium ions in the intestine and their reabsorption in the nephrons tubules, consequently, impaired calcium metabolism, particularly in bones and teeth [2]. It is known that insulin is involved in the regulation of calcium absorption from the lumen of small intestine into the blood plasma by the expression of transcellular and paracellular transporters of macronutrient in enterocytes and, therefore, IR can be the reason of intestinal hypocalcemia [3]. In addition, alterations in carbohydrate metabolism, mainly due to glycation processes, that increase the manifestations of osteoblasts apoptosis with their gradual replacement by adipose tissue, inhibit the differentiation of osteocytes, supress the synthesis of type I collagen, osteonectin, osteocalcin. The final manifestation of such changes is a decrease in the number of mature forms of osteoblasts, activation of osteoclasts and impaired mineralization of hard tissues of the organism [4]. However, excessive formation of proinflammatory cytokines and free radicals, as well as imbalance in the synthesis of macroergs, which occur under conditions of impaired glucose tolerance, can aggravate the course of IR and lead to multiorgan disorders, in particular, structural and metabolic changes of periodontal tissues. The changes of oral cavity organs often act as predictors of metabolic disorders of diabetes mellitus, preceding the appearance of its classic clinical symptoms [5].

The functional state of periodontal tissues is negatively affected by changes of the protective, barrier and sensory properties of the oral mucosa (OM), which undergoes significant changes under IR. Glucose-mediated damage of capillary endotheliocytes promotes the hypersecretion of proinflammatory cytokines and accumulation of extracellular matrix proteins. Such disturbances cause hyperfiltration of plasma from the vascular net, hemorrhage appearance, development of hypoxia and metabolic acidosis [6]. Intracellular changes of OM are associated with the functional properties of mitochondria, which respond by the changes of membrane-binding enzymes activity, which are markers of energy metabolism and the course of hypoxia [7, 8]. In general, the development of IR can disrupt the structural and functional organization of the enzymatic complexes of the mitochondrial respiratory chain, which potentiates the lesion of the dental area.

In the study we aimed to characterize the peculiarities of the metabolism and structural organization of the dental system under conditions of experimental IR.

METHODS

The study was carried on male rats weighing 150-180 g. Rats were divided into experimental and control groups. The animals of experimental group (IR, n = 30) received 10% fructose solution instead of drinking water for eight weeks [9]. Rats of the control group (n = 30) were kept on a standard diet, normal temperature and light regime. The animals were sacrificed by decapitation under ketamine anesthesia (Ketamine, OJSC «Farmak», Kyiv, Ukraine, 100 mg/ kg body weight intraperitoneally) [10]. The development of IR was determined by HOMA-IR index (Homeostasis Model Assessment Insulin Resistane), which was calculated by the content of insulin and glucose in the blood serum, and the level of glycosylated hemoglobin (HbA1c) in whole blood was examined. The insulin level was investigated by using reagent “ELISA RIT” (USA), glucose concentration and the HbA1c content were determined by using kits «Reagent» (Dnipro, Ukraine). The measurements were performed on a plate enzyme-linked immunosorbent assay STAT FAX 2100 (China). The calcium content was examined in erythrocyte mass, alveolar processes and teeth by atomic adsorption spectrophotometry [11]. The activity of alkaline and acidic phosphatases (AP) [12], malate dehydrogenase (MDH), lactate dehydrogenase (LDH) and succinate dehydrogenase (SDH) [7] were also determined in the blood serum.

For general and special histological examinations, the fragments of the OM, bone tissue and teeth were fixed in a 10% solution of neutral formalin (pH 7.0) for 24 h. The bone pieces and teeth were subjected to acid decalcification for two days. Formation of serial paraffin sections of OM, bone tissue and teeth with a thickness of 4-6 gm was performed on a sledge microtome. Histological sections of examined tissues were stained with hematoxylin and eosin, alcian blue according to Sidman and PAS-staining was performed [13]. The studies were performed on a Leica DME optical microscope (Germany). In order to objectify the quantitative data, the computer morphometry and densitometry of objects in histological specimens were performed using a Nikon Coolpix 4500 digital camera. Subsequently, digital copies of the image were analyzed using the computer program Image Tool 3.0 for Windows. The morphometric analysis of bones and teeth was performed taking into account the thickness of bone lamellae, the area of intertrabecular connective tissue of bone per one cell, the optical density of the osteogenic matrix of the bone, the area of loose connective tissue of the tooth pulp per cell, the optical density of ground substance of loose connective tissue of the tooth pulp. The morphometric analysis of OM was performed taking into account the epithelial thickness, depth and width of acanthosis, thickness of basal, prickle, granular, keratinized layers of epithelium, perimeter and area of cells of all epithelial layers, perimeter and area of the cells nucleus of all epithelium layers, optical density of the ground substance of the connective tissue.

Experimental procedures were carried out in compliance with the basic provisions of the Rules for the experiments with the using of laboratory animals (1977), the Council of Europe Convention for the Protection of Vertebrate Animals Used in Experiments and Other Scientific Purposes (1986), EEC Directive No. 609 (1986), the Order of the Ministry of Health of Ukraine No. 281 of 01.11.2000 «About measures to further improve the organizational standards of work with the use of experimental animals» and the Law of Ukraine No. 3447-IV «About the protection of animals from cruelty».

Statistical analysis of digital results of the study was performed using the computer program Excel package Microsoft Office 365 ProPlus. For each of the samples, the distribution of the studied indicator was checked using the Kolmogorov-Smirnov and Liliefors criteria. Considering that the obtained data corresponded to Gauss's law, the results were presented by the interval M ± m. Student's t-criterion was used to assess the significance of differences between the groups. The difference in parameters at P < 0.05 was considered statistically significant.

RESULTS AND DISCUSSION

In animals of the experimental group the changes of carbohydrate metabolism markers were observed, which characterize the development of IR (Table 1). Thus, in the blood serum of experimental animals, the glucose and insulin levels we increased by 41.71% (P < 0.001) and 32.68% (P < 0.001), respectively, compared to data in rats of the control group. Under such conditions, the increased HOMA-IR index (by 68.06%, P < 0.001) in animals of the same group relative to the control group was found. The level of HbA1c in animals of the experimental group increased by 86.58% (P < 0.05) compared to baseline values, reflecting altered glucose utilization by target cells on the background of hyperglycemia and hyperinsulinemia.

Table 1. Markers of carbohydrate metabolism in intact and insulin resistant rats (M ± m; n = 30)