Ремоделирование суставного хряща и субхондральной зоны большеберцовой кости при экзопротезировании конечности

Введение. Экзопротезирование конечностей путем остеоинтеграции открывает новые возможности протезирования. Современные протезы становятся более высокотехнологичными, что требует глубокого понимания анатомо-функциональных особенностей костно-суставной системы.
Цель работы — выявить особенности структурной реорганизации суставного хряща и субхондральной зоны большеберцовой кости при протезировании голени имплантатом с кальций-фосфатным покрытием и имплантатом без дополнительного покрытия.
Материалы и методы. Исследование выполнено на пяти интактных (контроль) и шести опытных собаках мужского пола (возраст — (1,8 ± 0,5) г, масса — (19,0 ± 1,2) кг). Животным моделировали культю большеберцовой кости на границе средней и верхней трети диафиза, через 2,5 мес. устанавливали имплантат типа Press–Fit. В зависимости от материала имплантата животные разделены на группы: группа 1 — сплав Ti6Al4V (n = 3); группа 2 — сплав Ti6Al4V с кальций-фосфатным покрытием (n = 3). Срок эксперимента — 180 сут. после протезирования. Гистоморфометрическое исследование суставного хряща и субхондральной зоны выполнено по парафиновым срезам с помощью микроскопа AxioScope. A1 с камерой AxioCam и программного обеспечения Zenblue (CarlZeissMicroImagingGmbH, Германия).
Результаты. Ремоделирование костной ткани выражалось истончением субхондральной костной пластинки, остеолизисом, изменением архитектоники костных трабекул в субхондральной трабекулярной кости, снижением минерализации костной ткани. Наблюдаемые признаки интенсивнее выражены в группе 1. Признаки репаративного остеогенеза, остеобласты на поверхности костных трабекул, отмечены в группе 2. Зарегистрировано снижение параметра «толщина субхондральной костной пластинки» в группе 1 в два раза, в группе 2 — в 1,5 раза относительно контроля. Значения параметра «площадь трабекул» снижены в группе 1 на 17 %, в группе 2 — на 10 %. Статистически значимое снижение значений толщины суставного хряща зарегистрировано в группе 1 и сопровождалось бóльшей (в 1,8 раза) частотой встречаемости сосудов в глубокой зоне хряща по сравнению с группой 2.
Обсуждение. Выявленные изменения субхондральной зоны соответствовали стадии 0 (по классификации O-M. Aho et al., 2017), — очень ранние признаки остеоартроза, когда субхондральный склероз не выражен, субхондральная костная пластина — тонкая. Структурные изменения суставного хряща соответствовали степени 0–1 по гистологической классификации Международного общества изучения остеоартроза OARSI.
Заключение. Гистоморфометрические изменения остеохондрального компонента большеберцового плато при протезировании голени (истончение субхондральной костной пластинки, рарефикация субхондральной трабекулярной кости, проникновение сосудов в некальцифицированный хрящ) являются предикторами артроза. Применение имплантатов группы 2 способствует снижению интенсивности процессов резорбции костной ткани и активации процессов репаративного остеогенеза.

1. Li Y, Lindeque B. Percutaneous Osseointegrated Prostheses for Transfemoral Amputations. Orthopedics. 2018;41(2):75-80. doi: 10.3928/01477447-20180227-03.

2. Ontario Health (Quality). Osseointegrated Prosthetic Implants for People With Lower-Limb Amputation: A Health Technology Assessment. Ont Health Technol Assess Ser. 2019;19(7):1-126.

3. Hoellwarth JS, Tetsworth K, Rozbruch SR, et al. Osseointegration for Amputees: Current Implants, Techniques, and Future Directions. JBJS Rev. 2020;8(3):e0043. doi: 10.2106/JBJS.RVW.19.00043.

4. Bates TJ, Fergason JR, Pierrie SN. Technological Advances in Prosthesis Design and Rehabilitation Following Upper Extremity Limb Loss. Curr Rev Musculoskelet Med. 2020;13(4):485-493. doi: 10.1007/s12178-020-09656-6.

5. Raschke SU. Limb Prostheses: Industry 1.0 to 4.0: Perspectives on Technological Advances in Prosthetic Care. Front Rehabil Sci. 2022;3:854404. doi: 10.3389/fresc.2022.854404.

6. Varaganti P, Seo S. Recent Advances in Biomimetics for the Development of Bio-Inspired Prosthetic Limbs. Biomimetics (Basel). 2024;9(5):273. doi: 10.3390/biomimetics9050273.

7. Кузнецов В.П., Еманов А.А., Горбач Е.Н., Горгоц В.Г. Имплантаты для одноэтапной остеоинтеграции с механобиологическим стимулированием костеобразования. Materials. Technologies. Design. 2021;3(5):23-30. doi: 10.54708/26587572_2021_33523.

8. Ступина Т.А., Еманов А.А., Кузнецов В.П., Овчинников Е.Н. Оценка риска развития остеоартроза коленного сустава при протезировании голени (пилотное экспериментально-морфологическое исследование). Гений ортопедии. 2021;27(6):795-799. doi: 10.18019/1028-4427-2021-27-6-795-799.

9. Li G, Yin J, Gao J, et al. Subchondral bone in osteoarthritis: insight into risk factors and microstructural changes. Arthritis Res Ther. 2013;15:223. doi: 10.1186/ar4405.

10. Stupina TA, Stepanov MA, Teplen’kii MP. Role of subchondral bone in the restoration of articular cartilage. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2015;158(6): 820-823. doi: 10.1007/s10517-015-2870-4.

11. Котельников Г.П., Ларцев Ю.В., Кудашев Д.С. и др. Патогенетические и клинические аспекты остеоартроза и остеоартроз-ассоциированных дефектов хряща коленного сустава с позиций представлений о роли субхондральной кости. Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2023;30(2):219-231. doi: 10.17816/vto346679.

12. Nagira K, Ikuta Y, Shinohara M, et al. Histological scoring system for subchondral bone changes in murine models of joint aging and osteoarthritis. Sci Rep. 2020;10(1):10077. doi: 10.1038/s41598-020-66979-7.

13. Dudaric L, Dumic-Cule I, Divjak E, et al. Bone Remodeling in Osteoarthritis-Biological and Radiological Aspects. Medicina (Kaunas). 2023;59(9):1613. doi: 10.3390/medicina59091613.

14. Zhang YY, Zhu Y, Lu DZ, et al. Evaluation of osteogenic and antibacterial properties of strontium/silver-containing porous TiO2 coatings prepared by micro-arc oxidation. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2021;109(4):505-516. doi: 10.1002/jbm.b.34719.

15. Wang YR, Yang NY, Sun H, et al. The effect of strontium content on physicochemical and osteogenic property of Sr/Ag-containing TiO2 microporous coatings. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2023;111(4):846-857. doi: 10.1002/jbm.b.35195.

16. Drevet R, Fauré J, Benhayoune H. Bioactive calcium phosphate coatings for bone implant applications: a review. Coatings. 2023;13(6):1091. doi: 10.3390/coatings13061091.

17. Стогов М.В., Еманов А.А., Кузнецов В.П. и др. Влияние цинксодержащего кальций-фосфатного покрытия на остеоинтеграцию чрескожных имплантатов для протезирования конечностей. Гений ортопедии. 2024;30(5):677-686. doi: 10.18019/1028-4427-2024-30-5-677-686.

18. Ивашенко С.В., Остапович А.А., Джамаль А. Экспериментальное обоснование применения магнитофореза лекарственных веществ для улучшения остеоинтеграции дентальных имплантатов. Современная стоматология. 2021;1:27-31.

19. Кузнецов В.П., Горгоц В.Г., Аникеев А.В. и др. Имплантат культи трубчатой кости. Патент РФ на полезную модель № 194912. 30.12.2019. Бюл. № 1. Доступно по: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPM&DocNumber=194912&TypeFile=html. Ссылка активна на 28.05.2025.

20. Кузнецов В.П., Губин А.В., Горгоц В.Г. и др. Устройство для остеоинтеграции имплантата в кость культи нижней конечности. Патент РФ на полезную модель № 185647. 13.12.2018. Бюл. № 35. Доступно по: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPM&DocNumber=185647&TypeFile=html. Ссылка активна на 28.05.2025.

21. Ступина Т.А., Щудло М.М. Способ количественной оценки состояния суставного хряща на разных уровнях структурной организации. Гений ортопедии. 2009;(1):55-57.

22. Сусляев В.Г., Щербина К.К., Смирнова Л.М. и др. Ранняя протезно-ортопедическая помощь как основа медицинской реабилитации детей с врождёнными и ампутационными дефектами нижних конечностей. Гений ортопедии. 2020;26(2):198-205. doi: 10.18019/1028-4427-2020-26-2-198-205.

23. Макаров МА, Макаров СА, Павлов ВП, Вардикова ГН. Стрессовое ремоделирование костной ткани после эндопротезирования крупных суставов и его консервативная коррекция. Современная ревматология. 2009;3(1):62-67. doi: 10.14412/1996-7012-2009-526.

24. Еманов А.А., Ступина Т.А., Борзунов Д.Ю., Шастов А.Л. Особенности структурной реорганизации суставного хряща и синовиальной оболочки коленного сустава при замещении пострезекционного дефекта костей голени в условиях чрескостного остеосинтеза аппаратом Илизарова в эксперименте. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015;12(7):1228-1232.

25. Ступина Т.А., Еманов А.А., Антонов Н.И. Костное сращение и структурные изменения суставного хряща после срочного и отсроченного остеосинтеза антеградным блокирующим интрамедуллярным стержнем переломов диафиза бедра. Гений ортопедии. 2016;(4):76-80. doi: 10.18019/1028-4427-2016-4-76-80.

26. Aho O-M, Finnila M, Thevenot J, et al. Subchondral bone histology and grading in osteoarthritis. PLoS One. 2017;12(3):e0173726. doi: 10.1371/journal.pone.0173726.

27. Клементьева В.И., Чернышева Т.В., Корочина К.В., Корочина И.Э. Лабораторно-инструментальное исследование коленных суставов пациентов с гонартрозом ранних стадий: поиск взаимосвязей. Медицинский академический журнал. 2020;20(3):99‑106. doi: 10.17816/MAJ43455.

28. Burr DB, Gallant MA. Bone remodelling in osteoarthritis. Nat Rev Rheumatol. 2012;8(11):665-673. doi: 10.1038/nrrheum.2012.130.

29. Hu Y, Chen X, Wang S, Jing Y, Su J. Subchondral bone microenvironment in osteoarthritis and pain. Bone Res. 2021;9(1):20. doi: 10.1038/s41413-021-00147-z.

30. Павлова В.Н., Павлов Г.Г., Шостак Н.А., Слуцкий Л.И. Сустав: Морфология, клиника, диагностика, лечение. М.: ООО «Издательство «Медицинское информационное агенство»; 2011:552.

31. Madry H, Orth P, Cucchiarini M. Role of the Subchondral Bone in Articular Cartilage Degeneration and Repair. J Am Acad Orthop Surg. 2016;24(4):e45-e46. doi: 10.5435/JAAOS-D-16-00096.

32. Imhof H, Sulzbacher I, Grampp S, et al. Subchondral bone and cartilage disease: a rediscovered functional unit. Invest Radiol. 2000;35(10):581-588. doi: 10.1097/00004424-200010000-00004.

33. Bäuerle T, Roemer FW. Dynamic contrast-enhanced MRI for assessment of subchondral bone marrow vascularization in an experimental osteoarthritis model: a major step towards clinical translation? Osteoarthritis Cartilage. 2021;29(5):603-606. doi: 10.1016/j.joca.2021.03.001.

34. Dorraki M, Muratovic D, Fouladzadeh A, et al. Hip osteoarthritis: A novel network analysis of subchondral trabecular bone structures. PNAS Nexus. 2022;1(5):pgac258. doi: 10.1093/pnasnexus/pgac258. 35. Pritzker KP, Gay S, Jimenez SA, et al. Osteoarthritis cartilage histopathology: grading and staging. Osteoarthritis Cartilage. 2006;14(1):13-29. doi: 10.1016/j.joca.2005.07.014.