Сопоставительный анализ изменений состояния метаболизма костной ткани и цитокинового профиля у пациентов с нестабильностью эндопротеза после первичной артропластики коленного сустава

Полный текст

 Эндопротезирование крупных суставов – дорогостоящая, технологически трудоемкая операция, имеющая риск возникновения послеоперационных осложнений, к которым относятся посттравматические вывихи эндопротеза, асептическое воспаление, перипротезное инфицирование, нестабильность конструкций и утрата их функциональности. Согласно литературным данным, асептическая нестабильность эндопротеза может возникнуть в результате усиленной деятельности остеокластов, приводящей к остеолизу параимплантатной зоны кости [1]. Ведущая роль в развитии инфекционно-воспалительного процесса в области хирургического вмешательства отводится микроорганизмам, их способности формировать на поверхностях имплантатов особые биопленки [2]. Бактериальный токсин активирует мононуклеарные клетки различной морфологии и функциональной специализации, что влечет за собой системную и локальную гиперпродукцию цитокинов в очаге воспаления [3]. Современными исследователями установлена причастность медиаторов межклеточных взаимодействий, цитокинов и факторов роста к процессам резорбции и формирования костной ткани в области имплантируемой конструкции. Ключевым цитокином, стимулирующим резорбтивные процессы, является лиганд рецептора активатора ядерного фактора каппа-В (RANKL) [4]. Процессы остеогенеза протекают за счет синтеза ростовых факторов (цитокинов), одним из представителей которых является костный морфогенетический белок-2 (BMP-2) [5]. Интерлейкин-1β (IL-1β) – провоспалительный цитокин, являясь пeрвым прeдcтaвитeлeм ceмeйcтвa структурно связанных цитокинов, отвечает своей продукцией на действие микробных токсинов и обладает проостеокластогенной активностью. Фактор некроза опухоли-α (TNFα), давно известный провоспалительный цитокин, усиливая продукцию других медиаторов воспаления, является также фактором резорбтивного компонента костного метаболизма и обладает прямым и опосредованным действием на остеокластогенез. К противовоспалительным цитокинам относится интерлейкин-4 (IL4), функция которого заключается в блокировке спонтанной и индуцированной продукции IL1β, TNFα, синтезируемые моноцитами и макрофагами в очаге воспаления [6].

Патогенетические механизмы формирования нестабильности эндопротеза характеризуются изменением состояния метаболизма костной ткани и избыточным образованием медиаторов, в том числе цитокинов [7]. Представляется актуальным провести сопоставительный анализ уровней показателей метаболизма костной ткани и цитокинов в сыворотке крови у пациентов с нестабильностью эндопротеза после первичной артропластики коленного сустава.

Цель – определить взаимосвязь между уровнями sRANKL и BMP-2 и содержанием IL1β, TNFα, IL4 в сыворотке крови и определить их роль в патогенезе нестабильности эндопротеза у пациентов после первичной артропластики коленного сустава.

Материалы и методы

Исследование одобрено комитетом по этике ФГБОУ ВО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского (протокол исследования № 6 от 06.02.18).

Объектом исследования стали 80 больных обоего пола после первичной артропластики коленного сустава. Ретроспективно пациенты с осложнениями были разделены на 2 группы. В 1-ю группу вошли 40 пациентов с остеолизом и асептической нестабильностью эндопротеза коленного сустава, возникшими в сроки до 12 мес. после операции. Во 2-й группе находились также 40 пациентов с имплантат-ассоции-рованном воспалением, развившимся в сроки от 4 недель до 12 мес. после первичного эндопротезирования коленного сустава. 20 доноров-добровольцев составили контрольную группу. У всех пациентов в ранние утренние часы до приема пищи путем пункции кубитальной вены получали образец крови в объеме 5 мл. Кровь оставляли для свертывания при комнатной температуре, центрифугировали при 2000 оборотах/мин в течение 10 мин для получения сыворотки. Содержание sRANKL (пг/мл, Biomedica, Austria), BMP-2 (пг/мл, Ray Bio, USA), а также цитокинов – IL1β (пг/мл), TNFα (пг/мл) и IL4 (пг/мл) (ЗАО «Вектор-Бест», г. Новосибирск, РФ) определяли с помощью метода твердофазного иммуноферментного анализа в соответствии с указаниями к их использованию.

Результаты исследования анализировали с помощью программного обеспечения AtteStat, выполненного как надстройка Microsoft Exсel. Полученные данные обрабатывали с помощью методов непараметрической статистики с использованием критерия Манна-Уитни, используемого для оценки различий двух независимых выборок. Сопоставительный анализ статистически значимых показателей проводили с помощью определения R-коэффициента корреляционных рангов Спирмена, причем значения R<0,3 свидетельствовали о слабой связи изученных признаков, значения R>0,3<0,7 – о средней связи и >0,7 – о высокой связи. Статистическая значимость – при р<0,05.

Результаты и их обсуждение

Исходя из полученных нами результатов сопоставительного анализа уровней показателей состояния метаболизма костной ткани и цитокинов в сыворотке крови у пациентов 1-й группы через 1 и 12 мес. после операции мы обнаружили ряд корреляционных взаимосвязей (табл. 1).

 

 Таблица 1

Корреляционный анализ показателей метаболизма костной ткани и цитокинов у больных с асептической нестабильностью эндопротеза после первичной артропластики коленного сустава

Показатели	sRANKL	BMP-2	IL1β	TNFα	IL4
1 мес. после операции
sRANKL		R=0,44 р=0,031	R= 0,29 р=0,178	R=0,52 р=0,009	R=0,40 p= 0,051
BMP-2	R=0,44 р=0,031		R= 0,02 р=0,920	R=0,11 р=0,606	R=-0,04 р=0,843
IL1β	R=0,29 р=0,175	R=0,02 р=0,924		R=0,05 р=0,811	R=0,32 р=0,116
TNFα	R=0,52 р=0,009	R=0,11 р=0,606	R=0,05 р=0,811		R=0,07 р=0,730
IL4	R=0,40 p=0,052	R=-0,04 р=0,843	R=0,32 р=0,116	R=0,07 р=0,730
12 мес. после операции
sRANKL		R=0,51 p= 0,011	R= -0,09 р=0,648	R=0,42 р=0,041	R=0,29 р=0,169
BMP-2	R=0,51 p=0,011		R= -0,10 р=0,639	R=0,19 р=0,352	R=0,05 р=0,832
IL1β	R= -0,09 р=0,648	R=-0,10 р=0,639		R=0,17 р=0,429	R=-0,28 р=0,191
TNFα	R=0,42 p=0,041	R=0,19 р=0,352	R=0,17 р=0,429		R=0,06 р=0,768
IL4	R=0,29 p= 0,169	R=0,05 р=0,832	R=-0,28 р=0,191	R=0,06 р=0,768

Примечание: R – коэффициент корреляции рангов Спирмена, p – показатель статистической значимости

 

Так, через 1 мес. после операции обнаружены статистически достоверные положительные умеренные связи между уровнем sRANKL и концентрациями BMP-2, TNFα и IL4. Не обнаружено достоверной разницы уровня IL1β со всеми другими изученными показателями. Положительная связь средней силы sRANKL с BMP-2 свидетельствует об интенсификации резорбции кости и ее образования как реакция организма на хирургическое вмешательство, что первоначально проявляется усилением остеолиза [1]. Положительные взаимосвязи sRANKL с TNFα и с IL4, вероятно, связаны с цитокиновой регуляцией резорбтивной активности костной ткани в околопротезной ткани на фоне интенсификации синтеза противовоспалительного звена гуморального иммунитета, что согласуется с данными литературы [8, 9]. Через 12 мес. после операции в этой же группе больных сохранялись положительные взаимосвязи умеренной силы уровня sRANKL с концентрациями BMP-2 и с TNFα, однако не обнаруживались статистически достоверные связи с другими изученными показателями, что свидетельствуют об усилении созревания и дифференцировки остеокластов [10].

При сравнительной оценке взаимосвязи исследуемых параметров во 2-й группе больных через 1 и 12 мес. после операции обнаружено, что наличие инфекционно-воспалительных осложнений приводит к изменению направленности связей и возникновению достоверного изменения целого ряда взаимосвязей (табл. 2).

 

Таблица 2

Корреляционный анализ показателей метаболизма костной ткани и цитокинов у пациентов с имплантат-ассоциированным воспалением после первичной артропластики коленного сустава

Показатели	sRANKL		BMP-2		IL1β		TNFα		IL4
1 мес. после операции
sRANKL			R=-0,41 р= 0,051		R=0,12 р=0,583		R=-0,39 р=0,051		R=-0,14 р=0,513
BMP-2	R=-0,41 p=0,051				R=-0,22 р=0,292		R=0,23 р=0,272		R=-0,10 р=0,63
IL1β	R=0,12 р=0,584		R=-0,22 р=0,294				R=-0,03 р=0,863		R=0,32 р=0,117
TNFα	R=-0,39 р=0,052		R=0,22 р=0,302		R=-0,03 р=0,864				R=0,11 р=0,623
IL4	R=-0,14 р=0,513		R=-0,10 р=0,63		R=0,33 р=0,117		R=0,11 р=0,624
12 мес. после операции
sRANKL				R=-0,40 р=0,052		R=0,45 р=0,022		R=0,35 р=0,054		R=0,55 р=0,005
BMP-2		R=-0,40 р=0,052				R=-0,41 р=0,044		R=0,24 р=0,251		R=-0,36 р=0,082
IL1β		R=0,45 р=0,022		R=-0,41 р=0,043				R=-0,12 р=0,561		R=0,59 р=0,002
TNFα		R=0,35 р=0,054		R=0,24 р=0,251		R=-0,12 р=0,561				R=-0,07 р=0,743
IL4		R=0,55 р=0,005		R=-0,36 р=0,082		R=0,59 р=0,002		R=-0,07 р=0,742

Примечание: R – коэффициент корреляции рангов Спирмена, p – показатель статистической значимости

 

 Так, через 1 мес. после операции отмечается появление статистически достоверных отрицательных связей умеренной силы содержания sRANKL с уровнями BMP-2 и TNFα. Помимо вышеописанных связей не обнаружено достоверной связи с IL1β и IL4, а также статистически достоверных взаимосвязей между уровнями изученных цитокинов. В условиях имплантат-ассоциированного воспаления резко ухудшается состояние метаболического гомеостаза кости, окружающей эндопротез. Бактериальный токсин участвует в активации сывороточного остеокластогенного фактора (TNFα), вызывающего катаболизм костной ткани и препятствующего ее восстановлению [11]. Через 12 мес. после эндопротезирования коленного сустава в этой же группе больных помимо сохранения отрицательной связи умеренной силы sRANKL с BMP-2, возникли умеренные положительные корреляционные связи sRANKL с IL1β, TNFα и с IL4. Условием для формирования дисбаланса метаболических процессов костной ткани является нарушение иммунных механизмов в очаге хронического биопленочного воспаления с активацией прорезорбтивных цитокинов на фоне интенсификации синтеза IL4 [12]. Дополнительно к вышеприведенной связи BMP-2 с sRANKL следует указать, что возникла умеренная отрицательная связь BMP-2 с IL1β. В послеоперационном периоде чрезмерная продукция IL1β стимулирует выработку sRANKL, что вызывает значительную потерю костной массы. Наши данные согласуются с данными отечественных авторов о роли цитокинов в регуляции метаболизма костной ткани [13]. Положительная связь уровня IL1β с содержанием IL4 также подтверждает факт цитокиновой регуляции воспалительного ответа, подавляющий остеогенез. Содержание IL4 не обнаружило достоверной связи с уровнями остальных изученных показателей.

Заключение

Зарегистрировано, что нарушение метаболических процессов костной ткани, окружающей имплантат, с преобладанием провоспалительных цитокинов, активирующих остеокластогенез, могут являться патогенетическими факторами формирования нестабильности эндопротеза у пациентов после первичной артропластики коленного сустава.

Дополнительная информация [Additional Info]

Источник финансирования. Исследование выполнено в рамках инициативного плана, регистрационный номер АААА-А18-118011790046-8.

[Financing of study. The study is performed as a part of the initiative plan, Registration № АААА-А18-118011790046-8.]

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, о которых необходимо сообщить в связи с публикацией данной статьи.

[Conflict of interest. The authors declare no actual and potential conflict of interests which should be stated in connection with publication of the article.]

Участие авторов. Галашина Е.А. – концепция и дизайн исследования, написание текста, Ульянов В.Ю. – редактирование, Гладкова Е.В. – сбор и обработка материала, написание текста, Шпиняк С.П. – сбор и обработка материала, статистическая обработка, Бондаренко А.С. – дизайн исследования, сбор и обработка материала.

[Participation of authors. E.A. Galashina– concept and design of the study, copywriting, V.Yu. Ulyanov – editing, E.V. Gladkova – data acquisition and processing, copywriting, S.P. Shpinyak – data acquisition and processing, statistical processing, A.S. Bondarenko – study design, data acquisition and processing.]

Об авторах

Елена Анатольевна Галашина

НИИ травматологии, ортопедии и нейрохирургии ФГБОУ ВО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздрава России

Автор, ответственный за переписку.
Email: sar.konf.sent@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6209-9120
SPIN-код: 4016-0672

к.б.н., м.н.с. отдела фундаментальных и клинико-экспериментальных исследований, НИИ травматологии, ортопедии и нейрохирургии

Россия, Саратов

Владимир Юрьевич Ульянов

НИИ травматологии, ортопедии и нейрохирургии ФГБОУ ВО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздрава России; Саратовский медицинский университет «РЕАВИЗ»

Email: v.u.ulyanov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-9466-8348
SPIN-код: 8280-3339
ResearcherId: A-4073-2014

д.м.н., зам. директора по научной и инновационной деятельности, НИИ травматологии, ортопедии и нейрохирургии; профессор кафедры хирургических болезней

Россия, Саратов

Екатерина Вячеславовна Гладкова

НИИ травматологии, ортопедии и нейрохирургии ФГБОУ ВО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздрава Росси

Email: gladkowa.katya@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6207-2275
SPIN-код: 3837-3244

к.б.н., начальник отдела фундаментальных и клинико-экспериментальных исследований, НИИ травматологии, ортопедии и нейрохирургии

Россия, Саратов

Сергей Петрович Шпиняк

НИИ травматологии, ортопедии и нейрохирургии ФГБОУ ВО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздрава России

Email: sergos83@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-0345-6287
SPIN-код: 6540-1764

к.м.н., м.н.с. отдела инновационных проектов в травматологии и ортопедии, НИИ травматологии, ортопедии и нейрохирургии

Россия, Саратов

Александр Сергеевич Бондаренко

ФГБОУ ВО Саратовский государственный медицинский университет им. В.И. Разумовского Минздрава России

Email: sar.konf.sent@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6345-1851
SPIN-код: 6719-4520

зам. декана лечебного факультета и факультета клинической психологии

Саратов

Список литературы

Дополнительные файлы