Стан кісткової тканини у деяких тварин в залежності від виду, віку та умов утримання

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 619:611.018.4

СТАН КІСТКОВОЇ ТКАНИНИ У ДЕЯКИХ ТВАРИН В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД ВИДУ, ВІКУ ТА УМОВ УТРИМАННЯ

16.00.02 - патологія, онкологія та морфологія тварин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата ветеринарних наук

ТИЛАХУН ГОБЕЗАЙЄХУ ЄЙАСУ

Київ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України.

Науковий керівник: доктор ветеринарних наук, професор Рудик Станіслав Костянтинович, Національний аграрний університет, завідувач кафедри анатомії сільськогосподарських тварин

Офіційні опоненти: доктор ветеринарних наук, професор Криштофорова Беса Владіславівна, Кримський державний аграрний університет, завідувач кафедри анатомії та фізіології

Заслужений діяч науки та техніки України, академік Кримської АН, доктор біологічних наук, професор Хоменко Борис Григорович, Національний педагогічний університет ім. М.П.Драгоманова, завідувач кафедри анатомії, розвитку і гігієни дітей

Провідна установа: Київський Національний університет ім.Тараса Шевченка, кафедра зоології

Захист відбудеться “ 22“ березня 2000 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.03 в Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м.Київ-41, вул.Героїв оборони, 15, навчальний корпус 3, аудиторія 65

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НАУ за адресою: 03041, м.Київ-41, вул.Героїв оборони, 11, навчальний корпус 10

Автореферат розісланий “ 17 “ лютого 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Бортнічук В.А.



Тилахун Г.Е. Стан кісткової тканини у деяких тварин в залежності від виду, віку та умов утримання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата ветеринарних наук за фахом 16.00.02 - патологія, онкологія і морфологія тварин. - Національний аграрний університет. Київ, 2000.

Дисертація присвячена біомеханічним та біохімічним дослідженням стегнової кістки у деяких видів хижаків та впливу радіонуклідів на структуру стегнової кістки у білих щурів. Встановлено, що основними біохімічними компонентами кістки, що суттєво впливають на її біомеханічні та морфологічні характеристики, є солі Са і Р і особливо їх сумарний вміст.

В умовах збільшення дози надходження радіонуклідів виявлена тенденція зміни остеогенезу та затримка росту кістки.

Ключові слова: стегнова кістка, руйнуюче навантаження, межа міцності, момент інерції, остеогенез, трабекула, проліферація, хондроцит.

Тилахун Г.Е. Состояние костной ткани у некоторых животных в зависимости от вида, возраста и условий содержания. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата ветеринарных наук по специальности 16.00.02 - патология, онкология и морфология животных. - Национальный аграрный университет, Киев, 2000.

Диссертация посвящена биомеханическим и биохимическим исследованиям бедренной кости у некоторых видов хищников и влиянию радионуклидов на структуру бедренной кости у белых крыс. Установлено, что основными биохимическими компонентами кости, существено влияющими на ее биомеханические и морфологические хариактеристики, являются соли Са и Р и особенно их суммарное содержание.

В условиях увеличения дозы поступления радионуклидов обнаружена тенденция изменения остеогенеза и задержка роста кости.

Ключевые слова: бедренная кость, разрушающая нагрузка, предел прочности, момент инерции, остеогенез, трабекула, пролиферация, хондроцит. радіонуклід стегнова кістка біохімічний

Tilahun G.E. State of bony tissue in some animals depending on species, age and keeping conditions. - Manuscript.

Dissertation for the degree of candidate of veterinary science on specialty 16.00.02 - pathology, oncology and morphology of animals. - National Agrarian University, Kiev,2000.

Dissertation is dedicated to biomechanical and biochemical studies of femur in some species of predatory animals and influence of radionuclides on femur structure in white rats. It was found out that salts Ca and P especially their aggredate content are the main biochemical components of bone that essentially influence its biochemical and morphological characteristics.

The highest thigh bone rigidity is observed for the German mastiff, the Russian hound, the German sheep-dog. Bone rigidity of the pointer and English bulldog is by 26% to 75% lower. The highest rigidity plane of the studied dog breeds is oriented preferably almost in the limb saggital plane that is in the plane where the animal basic locomotor functions are realised. The thigh bones experience the highest loads in the saggital plane or in planes close to it because the ratio of the minimum moment of inertia to the maximum one is < 1.

Geometrical analysis of thigh bone sections in the middle of diaphysis shows that they approach in a shape the sections of approximately equal resistance (proper ring). Obviously this is related to coxofemoral joint kinematics features. Having possessed three degress of freedom it allows the optimal spatial arrangement of a limb when ultimate loads affect it.

The mean index of thigh bone ultimate strength is of 214+6,7 Mpa. And desides the highest strength is typical of the limb bones of the Russian hound (239 Mpa), the lowest one is typical of the English bulldog (199 Mpa). It may be also noted that the ultimate strength index of the investigated bones is in average by 25% higher than the same for dog homologous members obtained with a fresh material (Melnik, Klykov, 1991).

Under conditions of dose increasing of radionuclides entering the tendency of osteogenesis change and bone growth inhibition was found.

Key words: femur, failure load, ultimate strength, moment of inertia, osteogenesis, trabecula, proliferation, chondrocyte.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Живий організм є багатофункціональною системою. Різні органи та системи беруть участь у здійсненні тих чи інших біологічних функцій, які можуть носити фізіологічний, біомеханічний та змішаний характер. Локомоція включає дію як біомеханічних, так і метаболічних факторів. Щоб біомеханічні функції кінцівок виконувалися на належному рівні, останні мають бути достатньо міцними та надійними, а їх складові - кістки, м'язи, зв'язки, суглоби - мати адекватні розміри і пропорції, які забезпечують їм необхідну жорсткість та міцність, а системі в цілому - ефективне функціонування (В.А.Кликова, 1984; В.В.Костюк, 1982; К.П.Мельник, В.І.Кликов, 1991; С.К.Рудик, 1999; Х.А.Янсон, 1975; R.T.Bakker, 1975).

Враховуючи те, що трубчаста кістка як конструктивний елемент кінцівок, в якому при мінімальній витраті кісткової тканини досягається максимальна міцність, вивчена недостатньо у порівняльному плані, дослідження морфологічних основ біомеханічних властивостей кісток кінцівок тварин є актуальним, оскільки воно стосується проблемних питань морфології.

Без фундаментальних знань закономірностей розвитку організмів і, зокрема, їх опорно-локомоторної системи неможливо раціонально керувати процесами адаптації тварин і людини, особливо за умов обмеженої рухливості та зміненої біомеханіки, а також за умов екологічного середовища проживання, яке швидко змінюється.

Зараз радіаційна забрудненість природного середовища, як у Чорнобильській зоні відчуження, так і в інших регіонах, репрезентована в основному цезієм-137 та стронцієм-90. Біля 95% радіонуклідів знаходиться у верхньому шарі грунту і надходить до організму людини і тварин з їжею та кормом. Саме за рахунок радіоцезію та радіостронцію (період їх напіврозпаду близько 30 років), які накопичуються, відповідно, у м'язах та кістковому скелеті, і утворюється тепер основне радіаційне навантаження. Особливо небезпечним є стронцій-90, який фіксується у мінералізованому матриксі кісткової тканини, заміщуючи кальцій в кристалі гідроксиапатиту. У кістці, яка росте, стронцій-90 потрапляє до остеогенних клітин і включається у їх метаболізм (продукцію колагенових білків, глікозаміногліканів, ферментів та інших компонентів кісткового матриксу).

В результаті інкорпорації радіонуклідів у кістці утворюється джерело хронічного випромінювання, що може спричиняти розвиток патологічних змін у кістковій тканині, які вивчені мало. Вже зараз зріс рівень захворювань опорно-рухового апарата, характерним стало уповільнення репаративних процесів при загоюванні переломів, після оперативних втручань, відмічені порушення розвитку скелета у новонароджених у регіонах, які постраждали в результаті Чорнобильської катастрофи. Все це дозволяє нам проводити подібні дослідження і є актуальним для дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Дисертаційна робота є частиною наукової теми “Вивчення морфологічних змін органів соми та внутрішніх органів у свійських тварин в залежності від виду тварин, віку та умов утримання”, яку розробляє колектив учених Національного аграрного університету. Реєстраційний номер 0196U01917.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи було визначити стан кісткової тканини деяких тварин в залежності від виду, віку та умов утримання. Для реалізації мети були поставлені такі завдання:

більш глибоко зрозуміти біомеханічні властивості живих об'єктів та їх частин;

вивчити формоутворюючу роль механічної функції;

вивчити закономірності адаптивних перебудов органів та їх складових в онто- і філогенезі;

дослідити морфологічні основи біомеханічних властивостей кісток кінцівок;

вивчити вплив радіонуклідів на кісткову тканину.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше у світовій практиці проведені комплексні біохімічні та біомеханічні дослідження стегнової кістки у різних видів хижаків, а також впливу радіонуклідів на структуру стегнової кістки білих щурів. За нашими даними, найбільшу міцність на стиснення мають стегнові кістки кінцівок російського хорта (209 Мпа) та німецької вівчарки (214 Мпа) і найменшу - німецького дога (173 Мпа). При цьому сумарний вміст кальцію і фосфору в кістках хорта (306,1 г/кг), німецької вівчарки (293,7 г/кг), німецького дога (282,1 г/кг), тобто із збільшенням сумарного вмісту Са+Р у кістці її міцність дещо зростає.

Низький вміст у стегнових кістках кальцію (220 г/кг) негативно корелює з індексом компакти (0,621-0,62), тобто з товщиною стінки діафіза і, навпаки, відносний розвиток стінок діафіза позитивно корелює з вмістом фосфору (російська гонча, англійський бульдог). Чим вище концентрації вмісту К та Са у кістці, тим стінка її діафіза тонша. Наприклад, при найвищому процентному вмісті К та Са кістка німецької вівчарки має найнижчий індекс компакти (і_k = 0,5).

Моменти інерції кістки, які відображують її жорсткість з боку форми, також позитивно корелюють з вмістом K, Ca, Na, Mg, Mn і негативно корелюють з концентраціями Fe, Zn, Cu та Р.

Таким чином, дослідження діафіза стегнової кістки різних порід собак показали, що основними біохімічними компонентами кістки, які суттєво впливають на її біомеханічні та морфологічні характеристики, є солі кальцію і фосфору, причому вирішальне значення має сумарний вміст Са та Р.

За умов збільшення дози надходження радіонуклідів виявлена тенденція до патологічних змін. При порівнянні остеометричних показників виявлені ознаки затримки росту кісток.

Практичне значення отриманих результатів. У практичному плані результати таких досліджень можуть бути використані у практичній ветеринарній медицині, а також при укладанні підручників та посібників з порівняльної морфології та біомеханіки. Вони збагачують новими науковими даними спеціалістів з охорони і використання тваринного світу для потреб людини, ортопедів-травматологів, а також інженерів, які цікавляться проблемами біомеханіки.

Особистий внесок дослідника. Всі експериментальні дослідження за темою дисертаційної роботи, огляд літератури, підбір матеріалу та методик, статистична обробка і аналіз отриманих даних, висновки і пропозиції, виконані дисертантом.

Апробація результатів досліджень. Матеріали дисертації доповідалися на науково-практичних конференціях професорсько-викладацького складу і аспірантів НАУ (1997, 1998), “П'ятій міжнародній науково-технічній конференції “Чорнобиль-96” (Зелений мис, 1996), науково-практичній конференції “Чорнобиль-96” (Київ, 1997), міжнародній конференції “Актуальні питання морфології” (Тернопіль, 6-7 травня 1996), 2-й Українській науково-практичній конференції “Остеопороз” (Львів, 28-30 травня 1997), VIII школі країн СНД “Актуальні питання біології опорно-рухового апарата” (Київ, 1996), ІІ Національному конгресі анатомів, гістологів, ембріологів і топографоанатомів України (Луганськ, 16-18 вересня 1998), 26 Всесвітньому ветеринарному конгресі (Франція, 1999).

Публікації. Результати досліджень за темою дисертаційної роботи висвітлені у 14 публікаціях, які вийшли в журналах “Journal of Morphology” (1); “Науковий вісник Національного аграрного університету” (3); “Науковий вісник Волинського державного університету” (1); “Матеріали VIII школи держав СНД” (1); “Український медичний альманах” (1) і матеріалах конференцій (7).

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, огляду літератури, результатів власних досліджень, обговорення результатів досліджень, висновків, практичних пропозицій, списку використаних джерел та додатку. Робота викладена на 122 сторінках комп'ютерного тексту, ілюстрована 22 малюнками, 16 таблицями. Список використаних літературних джерел включає 124 джерела, у тому числі 61 іноземне.

ВИБІР НАПРЯМКІВ ДОСЛІДЖЕНЬ, МАТЕРІАЛ ТА МЕТОДИ ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Робота виконана на кафедрі анатомії Національного аграрного університету і у відділах еволюційної морфології та цитології і гістогенезу Інституту зоології НАН.

Досліджені довгі трубчасті кістки задньої кінцівки 55 тварин, які відносяться до 8 видів і двох рядів ссавців. Ряд хижих Ordo Carnivora Bowdich: вовк (Canis lupus L.); собака (Canis familiaris L.); шакал (Canis aureus L.); лисиця (Vulpes vulpes L.); кішка степова або плямиста (Felis libica For.); корсак (Vulpes corsac L.); борсук (Meles meles L.).

Ряд гризунів Rodentia Bodwich: щур (Rattus norvegicus B.), кільк. екз. 20.

В роботі застосований комплекс методик, що включає анатомічне препарування, морфометрію, біохімічний аналіз кісткової тканини, визначення моментів інерції поперечних перерізів трубчастих кісток тощо.

Довжину кістки вимірювали з медіального боку. Для кожної кістки були виміряні довжина (l, мм), діаметри сагітальний (d_s, мм) та фронтальний (d_f, мм), площа компактної речовини (F, мм²) та екстремальні моменти інерції (J_max, J_min, мм⁴) в середині діафіза. Лінійні характеристики кісток вимірювали штангенциркулем.

Механічні випробовування, площі і експериментальні моменти інерції поперечних перерізів та інші характеристики кісток обчислювали за методикою К.П.Мельника і В.І.Кликова (1991). В результаті підрахунку на ЕОМ (ЕС 1841) отримували: координати центру ваги перерізу, положення центральних вісей моментів інерції, їх експериментальні значення J_max, J_min, значення площ компакти та перерізу в цілому, індекси компакти.

Отримані кільцеві зразки кістки навантажували подовжньо до руйнування, застосовуючи випробувальні машини типу Р-10 для зразків з кісток хижих ссавців і машини типу ZM-20 - для зразків з кісток щурів.

Атомно-абсорбційним методом (М.Є.Бруцке, 1998) в лабораторії клінічної і екологічної біохімії НАУ був досліджений хімічний склад стегнової кістки 5-ти порід домашніх собак у середній ділянці діафіза.

Крім того, були обчислені коефіцієнти кореляції між хімічними елементами кістки та її основними морфобіомеханічними характеристиками. До числа біомеханічних характеристик включені полярний момент інерції (Ір) та відношення довжини кістки до її діаметра (l/df).

Для вивчення впливу радіонуклідів (РН) на структуру трубчастих кісток скелета ссавців був взятий біоматеріал (стегнові кістки білих щурів лінії Вістар та виготовлені з них гістопрепарати) з експериментів, які були проведені Інститутом зоології НАНУ разом з Чорнобильським науковим центром міжнародних досліджень (відділ радіології тварин). Радіонукліди вводилися 4-місячним щурам з кормом та питною водою протягом 1,5 та 4 місяців відповідно двом групам тварин, 1 і 2 групи - дослід, 3 група - контроль. Раціон протягом експерименту не змінювався.

Статистична обробка даних проведена за програмою "Кореляційний аналіз" на ЕОМ ЕС 1841 та за П.З.Румшинським (1971) і Л.І.Францевичем (1980).

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ІХ АНАЛІЗ

Фактори, які впливають на стан кісткової тканини і міцність кісток.

Результати наших досліджень показують, що середнє значення показника степеня b (параметри алометричного рівняння) для довжини стегнової кістки становить 0,285, для сагіттального діаметра - 0,404, фронтального - 0,288. Лінійні розміри мають високий коефіцієнт кореляції r>0,97, тобто вони жорстко пов'язані з масою тіла тварини. Швидкість зміни довжини стегнової кістки у ряді досліджених тварин, яка оцінюється за кутом нахилу лінії регресії, є меншою за таку, яка була прогнозована моделлю геометричної подібності, b<0,33, і більше такої, яка була прогнозована моделлю еластичної подібності, b > 0,25. Кут нахилу лінії регресії до вісі абсцис становить близько 16⁰. Це свідчить про те, що великі хижаки (вовк, собака - 2, німецька вівчарка, німецький дог) у порівнянні з дрібнішими (корсак, лисиця, кішка) мають меншу відносну довжину (довжина, віднесена до маси тварини) стегнової кістки. Із збільшенням абсолютних розмірів тварини стегнова кістка відносно укорочується.

Спеціалізація тварини, її спосіб життя також впливають на відносну довжину стегнової кістки. Так, у тварин приблизно з однаковою масою тіла (борсук, шакал), але по-різному пристосованих до бігу, стегнові кістки відрізняються відносною довжиною. У борсука, пристосованого до риття, довжина кістки на одиницю маси тіла на 15-20% менша, ніж у шакала, більше або менше адаптованого до швидкісної локомоції. Породи собак високорухливі, пристосовані до швидкісної локомоції (російський хорт, пойнтер) порівняно з породами силового типу (німецький дог) мають відносно більш довгі кістки. Проміжне положення за цією ознакою займає німецька вівчарка, англійський бульдог.

На відміну від розмірів довжини дещо по-іншому змінюються поперечні розміри стегнової кістки у ваговому ряді хижаків. Для сагіттального діаметра кутовий коефіцієнт лінії регресії b = 0,404, а для фронтального b = 0,288, прямо вказують, що швидкість зміни краніо-каудальної товщини кістки в залежності від маси тіла помітно вище такої для медіо-латеральної її товщини.

Параметри залежностей відношень фронтального діаметра до сагіттального свідчать про те, що із збільшенням маси тіла відношення діаметрів падає, тобто сагіттальний діаметр зростає більше фронтального. Це також підтверджує, що жорсткість діафіза і навантаження вигину в сагіттальній площині у порівнянні з такими у фронтальній площині у тварин великих розмірів вища, ніж у дрібних тварин. Переріз діафіза стегнової кістки дрібних тварин (корсак, кішка) має форму еліптичного кільця, яке орієнтоване більшим діаметром у фронтальній площині.

У великих хижаків (вовк, собака - 2) сагіттальний діаметр приблизно дорівнює фронтальному, а в інших випадках перевищує його.

Аналогічно відношенню діаметрів змінюється індекс компакти, маючи порівняно низький коефіцієнт кореляції з масою тіла (r = 0,4925).

Слід зазначити, що дикі форми тварин (корсак, лисиця, кішка, шакал, вовк) порівняно з домашніми (собаки) мають різні форми діафіза стегнової кістки. У перших фронтальний діаметр превалює над сагіттальним, у других - навпаки, сагіттальний діаметр завжди більше фронтального. Це пояснюється локомоторною активністю тварин.

Залежності площ перерізу, руйнуючого навантаження на стиснення і екстремальних моментів інерції в залежності від маси тіла мають високий ступінь кореляції (r = 0,97). Це підтверджує те, що в онто- і філогенезі абсолютні розміри тварин мають вагомий вплив на морфологію довгих трубчастих кісток кінцівок, зокрема, на розвиток компактної речовини, її розподілу в діафізі, формування потрібної жорсткості елементів у фронтальній і сагіттальній площинах.

Площі поперечних перерізів і руйнуючі навантаження пропорційні масі тіла в степені 0,659 і 0,730, відповідно. Значення показника степеня для площі поперечного перерізу достовірно не відрізняється від величини 0,67, що витікає з моделі геометричної подібності. Це вказує на те, що напруження, які повинні з'явитися в діафізі внаслідок зростання маси тіла, тільки частково обмежуються за рахунок непропорційної зміни поперечних розмірів діафіза.

Обмежує напруження в діафізі трубчастих кісток тварин великих розмірів локомоція, яка у великих хижаків за своїми біомеханічними параметрами значно відрізняється від такої у дрібних тварин. Ці відмінності роблять механічний режим роботи кінцівок більш м'яким, внаслідок чого зменшуються відносні навантаження на кінцівки та їх елементи.

Абсолютні руйнуючі навантаження змінюються аналогічним шляхом, як і площі поперечних перерізів. Це пояснюється тим, що пружні властивості кісткової речовини в нормі можна вважати постійними, оскільки основними її компонентами у всіх ссавців є солі кальцію Ca₃(PO₄)₂ і CaCO₃ в сполученні з білковими молекулами. Можна відмітити, що загальне руйнуюче навантаження, яке може витримати трубчаста кістка при стисненні, прямопропорційне площі компакти на ділянці кістки, що розглядається. Отже, за розмірами перерізів, маючи параметри алометричних залежностей цих площ від маси тіла, можна передбачити загальні несучі можливості елемента на стиснення, не вдаючись до прямих механічних випробовувань.

Моменти інерції, що відображають жорсткість (опір) кістки під час вигину в тій або іншій площині, пропорційні масі тіла в степені 1,184 для J_max i в степені 1,301 для J_min. Темпи збільшення мінімального моменту інерції вищі при збільшенні розмірів тіла. Особливістю є те, що вісь мінімального моменту інерції у дрібних хижаків (корсак, лисиця, кіт) розташовується у фронтальній площині, а у великих (вовк, собака) вона ближче розташована до сагіттальної площини. Таким чином, у дрібних тварин превалює фронтальна жорсткість і їх стегнові кістки міцніші при вигині саме в цій площині. Із збільшенням розміру тіла жорсткості кістки в сагіттальній і фронтальній площинах вирівнюється, переріз із еліптичного кільця стає більш круглим і рівноміцним.

Найменша кореляція з масою тіла зафіксована для показника границі міцності (r = 0,4054). Середнє значення кута нахилу лінії регресії цього показника становить близько 4⁰, тобто функціональний зв'язок границі міцності з масою тіла слабкий і можна вважати, що границя міцності є інваріантною величиною по відношенню до розмірів тварин.

Таким чином, основні морфо-біомеханічні характеристики стегнової кістки (довжина, діаметри, площі компакти, моменти інерції і руйнуючі навантаження) мають високий ступінь кореляції (r > 0,9) з розмірами тварин.

Зафіксовано слабку кореляцію з масою тіла індексу компакти, відношень діаметрів і границі міцності. Границя міцності є інваріантною величиною по відношенню до розмірів тіла тварини. Руйнуючі напруження, мабуть, не пов'язані з онтогенезом тварин.

Із збільшенням абсолютних розмірів тіла досліджених хижаків їх стегнові кістки стають відносно коротшими і товщими, масивність кістки збільшується.

Хімічний склад, структурні і біомеханічні характеристики трубчастих кісток деяких порід собак

Результати біохімічного аналізу кісткової тканини із середини діафіза стегнової кістки показують, що дев'ять хімічних елементів розподіляються в кістках різних порід собак неоднорідно. Характерною особливістю є те, що максимальний вміст Са в кістці поєднується з мінімальним вмістом фосфору (німецька вівчарка). В міру зменшення вмісту в кістках Са (пойнтер, німецький дог) зростає питома кількість фосфору. Стегнові кістки англійського бульдога і російського хорта містять найменшу кількість Са (220 г/кг) і найбільшу кількість фосфору (86-87 г/кг). Таким чином, кальцій і фосфор в кістках досліджених порід домашніх собак знаходяться в зворотній залежності. Із збільшенням концентрації кальцію корелятивно зменшується вміст фосфору.

Порівняно жорсткий зв'язок вмісту кальцію і фосфору в кістці, очевидно, пояснюється безліччю важливих функцій, які в цілому ці два елементи виконують в організмі.

Поряд з кальцієм і фосфором важливе значення в житті кісткової тканини мають мікроелементи - Mg, Mn, Fe, Zn, Cu, K і багато інших.

В стегновій кістці німецької вівчарки встановлений максимум концентрації кальцію, магнію, марганцю, міді, натрію і калію, але мінімум заліза, цинку і фосфору. Кістки німецького дога, пойнтера відрізняються середніми показниками кальцію, фосфору, магнію, марганцю і міді, містять максимум заліза і мінімум калію. Концентрація цинку мінімальна у німецького дога і максимальна у пойнтера. Зафіксовані мінімальні концентрації кальцію (220 г/кг) і максимальні фосфору (86-87 г/кг) в кістках англійського бульдога і російського хорта, причому у цих порід спостерігаються невеликі відмінності у вмісті мікроелементів. Особливістю є також те, що кістки англійського бульдога містять максимальну кількість міді, а елементи російського хорта - мінімальну кількість марганцю.

Аналіз варіації хімічного складу в межах досліджених порід домашніх собак показав, що питомий вміст в кістці кожного із 9-ти хімічних елементів варіює. Найбільші коливання відмічені для заліза (325%), міді (270%), калію (305%) і фосфору (270%). Помітно менші варіації концентрацій зафіксовані для марганцю (160%), натрію (98%), цинку (80%), магнію (52%) і нарешті, кальцію (20%).

Цілком імовірно, відмічені коливання у вмісті хімічних елементів в кістці зумовлені не тільки порідними (генетичними) особливостями, але і іншими факторами (вік, умови утримання та ін.).

З метою з'ясування впливу біохімічного складу кісткової тканини на структурні і біомеханічні властивості кістки був проведений кореляційний аналіз.

Аналіз корелятивних зв'язків показує, що границя міцності (у) позитивно корелює з більшістю хімічних елементів. Винятком є Mg i Fe. Між концентрацією заліза і граничними напруженнями в кістці встановлений негативний зв'язок (r = - 0,545). Між у і Mg кореляції не спостерігається (r = -0,007). Дуже слабкий кореляційний зв'язок існує між у і Zn (r = 0,037). Окремо кальцій і фосфор помітно менше корелює з границею міцності (r = 0,115, r = 0,107, відповідно), ніж їх сумарний склад (Са+Р) в кістці (r = 0,538). Це підтверджує те положення, що ці два хімічні елементи, будучи базовими компонентами мінеральної речовини компактної кісткової тканини, відіграють важливу роль в біомеханіці кістки. Слід відмітити, що при оцінці вмісту мінеральних речовин комплексної сполуки гідроксиапатиту в кістковій тканині необхідно враховувати не тільки вміст фосфору (І.В.Кнетс, Г.О.Порафрод, Ю.Ж.Саулгозис, 1980; Х.А.Янсон, 1975), але і концентрацію кальцію, тобто враховувати їх сумарний вміст.

Площа компакти, індекс компакти і відношення довжини до діаметра кістки негативно корелює з кальцієм і позитивно з вмістом фосфору. Це означає, що із зміною площі компакти, відносним розвитком компакти процентне співвідношення між фосфором і кальцієм міняється, якщо площа і індекс компакти збільшуються, вміст кальцію в кістці падає, а фосфору зростає. Аналогічний зв'язок Са і Р має місце з відношенням довжини кістки до діаметра.

Для сумарного складу кальцію і фосфору встановлена позитивна кореляція з площею і індексом компакти і відношенням довжини кістки до діаметра (r > 0,5). Площа компакти негативно корелює з Mg, Mn, Fe, Zn, Cu, Na і майже не корелює з К (r = 0,018). Індекс компакти (розвиток діафіза) негативно корелює з Mg, Mn, Cu, Na і К, позитивно - з Fe і Zn. Найбільша негативна кореляція полярного моменту інерції зафіксована з Zn (r = - 0,680) і позитивна - з Mg (r = 0,346), Mn (r = 0,328), з Na (r = 0,469) i K (r = 0,476). Дуже слабка кореляція І_р з кальцієм, фосфором, міддю. Відносно висока ступінь кореляції відношення мінімального моменту інерції до максимального із сумарним вмістом Са+Р, цинком і низька - з Ca, Fe, Na. Відношення довжини кістки до діаметра негативно корелює з Mg, Mn, Na, К і позитивно з Р, Са+Р, Fe, Zn. Слабка кореляція для цієї характеристики встановлена з Са і Сu.

Варіації біохімічного складу кісткової тканини тісно пов'язані з опірністю трубчастої кістки до механічних навантажень. Опірність знижується при відносно низькому процентному вмісті кальцію і фосфору в кістці (F.G.Evans, 1973). При цьому трубчаста кістка набуває нових механічних властивостей. Вона стає більш еластичною, пружно-в'язкою і в результаті здатна витримувати відносно великі динамічні навантаження. За нашими даними, найбільшу міцність на стискання мають стегнові кістки кінцівок російського хорта (209 МПа) і німецької вівчарки (214 МПа) і найменшу - німецького дога (173 МПА). При цьому сумарний вміст кальцію і фосфору в кістках хорта - 306,1 г/кг, німецької вівчарки - 293,7 г/кг, а у німецького дога - 282,1 г/кг, тобто із збільшенням сумарного вмісту Са+Р в кістці її міцність дещо зростає.

За біохімічними і біомеханічними характеристиками стегнової кістки німецький дог ближче з інших порід стоїть з англійським бульдогом і пойнтером. Кістки кінцівок німецької вівчарки містять найбільший процент з Ca, K, Na, Mn i Mg при відносно високій границі міцності - 214 МПа. Останнє може свідчити про те, що німецька вівчарка однаково добре пристосована як до статичних, так і до динамічних умов життя.

Стегнові кістки російського хорта, маючи приблизно однакову, як і у німецької вівчарки сумарну концентрацію кальцію і фосфору, містять помітно менші кількості кальцію, калію, натрію, міді, марганцю, магнію і великі кількості заліза, цинку і, особливо, фосфору.

Відомо, що російський хорт, маючи відносно довгі кінцівки, пристосований до швидкісного руху. Таким чином, локомоторні можливості російського хорта позитивно корелюють з Fe, Zn та Р і негативно - з іншими мікроелементами.

Низький вміст в стегнових кістках кальцію (22О г/кг) негативно корелює з індексом компакти ( 0,621-0,62), тобто з товщиною стінки діафіза, позитивно корелює з вмістом фосфору (російська гонча, англійський бульдог). Чим вищі концентрації K і Са в кістці, тим стінки її діафіза тонші. Наприклад, при найвищому процентному вмісті K і Ca кістка німецької вівчарки має найнижчий індекс компакти (і = 0,5).

Моменти інерції кістки, що відображають її жорсткість з боку форми, також позитивно корелюють з вмістом К, Са, Na, Mg, Mn і негативно корелюють з концентраціями Fe, Zn, Cu і Р.

Таким чином, дослідження діафіза стегнової кістки різних порід собак показали, що основними біохімічними компонентами кістки, що суттєво впливають на її біомеханічну та морфологічні характеристики, є солі кальцію та фосфору, причому вирішальне значення має сумарний вміст Са і Р.

Стосовно інших хімічних елементів, то в складі органічного компоненту кістки (білкові волокна, цементуючі речовини) через механізми резорбції та апозиційного росту вони впливають на форму кістки та її пружно-в'язкі властивості.

Зміни в структурі трубчастої кістки білих щурів при надходженні радіонуклідів протягом 1,5 місяців

При порівнянні остеометричних показників виявлені ознаки затримки росту кісток. У тварин з великою дозою затравки (1 група) в порівнянні з групою 2 і контролем достовірно зменшується довжина кістки та ширина епіфіза. В метаепіфізарному ростковому хрящі виявлено зменшення ширини зони проліферуючих хондроцитів, що свідчить про більш низькі, порівняно з контролем, темпи ростових процесів в кістці.

В епіфізах і метафізах структура спонгіози стає більш крупнокомірчастою, кісткові трабекули укорочуються, в них виявляються деструктивні зміни. Реєструється розрідження кісткових балок, розширення кістково-мозкових просторів. В середині кістково-мозкових комірок виявлені крововиливи, оптично прозорі простори. У тварин, що отримали велику дозу радіонуклідів (1 група), в спонгіозі знайдені залишки хряща, які знаходяться не тільки в товщі трабекул, але й по їх периферії. Зони, що містять хрящ, виявляються і в товщі компакти в діафізах. Це, напевно, відображає більш низькі,ніж в нормі, темпи заміщення хрящового скелета кістковим.

В діафізі простежується уповільнення перебудови грубоволокнистої кісткової тканини в пластинчату. Добре виявляються базофільні лінії склеювання в компакті. Дещо збільшується діаметр судинних каналів. Іноді зазначається утворення ендостальних та періостальних фіброзних розростань і ділянки резорбції з участю остеокластоцитів. Характерним для компакти кісток у щурів з великою дозою затравки радіонуклідами є нерівномірний розподіл остеоцитів, що може відображати порушення у співвідношенні інтенсивності проліферації, диференціювання та специфічного функціонування остеогенних клітин.

При підрахунку кількості клітин на одиницю площі гістозрізу в ідентичних зонах стегнової кістки щурів 1 та 2 експериментальних груп в порівнянні з контролем виявлена тенденція до зниження кількості остеоцитів в компакті, достовірне зменшення кількості функціонально активних остеобластоцитів в периості, кількість остеокластоцитів не змінюється. Зазначено, що в трабукулярній кістці та компакті частина остеоцитарних лакун не містить остеоцитів або включає клітини, ядра яких мають ознаки пікнозу, що свідчить про загибель частини остеоцитів.

Виявлені зміни свідчать про тенденцію до розвитку в кістках в умовах 1,5 місячного надходження радіонуклідів незавершеного остеогенезу, уповільненню ростових процесів, зниженню функціональної активності остеогенних клітин.

Зміни в структурі трубчастих кісток білих щурів при надходженні радіонуклідів протягом 4-х місяців

При порівняльному аналізі остеометричних показників стегнових кісток у тварин виявлена тенденція до уповільнення росту кісток у опромінених щурів. В 1 групі тварин в порівнянні з контролем зменшується довжина кістки, ширина дистального епіфіза та ширина діафізарної трубки.

Морфометричний аналіз змін епіфізарних хрящів стегнових кісток щурів 1 експериментальної групи показав, що має місце зменшення ширини зони проліферації в хрящовій метаепіфізарній пластинці, прошарки хряща між колонками хондроцитів збільшуються, вони мають виражену волокнисту структуру, зменшується також ширина зони гіпертрофованих хондроцитів, дещо знижується довжина трабекул спонгіози.

Питомий об'єм кісткових трабекул в епіфізах знижується. В популяції остеобластоцитів зменшується кількість функціонально активних форм. Середня площа остеобластоциту 37,5+1,8 мкм². Розміщуються остеобластоцити в ендості нерівномірно, частина кісткової поверхні зовсім позбавлена клітин. В окремих локусах спостерігається їх скопичення. Кількість остеокластоцитів достовірно не змінюється. В спонгіозі епіфізів і метафізів у тварин, що опромінювалися, виявляються хрящові включення в товщі трабекул в компакті діафіза.

В компакті остеогенний шар періосту звужений. Виявляються ендостальні та періостальні фіброзні розростання, ділянки заміщення кісткової тканини фібробластами та колагеновими фібрилами. В окремих зонах кортикальні кісткові пластинки замінюються губчастою кісткою.

В трабекулярній кістці та компакті виявляються оптично пусті порожнини та щілини розміром від 2,5 до 15-25 мкм. Це особливо характерно для трабекул епіфізів. Частина остеоцитарних лакун не містить остеоцитів, в деяких остеоцитах видно пікнотичні ядра, що відображає тенденцію до зниження метаболічної активності клітин, часткової їх загибелі. Має місце також нерівномірність розподілення остеоцитів по товщині компакти.

Зміна межі міцності кісткової тканини білих щурів при надходженні радіонуклідів

Середні значення межі міцності кістки контрольної ( 13,74 кг/мм²) та експериментальної (14,59 кг/мм²) групи тварин показують, що відмінність між ними незначна. Цей показник дещо більший у представників експериментальної групи тварин.

Звертає на себе увагу те, що інтервал розподілення окремих значень межі міцності ширше для експериментальної групи. Коефіцієнт варіації Кv у представників експериментальної групи вищий, ніж у представників контрольної групи тварин. Це вказує на те, що фактор радіоактивного забруднення навколишнього середовища має негативний вплив на біофізичні та біомеханічні характеристики скелета тварин.

При механічних випробуваннях зразків кісток тварин експериментальних груп спостерігається крихке, в порівнянні з контролем, їх руйнування з утворенням численних тріщин і окрушини.

Напевно кістки кінцівок тварин, що зазнали радіоактивного забруднення, поступово стають менш еластичними, тобто більш жорсткими. В екстремальних умовах локомоції менш еластичні кінцівки здатні поглинути меншу енергію поштовху, яку необхідно гасити, інакше може настати руйнування.

З цієї точки зору фактор радіоактивного забруднення негативно впливає на всю біомеханіку тварини і її виживання.



ВИСНОВКИ

Основні морфо-біомеханічні характеристики стегнової кістки (довжина, діаметри, індекс компакти, моменти інерції, абсолютні руйнуючі навантаження) мають високий ступінь кореляції з розмірами тварин (r > 0,9). Довжина кістки пропорційна масі тіла в степені 0,285, сагітальний діаметр пропорційний масі тіла в степені 0,404, фронтальний - масі тіла в степені 0,288, площі компакти пропорційні масі тіла в степені 0,659, абсолютні руйнуючі навантаження - масі тіла в степені 0,730, мінімальний момент інерції пропорційний масі тіла в степені 1,301, максимальний - масі тіла в степені 1,184.

2. Швидкості змін діаметрів кістки, екстремальних моментів інерції зумовлені не тільки розміром тварини, але й характером локомоції, умовами середовища проживання, способом життя, одомашнюванням тварини.

3. Питоме руйнівне напруження є незалежною характеристикою кістки відносно розмірів тварини.

4. Із збільшенням абсолютних розмірів тварин стегнові кістки стають відносно коротші і товщі, а масивність кістки зростає.

5. Солі Са і Р є основними біохімічними компонентами кістки, що суттєво впливає на її морфологічні та біомеханічні показники, причому вирішальне значення має сумарний вміст Са та Р, який суттєво впливає на міцність кістки.

6. Доместикація особливо впливає на форму та конфігурацію трубчастих кісток. Критерієм оцінки такого впливу повинні служити моменти інерції, як абсолютні, так і відносні їх значення.

7. В онтогенезі скелетні елементи кінцівок тварин надійно захищені від руйнування. Необхідний запас міцності кісткових елементів підтримується за рахунок вмісту великої кількості кісткової тканини при меншій жорсткості.

8. При надходженні радіонуклідів в малих дозах (дозове навантаження 0,1 - 1,5 сГр) протягом 1,5 та 4 міс. в умовах експериментів на білих щурах виявлені значні зміни в кістковій тканині.

8.1 Знижуються остеометричні показники стегнової кістки (довжина кістки, ширина дистального епіфіза, ширина зони проліферації хондроцитів в метаепіфізарному хрящі), уповільнюються ростові та остеопластичні процеси в кістках.

8.2. Зменшується питомий об"єм губчастої кістки в епіфізах та метафізах стегнової кістки, з"являються нехарактерні для норми порожнини і щілини в компакті, розвиваються в кістках остеопоротичні зміни.

8.3. Зміни найбільш виражені в стегновій кістці у тварин, що отримували радіонукліди 4 міс. з сумарним дозовим навантаженням 1,5 сГр.

9. Інкорпорація радіонуклідів призводить до зниження межі міцності кісткової тканини, розширяє довірчий інтервал і збільшує коефіцієнт варіації, що зменшує надійність локомоторного апарату.

Результати даних досліджень можуть бути використані при складанні учбових посібників з порівняльної анатомії, анатомії домашніх тварин, теорії еволюції, а також в учбовому процесі на факультетах ветеринарної медицини, зооінженерії, біологічних.

Нові відомості про властивості стегнової кістки знайдуть своє застосування в біомеханіці при вирішенні теоретичних і прикладних питань, що стосуються хребетних тварин.

Виявлені властивості реагування кісткової тканини на вплив радіоактивного забруднення будуть корисні для практичних медичних і ветеринарних спеціалістів.



СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рудик С.К., Тилахун Г.Е., Родіонова Н.В. Зміни в кістковій тканині під дією радіоактивних забруднень // Науковий вісник Національного аграрного університету. - К., 1997. - № 2. - С. 113-115. (Дисертант одержав дані про дію радіоактивних забруднень на кісткову тканину тварин, що живуть в зоні ЧАЕС. Зроблено статистичну обробку одержаних результатів та їх аналіз).

2. Рудик С.К., Тилахун Г.Е. Зміни структур трубчастих кісток під впливом радіонуклідів // Науковий вісник Національного аграрного університету. - К., 1997. - № 2. - С. 115-117. (Дисертант одержав дані про вплив радіонуклідів на структурно-функціональні зміни трубчастої кістки білих щурів лінії Вістар. Зроблено статистичну обробку одержаних результатів та їх аналіз).

3. Рудик С.К., Тілахун Г.Е., Кликов В.І. Вплив розмірів тварин на морфологічні та біомеханічні характеристики стегнової кістки // Науковий вісник Національного аграрного університету. - К., 1998. - № 3. - С.122-130. (Дисертант самостійно формував випробувальні групи, виконував статистичну обробку та аналіз одержаних результатів).

4. Klykov V.I., Tilahun G.E., Bogdanovich I.A. Ontogency of structural strength of the long bones of the extremities of the ox // Journal of Morphology. - Bristol. - 1997. - Vol. 232, № 3. - P.27. (Дисертантом одержані дані, що зі збільшенням розмірів тіла в онто- і філогенезі змінюється характер фізіології, поведінки, розміри і пропорції кінцівок та їх компонентів).

5. Rudik S.K., Tilahun G.E., Manuiylenko O.L. Animals Dimentions effect on the Morphological and biomechanical characteristics of the thigh bone // 26-th World veterinary congress WVA (Lyon, France, 1999). - Lyon. - 1999. - Сідіромний диск. (Дисертантом одержані дані про вплив розмірів тварин на біомеханічні та морфологічні характеристики трубчастої кістки).

6. Rudik S.K., Tilahun G.E., Klykov V.I. Some aspects of morphological principles of long tubular bones // Actual aspects of morphology. - Ternopil, 1996. - Vol.III. - P.70-772. (Дисертантом одержані дані про вплив розмірів тварин на біомеханічні та морфологічні характеристики трубчастої кістки).

7. Рудик С.К., Тилахун Г.Е., Ткачук С.А. Физические свойства трубчатой кости млекопитающих в зависимости от характера функционирования // Український медичний альманах. - 1998. - № 3. - С.83-84. (Дисертант самостійно одержав дані про вплив фізичних властивостей трубчастої кістки на їх характер функціонування).

8.Родионова Н.В., Тилахун Г.Е. Влияние радионуклидов на структуру трубчатых костей // Науковий вісник Волинського Державного університету. - Луцьк, 1997. - С.61-64. (Дисертант самостійно одержав дані про вплив радіонуклідів на кісткові тканини).

9. Родионова Н.В., Мажуга П.М., Тилахун Г.Е. Биологические механизмы изменений в костях скелета при действии радиоактивных загрязнений // Материалы Пятой международной научно-технической конференции Чернобыль-96. - Зеленый мыс. 1996. - С.468-469.

10. Родионова Н.В., Горский Б.О., Тилахун Г.Е. Послерадиационные изменения в костях скелета у животных из зоны ЧАЭС // Научно-практическая конференция. Наука. Чернобыль-96. Сборник тезисов, 1997. - С.182.

11. Рудик С.К., Тилахун Г.Е. Морфологические особенности основ прочности длинных трубчатых костей // Актуальные вопросы биологии опорно-двигательного аппарата. Материалы УШ школы стран СНГ. - К., 1996. - С. 86-87.

12. Рудик С.К., Тилахун Г.Е. Физико-химические свойства бедренной кости собак в зависимости от породы // Материалы международной ветеринарной конференции. - К., 1996. - С.14-15.

13. Рудик С.К., Тилахун Г.Е. Хімічний склад кісткової тканини в залежності від породи собак // Матеріали наукової конференції НАУ "Сучасні проблеми ветеринарної медицини". - К., 1997. - С.72.

14. Рудик С.К., Тилахун Г.Е., Мельник О.П. // Вторая Украинская научно-практическая конференция "По вопросу биомеханических особенностей некоторых костей млекопитающих". Сборник материалов конференции. - К., 1997. - С.119-121.

Размещено на Allbest.ru

...