Changes in Bone Structure Following Implantation of Biphasic and Triphasic Strontium Enriched Biomaterials in Animals with Experimental Osteoporosis

Jānis Zariņš

Research output: Types of ThesisDoctoral Thesis

Abstract

Kaulaudu reģenerāciju nodrošina osteocītu, osteoblastu un osteoklastu savstarpēja mijiedarbība, kas tiek regulēta, izdalot dažādus augšanas, remodelācijas un transkripcijas faktorus, iekaisuma un pretiekaisuma citokīnus. Muskuloskeletālo slimību, tostarp osteoporozes, vai smagu traumu gadījumā tiek izjaukts fizioloģiskais kaula metabolisms, un ķirurģiska kaula patoloģiju ārstēšana var radīt palielinātu lūzumu nesaaugšanas un metāla konstrukciju migrācijas risku. Lai novērstu šīs komplikācijas, implanti tiek bagātināti ar dažādu metālu joniem, tādējādi veidojot fizioloģiski aktīvu biomateriālu, kurš uzlabo kaula reģenerācijas īpašības. Viens no tādiem ir stroncijs (Sr), kura ķīmiskās īpašības ir līdzīgas kaulos sastopamajam kalcijam (Ca). Tādējādi ir iespējama Sr jonu apmaiņa kaula remodelācijas laikā, un tas rosina Sr jonu pievienošanu, veidojot jaunus biomateriālus. Sr vienlaicīgi spēj stimulēt jaunas kaulvielas veidošanos un kavēt osteoklastu aktivitāti kaula noārdīšanās procesā. Lai izprastu Sr radītās izmaiņas reģenerācijas procesā, nepieciešams izvērtēt kaulvielas homeostāzei nozīmīgu faktoru funkcionalitāti dažādos kaula stāvokļos. Pētījuma mērķis bija noteikt un salīdzināt kaulu remodelācijas, mineralizācijas, augšanas faktoru, imunitātes un osteoklastoģenēzes marķierus veselu un osteoporotisku trušu kaulā pēc divfāzisku vai trīsfāzisku stronciju saturošu biomateriālu implantācijas. Pētījumā tika iekļautas 46 trušu mātītes, no kurām 10 veidoja veselo jeb kontroles trušu grupu, bet 36 tika ierosināta osteoporoze ar ovarektomijas un glikokortikosteroīdu palīdzību. Osteoporozes skartiem trušiem labās kājas augšstilba kaulā tika izveidots kaula defekts, kurš tika aizpildīts ar hidroksilapatīta (HA) 30% un trikalcija fosfāta (TCP) 70%, 5% Sr bagātinātām HA_30/TC_P70, HA_70/TCP_30, Sr-HA_70/TCP_30 granulām vai atstāts neaizpildīts, veidojot tukšas kontroles grupu jeb tā saucamo sham operāciju. Audu paraugi tika iegūti 12 nedēļas pēc implantācijas, un tika analizēti arī audu paraugi no neoperētās kājas. Morfoloģiski tika izpētītas veselu un osteoporotisku kaulaudu apjoma īpatnības. Ar imūnhistoķīmijas metodi tika novērtēts osteoprotegerīna (OPG), nukleārā faktora kappa beta-105 (NFkB-105), osteokalcīna (OC), kaula morfoģenētiskā proteīna-2/4 (BMP-2/4), matrices metaloproteināzes-2 (MMP-2), matrices metaloproteāzes-2 audu inhibitora (TIMP-2), kolagēna-1-alfa (Col-1α), interleikīna-1 (Il-1) un interleikīna-10 (Il-10) imūnreaktīvo struktūru relatīvais daudzums. Kontroles grupas trušu kaula uzbūvi veidoja kompaktā kaulviela ar osteonu kanāliem, kuros atradās asinsvadi, un porainā kaulviela ar izteiktām kaula trabekulām, osteocītiem un sarkanajām kaula smadzenēm ar taukšūnām. Savukārt osteoporotisku trušu kaulaudos kompaktās kaulvielas slānis bija plānāks un ar retākiem osteoniem, kuru kanālos novērojām izteiktāku saistaudu proliferāciju. Arī trabekulas bija ievērojami plānākas un retākas. Sarkanās kaula smadzenes saturēja ievērojami vairāk taukšūnu. Šādas audu pārmaiņas tika novērotas visu osteoporotisko dzīvnieku audu paraugos. Kaula trabekulārais laukums veseliem trušiem vidēji bija 0,39 mm^2, savukārt osteoporotiskiem trušiem tas variēja no 0,21 mm^2 līdz 0,24 mm^2, kas bija statistiski ticami mazāk. Osteoporotisku operētu trušu kaulaudos neatkarīgi no biomateriāla veida tika konstatēta palielināta Col-1α, BMP-2/4, TIMP-2 un Il-1 atradne, salīdzinot ar veseliem trušiem. Vienīgi Sr-HA_70/TCP_30 spēj ierosināt lielāku OC un NFkB-105 ekspresiju, bet HA_70/TCP_30 lielāku Il-10 ekspresiju, kamēr OPG un MMP-2 daudzums ir praktiski vienāds. Līdzīgi sham operācija spēj ierosināt lielāku Col-1α, TIMP-2 un Il-1 ekspresiju, salīdzinot ar veseliem trušiem. Analizējot osteoporotisko trušu operētās un neoperētās kājas audu paraugus, ieguvām unikālas norādes, ka sham operācijas radītā trauma spēj palielināt tikai Col-1α. Savukārt Sr-HA_70/TCP_30 un HA_70/TCP_30 biomateriāli ierosināja palielinātu Col-1α, NFkB-105, OC, OPG, BMP-2/4, MMP-2, TIMP-2, Il-1, Il-10 pozitīvo šūnu daudzumu. Analizējot audu paraugus operēto osteoporotisko trušu grupās, tika konstatēts, ka Sr klātbūtne ievērojami uzlabo osteoģenēzes, šūnu aktivitātes, kaulaudu mineralizācijas un remodelācijas rādītājus, bet nomāc osteoklastoģenēzi osteoporozes gadījumā. Savukārt Il-1 un Il-10 atradne osteoporotisko trušu audos pēc biomateriālu implantācijas vai sham operācijas bija līdzīga. Osteoporotisku trušu kaulaudus raksturo samazināts kaula trabekulārais laukums un analizēto faktoru atšķirības, salīdzinot ar kontroles trušu audiem. Lai arī osteoporozes gadījumā ir samazinātas kaula remodelācijas spējas, mūsu rezultāti pierāda, ka gan audu traumai, gan biomateriāliem ir noteicošā loma kaula reģenerācijas rādītāju uzlabošanā salīdzinājumā pat ar veselu audu remodelācijas līmeni. Biomateriāli stimulē ekstracelulārās matrices remodelāciju, imūnmodulējošo darbību, osteoblastoģenēzes un mineralizācijas procesus ar šūnu aktivitātes palielināšanos, bet kavē osteoklastoģenēzi. Sr saturoši biomateriāli nepalielina iekaisuma procesus audos, bet tieši pretēji, saglabā stabilu imūnmodulējošo šūnu aktivitāti, līdzīgi kā audi traumas gadījumā. Sr-HA_70/TCP_30 implantētie biomateriāli ierosina visspilgtāko osteoporotisku trušu kaulaudu reģenerācijas potenciālu.
Translated title of the contributionChanges in Bone Structure Following Implantation of Biphasic and Triphasic Strontium Enriched Biomaterials in Animals with Experimental Osteoporosis
Original languageLatvian
Supervisors/Advisors
  • Pilmane, Māra, First/Primary/Lead supervisor
  • Sidhoma, Elga, Second/Co-supervisor
  • Šalma, Ilze, Consultant/Advisor
Place of PublicationRīga
Publisher
DOIs
Publication statusPublished - 2020
Externally publishedYes

Keywords

  • stroncijs
  • truši
  • hidroksilapatīts
  • trikalcija fosfāts
  • osteoporoze

Field of Science

  • 3.1 Basic medicine

Publication Type

  • 4. Doctoral Thesis

Fingerprint

Dive into the research topics of 'Changes in Bone Structure Following Implantation of Biphasic and Triphasic Strontium Enriched Biomaterials in Animals with Experimental Osteoporosis'. Together they form a unique fingerprint.

Cite this