RU2496150C1 - Method for simulating bone crystallisation in coxarthrosis in vitro - Google Patents
Method for simulating bone crystallisation in coxarthrosis in vitro Download PDFInfo
- Publication number
- RU2496150C1 RU2496150C1 RU2012115045/14A RU2012115045A RU2496150C1 RU 2496150 C1 RU2496150 C1 RU 2496150C1 RU 2012115045/14 A RU2012115045/14 A RU 2012115045/14A RU 2012115045 A RU2012115045 A RU 2012115045A RU 2496150 C1 RU2496150 C1 RU 2496150C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coxarthrosis
- medium
- bone
- synovial fluid
- bone tissue
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники.The field of technology.
Изобретение относится к области экспериментальной медицине, в частности к области травматологии и ортопедии, и конкретно к методам моделирования патологических процессов образования минеральных фаз при костных заболеваниях.The invention relates to the field of experimental medicine, in particular to the field of traumatology and orthopedics, and specifically to methods for modeling pathological processes of formation of mineral phases in bone diseases.
Уровень техники.The level of technology.
Одно из первых мест по тяжелому течению и последствиям среди заболеваний опорно-двигательной системы человека занимает деформирующий артроз тазобедренного сустава (коксартроз). На его долю приходится от 4% до 20% патологии опоры движения, а частота встречаемости составляет от 15 до 17,8 на 10000 взрослого человека, причем увеличивается с возрастом (Сидоренко О.А. Социально-гигиенические особенности заболеваемости и оценка эффективности больных с патологией крупных суставов: Автореф. Дис. … к.м.н. Новосибирск, 2002, 23 с.; Егоров К.С. Прогнозирование соматического состояния пациентов с коксартрозом до и после эндопротезирования тазобедренного сустава: Автореф. Дисс. …к.м.н. СПб., 2010, 30 с.).One of the first places in the severe course and consequences among diseases of the musculoskeletal system of a person is deforming arthrosis of the hip joint (coxarthrosis). It accounts for 4% to 20% of the pathology of motion support, and the frequency of occurrence is from 15 to 17.8 per 10,000 adults, and increases with age (Sidorenko O.A. Socio-hygienic features of the incidence and evaluation of the effectiveness of patients with pathology large joints: Author. Diss. ... Ph.D. Novosibirsk, 2002, 23 pp .; Egorov KS Prediction of the somatic state of patients with coxarthrosis before and after hip replacement: Abstract. Diss. ... Ph.D. St. Petersburg, 2010, 30 p.).
В литературе отсутствует единое мнение о патогенезе дегенеративно-дистрофических изменений при коксартрозе. Исследователи в развитии дегенеративно-дистрофических изменений отводят доминирующую роль разным составляющим тазобедренного сустава: хрящевой ткани (Астапенко М.Г., Баятова В.К. Современное состояние проблемы деформирующего артроза // Ревматология. 1984. №2. С.61.), костной ткани (Sharma L. Local Factors in osteoarthritis // Curr Opin Rheumatol, 2001, V.13, №5, P.44-446; Шацилло О.И. Костно-хрящевая аутопластика в лечении метатуберкулезного коксартроза и асептического некроза головки бедренной кости. Дисс. д.м.н. СПб., 1998, 320 с.), как хрящевой, так и костной тканям (Лунева С.Н. Биохимические изменения в тканях суставов при дегенеративно-дистрофических заболеваниях и способы биологической коррекции. Дисс. … д.б.н. Тюмень: Тюменский гос. университет, 2003, 297 с.), синовиальной жидкости, заполняющей полость сустава (Матвеева Е.Л. Биохимические изменения в синовиальной жидкости при развитии дегенеративно-дистрофических процессов в коленном суставе: Автореф. Дисс. … д.б.н. Тюмень: Тюменский гос. университет, 2007, 24 с.). Незначительно освещен вопрос о состоянии и образовании минеральной и органической компонент межклеточного вещества костной ткани головки бедренной кости при данной патологии.There is no consensus in the literature on the pathogenesis of degenerative-dystrophic changes in coxarthrosis. Researchers in the development of degenerative-dystrophic changes assign a dominant role to different components of the hip joint: cartilage (Astapenko MG, Bayatova VK. The current state of the problem of deforming arthrosis // Rheumatology. 1984. No. 2. P. 61.), Bone tissue (Sharma L. Local Factors in osteoarthritis // Curr Opin Rheumatol, 2001, V.13, No. 5, P.44-446; Shatsillo OI Osteo-cartilaginous autoplasty in the treatment of metatuberculosis coxarthrosis and aseptic necrosis of the femoral head. Diss. MD, St. Petersburg, 1998, 320 pp.), Both cartilage and bone tissue (Luneva S.N. Biokhimiche changes in the tissues of the joints with degenerative-dystrophic diseases and methods of biological correction. Diss ... Dr. Sc. Tyumen: Tyumen State University, 2003, 297 pp.), synovial fluid filling the joint cavity (Matveeva E.L. Biochemical changes in the synovial fluid during the development of degenerative-dystrophic processes in the knee joint: Abstract of thesis ... Biological Sciences Tyumen: Tyumen State. University, 2007, 24 pp.). The issue of the state and formation of the mineral and organic components of the intercellular substance of the bone tissue of the femoral head in this pathology is slightly covered.
На сегодняшний день для исследования патогенеза артроза широкое распространение получили способы моделирования клинической картины на животных путем введения внутрисуставной инъекции (патент RU 2117997 С1, МПК G09B 23/28, 17.11.1994; патент RU 2237928 С2, МПК G09B 23/2, 16.12.2002; заявка на изобретение 2002133907 А, МПК G09B 23/28), создания внешней нагрузки на кость в состоянии наркоза (заявка на изобретение RU 2010124506, МПК G09B 23/28 (2006.01), 15.06.2010). Ценность этих способов не вызывает сомнений, однако, они труднодоступны для широкой клинической практики. Недостатком этих моделей является, то, что они созданы в рамках живого организма животных, что не позволяет исследовать патогенез коксартроза на молекулярном уровне структурной организации костной ткани человека (Königsberger Е., Konigsberger L. Biomineralization - Medical Aspects of Solubility / John Wiley & Sons Ltd. The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England, 2006, 312 p. Weiner S., Addadi L., Wagner H.D. Materials design in biology // Materials Science and Engineering C, 2000, V.11, P.1-8), а именно детально изучить процессы преобразования минеральной (гидроксилапатита) и органической (коллагеновой матрицы) компонент межклеточного вещества костного матрикса, сущности фазообразования при костной минерализации, возможных фазовых переходов и химических превращений с учетом различного состояния биологических жидкостей (межклеточной и синовиальной), контактирующих с костной тканью при коксартрозе. Сложность большинства реальных физико-химических процессов не позволяет решить описанные проблемы в in vivo. Их изучение становиться возможным в искусственно созданной модельной системе, приближенной к физиологической среде.To date, to study the pathogenesis of arthrosis, methods for modeling the clinical picture in animals by introducing intraarticular injection have become widespread (patent RU 2117997 C1, IPC G09B 23/28, 11/17/1994; patent RU 2237928 C2, IPC G09B 23/2, 12/16/2002 ; application for invention 2002133907 A, IPC G09B 23/28), creating an external load on the bone in a state of anesthesia (application for invention RU 2010124506, IPC G09B 23/28 (2006.01), 06/15/2010). The value of these methods is not in doubt, however, they are difficult to access for wide clinical practice. The disadvantage of these models is that they are created within the framework of a living animal organism, which does not allow us to study the pathogenesis of coxarthrosis at the molecular level of the structural organization of human bone tissue (Königsberger E., Konigsberger L. Biomineralization - Medical Aspects of Solubility / John Wiley & Sons Ltd The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England, 2006, 312 p. Weiner S., Addadi L., Wagner HD Materials design in biology // Materials Science and Engineering C, 2000, V.11, P .1-8), namely, to study in detail the processes of conversion of the mineral (hydroxylapatite) and organic (collagen matrix) components of the intercellular substance to deleterious matrix essentially fazoobrazovanija for bone mineralization possible phase transitions and chemical transformations taking into account the various states of biological fluids (intercellular and synovial) in contact with bone tissue in coxarthrosis. The complexity of most real physicochemical processes does not solve the described problems in vivo. Their study becomes possible in an artificially created model system close to the physiological environment.
Известен способ моделирования процесса образования зубного камня, образующегося в результате преципитации из слюны фосфатов и карбонатов кальция и магния в органическую матрицу зубного камня, являющуюся ядром образования. Сущность его заключается в выращивании зубного камня путем помещения здорового зуба в искусственно созданной модельной среде, близкой по составу к ротовой жидкости людей, имеющих зубные отложения (патент RU 2007113160 А, МПК G09B 23/28 (2006.01), 09.04.2007). К преимуществам данного способа относится возможность изучения патологических процессов, протекающих в полости рта человека. Это позволяет выявить причины развития и течения заболевания, следовательно, разработать эффективные методы его лечения.A known method of modeling the process of formation of tartar, formed as a result of precipitation from saliva of phosphates and carbonates of calcium and magnesium into the organic matrix of tartar, which is the core of the formation. Its essence is to grow tartar by placing a healthy tooth in an artificially created model environment similar in composition to the oral fluid of people with dental deposits (patent RU 2007113160 A, IPC G09B 23/28 (2006.01), 04/09/2007). The advantages of this method include the possibility of studying pathological processes in the human oral cavity. This allows you to identify the causes of the development and course of the disease, therefore, to develop effective methods for its treatment.
Основными недостатками этой модели является то, что она позволяет исследовать лишь патологические процессы, протекающие в полости рта человека, в частности, при образовании зубного налета и росте зубного камня. Указанные недостатки связаны с тем, что минералообразующей средой в данном случае выступает смешанная слюна, отличающаяся от суставной синовиальной жидкости широким диапазоном значений pH (5,6-7,6), содержанием всех неорганических ионов, а также наличием в составе хлорид- и роданид ионов (Забросаева Л.И., Козлов Н.Б. Биохимия слюны. Омск, 1992, 44 с.).The main disadvantages of this model is that it allows you to study only pathological processes that occur in the human oral cavity, in particular, with the formation of plaque and growth of tartar. The indicated drawbacks are connected with the fact that the mixed saliva acts in this case as the mineral-forming medium, which differs from the joint synovial fluid in a wide range of pH values (5.6-7.6), in the content of all inorganic ions, and also in the presence of chloride and rhodanide ions in the composition (Zabrosaeva L.I., Kozlov N.B.Biochemistry of saliva. Omsk, 1992, 44 pp.).
Существует способ получения биосовместимых материалов для замещения костной ткани в среде синтетической жидкости (SBF), моделирующей состав плазмы крови человека (Jalota S., Bhaduri S.B., Tas A.C. Using a synthetic body fluid (SBF) solution of 27 mM HCO3 - to make bone substitutes more osteointegrative // Materials Science and Engineering, V.28, 2008, P.129-140). По данному способу синтез биоматериалов осуществлялся путем выдерживания коллагеновых губок (коллаген I типа) в растворе близком по составу и содержанию неорганических ионов к плазме крови человека при физиологических значениях температуры 37°C и pH=7,4 в течение 7 дней. При этом стабилизация pH модельного SBF раствора проводилась при помощи буферной смеси трис-гидрокиметил-аминометана и соляной кислоты (Трис-HCl), что также позволило провести эксперимент при постоянной концентрации одного из важных ионов плазмы крови HCO3 - (27 ммоль/л). Способ позволяет получить композиты коллаген-апатит-фосфат кальция (коллаген-Ap-Cap) с наноразмерами частиц и высокой площадью поверхности, что способствует улучшению остеогенеза при замещении костных дефектов в живом организме. К недостаткам его следует отнести отсутствие возможности изучения различных патологических процессов, протекающих в костных тканях при костных заболеваниях. Данный способ не связывал их течение, в частности костную минерализацию при коксартрозе с изменением состава биологической жидкости (например, влияние концентрации сульфат-ионов), а также не моделировал биологическую систему при костных патологиях.There is a method for producing biocompatible materials to replace bone tissue in a synthetic fluid (SBF) environment that simulates the composition of human blood plasma (Jalota S., Bhaduri SB, Tas AC Using a synthetic body fluid (SBF) solution of 27 mM HCO 3 - to make bone substitutes more osteointegrative // Materials Science and Engineering, V.28, 2008, P.129-140). According to this method, the synthesis of biomaterials was carried out by holding collagen sponges (type I collagen) in a solution similar in composition and inorganic ion content to human plasma at physiological temperatures of 37 ° C and pH = 7.4 for 7 days. In this case, the stabilization of the pH of the model SBF solution was carried out using a buffer mixture of Tris-hydroxymethyl-aminomethane and hydrochloric acid (Tris-HCl), which also made it possible to conduct an experiment at a constant concentration of one of the important plasma ions HCO 3 - (27 mmol / L). The method allows to obtain collagen-apatite-calcium phosphate (collagen-Ap-Cap) composites with nanosized particles and a high surface area, which helps to improve osteogenesis when replacing bone defects in a living organism. Its disadvantages include the lack of the ability to study various pathological processes that occur in bone tissue with bone diseases. This method did not associate their course, in particular, bone mineralization during coxarthrosis with a change in the composition of the biological fluid (for example, the effect of the concentration of sulfate ions), and also did not simulate the biological system in bone pathologies.
Задачей заявляемого изобретения является разработка способа экспериментального моделирования процесса патологической костной минерализации в суставах при коксартрозе, выявление условий, способствующих осаждению минеральных фаз (отличных по составу от костной ткани) в суставной синовиальной жидкости человека с целью выработки рациональных профилактических, диагностических и лечебно-восстановительных мер по предотвращению и развитию данного заболевания.The objective of the invention is to develop a method for experimental modeling of pathological bone mineralization in joints with coxarthrosis, identifying conditions conducive to the deposition of mineral phases (different in composition from bone tissue) in the joint synovial fluid in order to develop rational preventive, diagnostic and therapeutic measures prevention and development of this disease.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе моделирования костной минерализации при коксартрозе в in vitro, используя литературные данные по электролитному составу и pH синовиальной жидкости у людей больных коксартрозом и людей, не имеющих костных патологий (контрольная группа) (Матвеева E.Л. Биохимические изменения в синовиальной жидкости при развитии дегенеративно-дистрофических процессов в коленном суставе: Автореф. Дисс. … д.б.н. Тюмень: Тюменский гос. университет, 2007, 24 с.; Кирсанов А.И., Долгодворов А.Ф., Леонтьев В.Г., Горбачева И.А., Романова В.Д.. Величко Л.С., Александров В.В. Концентрация химических элементов в разных биологических средах // Клиническая лабораторная диагностика, 2001, №3, С.16-20), проводят термодинамическую оценку вероятности образования малорастворимых соединений; осаждение которых гипотетически возможно в данной биологической среде при минимальных, средних и максимальных концентрациях ионов в широком интервале близком к физиологическим значениям pH=7,00-8,00, устанавливают достоверные отличия состава и последовательности образующихся минеральных фаз из синовиальной жидкости у людей больных коксартрозом и лиц контрольной группы, выявляют значимые параметры, которые способствуют протеканию минерализации в синовиальной жидкости у людей при данном заболевании, на основании полученных данных создают модельные среды и проводят наблюдение в течение длительного времени. Экспериментальное моделирование выполняют при значениях pH и ионной силе раствора, соответствующих синовиальной жидкости группы здоровых людей (pH=7,40±0,05), и отклонениях в щелочную сторону у лиц больных коксартрозом (pH=7,60±0,05 и pH=7,80±0,05). Модельные среды отличаются друг от друга также содержанием осадкообразующих ионов кальция и неорганического фосфора. Создают три модельные среды следующего состава: 1. CaCl2 - 1.3431 г/л, Na2HPO4·12H2O - 7.4822 г/л, MgCl2·6H2O - 0.4764 г/л, NaHCO3 - 2.2680 г/л, Na2SO4 - 1.6188 г/л, KCl - 0.3427 г/л, NaCl - 2.8798 г/л; 2. CaCl2 - 1.2432 г/л, Na2HPO4·12H2O - 6.9452 г/л, NaCl - 2.8798 г/л, другие вещества как в модельной среде 1; 3. CaCl2 - 1.1766 г/л, Na2HPO4·12H2O - 6.5514 г/л, NaCl - 3.1892 г/л, другие вещества как в модельной среде 1 и 2. Через месяц в модельных системах 1 и 2 образуется плохо окристаллизованный гидроксилапатит с примесями разных неорганических фаз, а в модельной системе 3 - гидроксилапатит, близкий по составу к апатиту межклеточного вещества (матрикса) костной ткани людей больных коксартрозом.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of modeling bone mineralization in coxarthrosis in vitro, using literature data on the electrolyte composition and pH of synovial fluid in people with coxarthrosis and people who have no bone pathologies (control group) (Matveeva E.L. Biochemical changes in the synovial fluid during the development of degenerative-dystrophic processes in the knee joint: Abstract of Diss. ... Dr. Tyumen: Tyumen State University, 2007, 24 pp .; Kirsanov A.I., Dolgodvorov A.F. Leontiev V.G., Gore Bacheva I.A., Romanova V.D. Velichko L.S., Aleksandrov V.V. Concentration of chemical elements in different biological media // Clinical Laboratory Diagnostics, 2001, No. 3, S.16-20), conduct thermodynamic assessment of the probability of formation of sparingly soluble compounds; the deposition of which is hypothetically possible in this biological medium at minimum, average and maximum ion concentrations in a wide range close to physiological pH = 7.00-8.00, establish significant differences in the composition and sequence of the formed mineral phases from synovial fluid in people with coxarthrosis and persons of the control group, identify significant parameters that contribute to the flow of mineralization in the synovial fluid in people with this disease, based on the data obtained, t modeling environment and observed for a long time. Experimental modeling is performed at pH values and ionic strength of the solution corresponding to the synovial fluid of a group of healthy people (pH = 7.40 ± 0.05), and alkaline deviations in patients with coxarthrosis (pH = 7.60 ± 0.05 and pH = 7.80 ± 0.05). Model media also differ from each other in the content of precipitating calcium ions and inorganic phosphorus. Three model media of the following composition are created: 1. CaCl 2 - 1.3431 g / l, Na 2 HPO 4 · 12H 2 O - 7.4822 g / l, MgCl 2 · 6H 2 O - 0.4764 g / l, NaHCO 3 - 2.2680 g / l , Na 2 SO 4 - 1.6188 g / l, KCl - 0.3427 g / l, NaCl - 2.8798 g / l; 2. CaCl 2 - 1.2432 g / l, Na 2 HPO 4 · 12H 2 O - 6.9452 g / l, NaCl - 2.8798 g / l, other substances as in
Способ поясняется иллюстрациями:The method is illustrated by illustrations:
фигура 1 - схема модельного эксперимента in vitro;figure 1 is a diagram of a model experiment in vitro;
фигура 2 - зависимость индексов пересыщения от рН раствора для средних значений диапазона концентраций синовиальной жидкости малорастворимых соединений: Са10(PO4)6(ОН)2 (1); β - Са3(PO4)2 (2); MgHPO4·3H2O (3); CaHPO4·2H2O (4); Ca4H(PO4)3·2.5 H2O (5); СаСО3 - кальцит (6); CaCO3 - арагонит (7); α - Са3(PO4)2 (8);figure 2 - the dependence of the supersaturation indices on the pH of the solution for the average concentration range of the synovial fluid of sparingly soluble compounds: Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (1); β - Ca 3 (PO 4 ) 2 (2); MgHPO 4 · 3H 2 O (3); CaHPO 4 · 2H 2 O (4); Ca 4 H (PO 4 ) 3 · 2.5 H 2 O (5); CaCO 3 - calcite (6); CaCO 3 - aragonite (7); α - Ca 3 (PO 4 ) 2 (8);
фигура 3 - зависимость изменения энергий Гиббса кристаллизации от pH раствора для средних значений диапазона концентраций синовиальной жидкости малорастворимых соединений: Са10(РО4)6(ОН)2 (1); β - Са3(PO4)2 (2); MgHPO4·3H2O (3); CaHPO4·2H2O (4); Са4Н(PO4)3·2.5 H2O (5); CaCO3 - кальцит (6); CaCO3 - арагонит (7); α - Са3(PO4)2 (8);figure 3 - dependence of the change in Gibbs energy of crystallization from the pH of the solution for the average concentration range of the synovial fluid of sparingly soluble compounds: Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (1); β - Ca 3 (PO 4 ) 2 (2); MgHPO 4 · 3H 2 O (3); CaHPO 4 · 2H 2 O (4); Ca 4 N (PO 4 ) 3 · 2.5 H 2 O (5); CaCO 3 - calcite (6); CaCO 3 - aragonite (7); α - Ca 3 (PO 4 ) 2 (8);
фигура 4 - дифрактограммы образцов, синтезированных при pH=7,4 (1); 7,6 (2); 7,8 (3).figure 4 - diffraction patterns of samples synthesized at pH = 7.4 (1); 7.6 (2); 7.8 (3).
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
Для оценки возможности образования труднорастворимого соединения из прототипов синовиальной жидкости проведены термодинамические расчеты индексов пересыщения (SI) [Mullin J.W. Crystallization. Butterworth-Heinemann. Oxford, 1993, P.118-122] и изменений энергий Гиббса кристаллизации (ΔG) [Koutsopoulos S. Hydroxyapatite crystallization in the presence of serine, tyrosine and hydroxyproline amino acids with polar side groups / S. Koutsopoulos, E. Dalas // Journal of Crystal Growth, 2000, №216, P.443-449] для малорастворимых вещест, образование которых гипотетически возможно в модельных системах Са10(РО4)6(ОН)2 (гидроксилапатит), β - Са3(РО4)2 (витлокит), Са4Н(РО4)3·2,5Н2О (октакальция фосфат), α - Са3(РО4)2, MgHPO4·3H2O (ньюбериит), MgCO3·3H2O, Mg3(PO4)2, CaSO4, СаНРО4·2Н2О (брушит), СаСО3 (кальцит), СаСО3 (арагонит), Са(Н2РО4)2·Н2О и Са(Н2РО4)2.To assess the possibility of formation of a sparingly soluble compound from synovial fluid prototypes, thermodynamic calculations of supersaturation indices (SI) were performed [Mullin JW Crystallization. Butterworth-Heinemann. Oxford, 1993, P.118-122] and changes in Gibbs crystallization energies (ΔG) [Koutsopoulos S. Hydroxyapatite crystallization in the presence of serine, tyrosine and hydroxyproline amino acids with polar side groups / S. Koutsopoulos, E. Dalas // Journal of Crystal Growth, 2000, No. 216, P.443-449] for sparingly soluble substances, the formation of which is hypothetically possible in model systems Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (hydroxylapatite), β - Ca 3 (PO 4 ) 2 (vitlocite), Ca 4 N (PO 4 ) 3 · 2.5H 2 O (octalcium phosphate), α - Ca 3 (PO 4 ) 2 , MgHPO 4 · 3H 2 O (nuberite), MgCO 3 · 3H 2 O, Mg 3 (PO 4 ) 2 , CaSO 4 , CaHCO 4 · 2H 2 O (brushite), CaCO 3 (calcite), CaCO 3 (aragonite), Ca (H 2 PO 4 ) 2 · N 2 O and Ca (H 2 PO 4 ) 2 .
Согласно результатам проведенных расчетов установлено, что в исследуемом диапазоне pH в прототипах синовиальной жидкости термодинамически возможно образование следующих соединений (табл.1): Са10(РО4)6(ОН)2, β - Са3(РО4)2, MgHPO4·3H2O, Са4Н(РО4)3·2.5Н2О, СаНРО4·2Н2О, СаСО3 - кальцит, СаСО3 - арагонит, α - Ca3(PO4)2. При этом для каждой системы значения pH начала осаждения твердых фаз различны.According to the results of the calculations, it was found that in the pH range under study in the synovial fluid prototypes the formation of the following compounds is possible thermodynamically (Table 1): Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 , β - Ca 3 (PO 4 ) 2 , MgHPO 4 3H 2 O, Ca 4 N (PO 4 ) 3 · 2.5H 2 O, CaNRO 4 · 2H 2 O, CaCO 3 - calcite, CaCO 3 - aragonite, α - Ca 3 (PO 4 ) 2 . Moreover, for each system, the pH of the onset of solid phase deposition is different.
0,330.01-
0.33
Для наглядного сопоставления индексов пересыщения и изменений энергий Гиббса кристаллизации для трех модельных систем при соответствующих значениях pH=7,4; pH=7,6 и pH=7,8 в рамках единого координатного пространства строились графические функциональные зависимости вида SI=ƒ(pH) и ΔG=ƒ(pH) (фиг.2, 3). Установлено, что наибольшая термодинамическая вероятность образования в прототипах синовиальной жидкости характерна для гидроксилапатита, который является основным компонентом межклеточного вещества костной ткани человека. Величины термодинамических параметров (SI и ΔG) данной малорастворимой фазы отличаются от других в 1,6 и более раз, что в большей степени проявляется при большем значении pH=7,8 (табл.1).For a visual comparison of supersaturation indices and changes in Gibbs crystallization energies for three model systems at corresponding pH values of 7.4; pH = 7.6 and pH = 7.8 within the framework of a single coordinate space, graphical functional dependencies of the form SI = ƒ (pH) and ΔG = ƒ (pH) were constructed (Figs. 2, 3). It has been established that the greatest thermodynamic probability of synovial fluid formation in prototypes is characteristic of hydroxylapatite, which is the main component of the intercellular substance of human bone tissue. The values of the thermodynamic parameters (SI and ΔG) of this poorly soluble phase differ from others by 1.6 or more times, which manifests itself to a greater extent at a higher pH = 7.8 (Table 1).
Из данных фиг.2 и фиг.3 следует, что в модельных условиях устойчивой фазой является витлокит β-Са3(PO4)2, который в костной минерализации выступает фазой-предшественником образования гидрокислапатита. При этом осаждение α-Са3(PO4)2 и карбонатов кальция маловероятно, остальные соединения обладают промежуточной устойчивостью и степень их участия в формировании неорганической компоненты межклеточного матрикса костной ткани зависит от концентрации осадкообразующих ионов, ионной силы, кислотности моделируемой среды.From the data of FIG. 2 and FIG. 3, it follows that under model conditions, the vitlokite β-Ca 3 (PO 4 ) 2 is a stable phase, which in bone mineralization acts as a precursor phase for the formation of hydroxylapatite. In this case, the precipitation of α-Ca 3 (PO 4 ) 2 and calcium carbonates is unlikely, the remaining compounds are intermediate stable and the degree of their participation in the formation of the inorganic component of the intercellular matrix of bone tissue depends on the concentration of precipitating ions, ionic strength, acidity of the simulated medium.
При pH=7,40±0,05 модельного раствора термодинамическая вероятность образования убывает в ряду MgHPO4·3H2O>Са4Н(PO4)3·2.5H2O>CaHPO4-2H2O и аналогична для всего рассматриваемого диапазона концентраций (табл.2). Это указывает, на то, что при данном значении pH среды влиянием ионной силы можно пренебречь.At pH = 7.40 ± 0.05 of the model solution, the thermodynamic probability of formation decreases in the order MgHPO 4 · 3H 2 O> Ca 4 N (PO 4 ) 3 · 2.5H 2 O> CaHPO 4 -2H 2 O and is similar for the whole concentration range (table 2). This indicates that at a given pH of the medium, the influence of ionic strength can be neglected.
С увеличением pH растворов наибольшую термодинамическую устойчивость приобретают фазы, в анионах которых отсутствуют или присутствуют в меньших количествах ионы водорода. Так, при минимальных концентрациях ионов pH=7,60±0,05 фазой предшествующей осаждению ньюбериита является октакальция фосфат, а ньюбериита - брушит: Са4Н(PO4)3·2.5H2O>MgHPO4·3H2O>CaHPO4·2H2O. При pH=7,80±0,05 данная закономерность прослеживается более четко.With an increase in the pH of solutions, the phases with the highest hydrogen density become the most thermodynamically stable. So, at minimum ion concentrations pH = 7.60 ± 0.05, the phase preceding the precipitation of nyuberite is octacalcium phosphate, and nuberite is brushite: Ca 4 N (PO 4 ) 3 · 2.5H 2 O> MgHPO 4 · 3H 2 O> CaHPO 4 · 2H 2 O. At pH = 7.80 ± 0.05, this pattern can be traced more clearly.
С увеличением концентраций ионов в обоих случаях, возрастают силы межионного отталкивания, что приводит к уменьшению коэффициентов активностей и возрастанию вероятности образования наиболее растворимой и термодинамически неустойчивой фазы. Вслед за осаждением Са4Н(PO4)3·2.5H2O отмечается последовательное образование соединений, растворимость которых уменьшается в ряду: MgHPO4·3H2O>CaHPO4·2H2O (табл.2, фиг.2).With increasing ion concentrations in both cases, the forces of interionic repulsion increase, which leads to a decrease in activity coefficients and an increase in the probability of the formation of the most soluble and thermodynamically unstable phase. Following the precipitation of Ca 4 H (PO 4 ) 3 · 2.5H 2 O, successive formation of compounds is noted, the solubility of which decreases in the order: MgHPO 4 · 3H 2 O> CaHPO 4 · 2H 2 O (Table 2, FIG. 2).
Можно предположить, что ключевыми параметрами, которые могут способствовать минерализации в суставной синовиальной жидкости при коксартрозе и, следовательно, развитию данного заболевания являются повышение pH, ионной силы и концентрации осадкообразующих ионов. В этом случае создаются оптимальные условия для образования гидроксилапатита - основной минеральной компоненты межклеточного матрикса костных тканей человека.It can be assumed that the key parameters that can contribute to mineralization in the joint synovial fluid during coxarthrosis and, consequently, the development of this disease are an increase in pH, ionic strength and concentration of precipitating ions. In this case, optimal conditions are created for the formation of hydroxylapatite, the main mineral component of the intercellular matrix of human bone tissues.
Таким образом, установлены факторы, способствующие отклонению параметров синовиальной жидкости от нормы и образованию минеральных фаз в костной ткани суставов с участием этой биологической среды.Thus, factors are established that contribute to the deviation of the synovial fluid parameters from the norm and the formation of mineral phases in the bone tissue of the joints with the participation of this biological medium.
Далее для подтверждения результатов термодинамических расчетных осуществили постановку модельного эксперимента. Модельными системами являлись прототипы синовиальной жидкости со средним значением концентраций неорганических ионов при трех значениях pH, соответствующих группе здоровых людей (pH=7,4) и пациентов больных коксартрозом (pH=7,6 и pH=7,8).Then, to confirm the results of thermodynamic calculation, a model experiment was carried out. Model systems were synovial fluid prototypes with an average concentration of inorganic ions at three pH values corresponding to a group of healthy people (pH = 7.4) and patients with coxarthrosis (pH = 7.6 and pH = 7.8).
Для приготовления модельных растворов использовались соли марки ч.д.а, х.ч. и дистиллированная вода. Соли и их количество подбирались таким образом, чтобы концентрации их ионов в растворе и ионная сила были максимально приближены к данным параметрам моделируемой системы, а именно синовиальной жидкости. При этом полученная ионная сила отличалась от исходного значения не более чем на 0,03. Для каждой серии экспериментов подготовлены растворы, содержащие катионы и анионы, при совместном присутствии которых в данных условиях не образуются малорастворимые соединения (рабочий раствор 1 и 2, фиг.1). После смешения эквивалентных объемов растворов в мерной колбе проводили корректировку достижения заданных значений ионной силы добавлением определенной массы навески кристаллического NaCl и доводили дистиллированной водой до метки. Полученный раствор с pH=7,50±0,05 переливали в коническую колбу с притертой пробкой и корректировали pH до требуемых физиологических значений путем добавления 20%-ного раствора NaOH или концентрированной HCl. С целью предотвращения уменьшения концентрации в растворе карбонат ионов (за счет гидролиза в кислой среде), необходимое количество NaHCO3 добавляли при рН 5,5-6,0. Колбы с готовыми растворами состава: 1. CaCl2 - 1.3431 г/л, Na2HPO4 12H2O - 7.4822 г/л, MgCl2 6H2O - 0.4764 г/л, NaHCO3 - 2.2680 г/л, Na2SO4 - 1.6188 г/л, KCl - 0.3427 г/л, NaCl - 2.8798 г/л; 2. CaCl2 - 1.2432 г/л, Na2HPO4·12H2O - 6.9452 г/л, NaCl - 2.8798 г/л, другие вещества как в модельной среде 1; 3. CaCl2 -1.1766 г/л. Na2HPO4·12H2O - 6.5514 г/л, NaCl - 3.1892 г/л, другие вещества, как в модельной среде 1 и 2.For the preparation of model solutions, salts of the grade of analytical grade and chemical grade were used. and distilled water. Salts and their amount were selected so that the concentration of their ions in solution and ionic strength were as close as possible to these parameters of the simulated system, namely, the synovial fluid. In this case, the obtained ionic strength differed from the initial value by no more than 0.03. For each series of experiments, solutions were prepared containing cations and anions, with the joint presence of which under these conditions poorly soluble compounds are formed (working
Закрывали пробками и оставляли для кристаллизации при комнатной температуре на 30 суток.Covered with stoppers and left to crystallize at room temperature for 30 days.
Для установления фазового и химического состава полученных твердых фаз были использованы методы рентгенофазового анализа (РФА), ИК-спектроскопии и методы химического анализа. Количественное определение катионов и анионов в твердой фазе осуществлялось методом остаточных концентраций по разности начальных и конечных концентраций осадкообразующих ионов в модельном растворе, где анализировалось содержание ионов Са2+, Mg2+ и неорганического фосфора. Определение концентраций Са2+ и Mg2+ осуществлялось согласно РД 52.24.403-2007 [РД 52.24.403-2007. Массовая концентрация кальция в водах. Методика выполнения измерений титриметрическим методом с трилоном Б], а неорганического фосфора - на основании ГОСТ 18309-72 [ГОСТ 18309-72. Вода питьевая. Метод определения содержания полифосфатов].To determine the phase and chemical composition of the obtained solid phases, X-ray phase analysis (XRD), IR spectroscopy, and chemical analysis methods were used. The quantitative determination of cations and anions in the solid phase was carried out by the method of residual concentrations by the difference between the initial and final concentrations of precipitating ions in the model solution, where the content of Ca 2+ , Mg 2+ and inorganic phosphorus ions was analyzed. The concentrations of Ca 2+ and Mg 2+ were determined according to RD 52.24.403-2007 [RD 52.24.403-2007. Mass concentration of calcium in water. The measurement procedure by the titrimetric method with Trilon B], and inorganic phosphorus based on GOST 18309-72 [GOST 18309-72. Drinking water. Method for determination of polyphosphate content].
Анализ твердых фаз, полученных в ходе моделирования при средних электролитных концентрациях и физиологических значениях pH синовиальной жидкости, подтверждает данные термодинамических расчетов. На рентгенограммах образцов (фиг.4) основной минеральной компонентой является термодинамически стабильная фаза - гидроксилапатит.Analysis of the solid phases obtained during the simulation at medium electrolyte concentrations and physiological pH values of the synovial fluid confirms the data of thermodynamic calculations. On x-ray samples (figure 4), the main mineral component is a thermodynamically stable phase - hydroxylapatite.
При pH=7,4 отмечается присутствие примесных малорастворимых соединений: Са4Н(PO4)3·2.5H2O, MgHPO4·3H2O, CaHPO4·2H2O, β - Са3(PO4)2. С ростом pH их содержание уменьшается и при рН=7,8±0,05 кристаллической составляющей осадков выступает гидроксилапатит. Поэтому можно предположить, что помимо β - Са3(PO4)2, участвующего в костной минерализации фазами-предшественниками образования гидроксилапатита при коксартрозе, могут выступать такие фосфаты кальция, как октакальций фосфат и брушит. Карбонаты кальция на дифрактограммах отсутствуют, причинами чего могут являться небольшие индексы пересыщения этих соединений и малая термодинамическая устойчивость. Данные карбонаты могут выступать источником ионизированных ионов
Обработка данных химического анализа показала (табл.3), что наиболее близким к стехиометрическому (Са/Р=1,67) является осадок, кристаллизация которого проходила при pH=7,80±0,05. Данная величина pH соответствует крайнему значению кислотности синовиальной жидкости при коксартрозе.Processing of chemical analysis data showed (Table 3) that the precipitate closest to stoichiometric (Ca / P = 1.67) is crystallization at pH = 7.80 ± 0.05. This pH value corresponds to the extreme value of the acidity of the synovial fluid during coxarthrosis.
Коэффициент Ca/Р полученного соединения минимальный, a Mg/Ca меньше по сравнению с другими в 6-8 раз. Это указывает, на то, что практически все ионы магния остались в растворе и не участвовали в образовании твердой фазы. При этом величина атомного соотношения Ca и Р осадка соответствует значению коэффициента Ca/Р, полученного нами при исследовании костных тканей людей больных кокартрозом, т.е. предложенная модельная система позволяет воспроизвести условия, при которых происходит минерализация с участием синовиальной жидкости человека.The Ca / P coefficient of the obtained compound is minimal, and Mg / Ca is 6-8 times lower than the others. This indicates that almost all magnesium ions remained in solution and did not participate in the formation of a solid phase. In this case, the atomic ratio of the Ca and P sediment corresponds to the value of the Ca / P coefficient obtained by us in the study of bone tissues of people with cocartrosis, i.e. the proposed model system allows reproducing the conditions under which mineralization occurs with the participation of human synovial fluid.
Таким образом, заявляемый способ позволяет в модельных условиях выявить параметры, которые при отклонении от нормы приводят к минерализации в костных тканях сустава с участием синовиальной жидкости, и создать модельную систему, с помощью которой можно изучать эффективность воздействия лекарственных препаратов для профилактики и лечения коксартроза.Thus, the inventive method allows in model conditions to identify parameters that, when deviated from the norm, lead to mineralization in the bone tissue of the joint with synovial fluid, and create a model system with which you can study the effectiveness of the effects of drugs for the prevention and treatment of coxarthrosis.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012115045/14A RU2496150C1 (en) | 2012-04-16 | 2012-04-16 | Method for simulating bone crystallisation in coxarthrosis in vitro |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012115045/14A RU2496150C1 (en) | 2012-04-16 | 2012-04-16 | Method for simulating bone crystallisation in coxarthrosis in vitro |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2496150C1 true RU2496150C1 (en) | 2013-10-20 |
Family
ID=49357287
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012115045/14A RU2496150C1 (en) | 2012-04-16 | 2012-04-16 | Method for simulating bone crystallisation in coxarthrosis in vitro |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2496150C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2626604C1 (en) * | 2016-08-01 | 2017-07-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" | Method for production of silicon-containing biomimetic calcium-phosphate coating on titanium alloys from human interstitial fluid model solutions |
RU2626717C1 (en) * | 2016-04-28 | 2017-07-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО ОрГМУ Минздрава России) | Method for epithelial mesenchymal transformation of tumour epithelium during experimental gastric cancer |
RU2702991C1 (en) * | 2018-08-10 | 2019-10-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" | Method of producing biomimetic calcium-phosphate gelatin-modified coating on titanium alloys from a model solution of human intercellular fluid |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7208166B2 (en) * | 2001-01-05 | 2007-04-24 | Societe De Conseils De Recherches Et D'applications Scientifiques Sas | Use of botuline toxin to obtain a product to be used in articular pathologies, particularly coxarthrosis, epicondylitis and rotator muscle cap pathology |
RU2398288C1 (en) * | 2008-12-05 | 2010-08-27 | Федеральное государственное учреждение "Российский научный центр "Восстановительная травматология и ортопедия" имени академика Г.А. Илизарова Федерального агентства по высокотехнологичной медицинской помощи" | Method of modelling post-traumatic coxarthrosis |
-
2012
- 2012-04-16 RU RU2012115045/14A patent/RU2496150C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7208166B2 (en) * | 2001-01-05 | 2007-04-24 | Societe De Conseils De Recherches Et D'applications Scientifiques Sas | Use of botuline toxin to obtain a product to be used in articular pathologies, particularly coxarthrosis, epicondylitis and rotator muscle cap pathology |
RU2398288C1 (en) * | 2008-12-05 | 2010-08-27 | Федеральное государственное учреждение "Российский научный центр "Восстановительная травматология и ортопедия" имени академика Г.А. Илизарова Федерального агентства по высокотехнологичной медицинской помощи" | Method of modelling post-traumatic coxarthrosis |
Non-Patent Citations (5)
Title |
---|
BUCHHOLZ HW, Early experiences with the total mini hip-joint endoprosthesis (St. George Mini model) in dysplasia coxarthrosis Z Orthop Ihre Grenzgeb. 1985 Sep-Oct; 123(5):829-36. * |
КАРЯКИНАЕ.В. и др. Особенности ремоделирования костной ткани при воспалительных и дегенеративных заболеваниях тазобедренного сустава. - Саратовский научно-медицинский журнал, 2009, том: 5 Номер выпуска: 2-2, Найдено в Интернетt http://webcache.googleusercontent.com/search?hд=ru&q=cache:43nXtC6WkewJ:http://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-remodelirovaniya-kostnoy-tkani-pri-vospalitelnyh-i-degenerativnyh-zabolevaniyah-tazobedrennogo-sustava. * |
КОЛОСОВА Н.Г. Особенности минерализации костной ткани преждевременно стареющих крыс OXYS/ - Бюл. эксперим. биологии и медицины, 2002, т.133, 2, с.203-206. * |
ЛЕМЕШЕВА С.А. Химический состав, свойства костного апатита и его аналогов, 2009, Реферун, Найдено в Интернете 19.03.2013 http://webcache. googleusercontent.com/search?hl=ru&q=cache:SfKLSK4jmB4J : http://www. referun.com/n/himicheskiy-sostav-svoystva-kostnogo-apatita-i-ego-analogov. * |
ЛЕМЕШЕВА С.А. Химический состав, свойства костного апатита и его аналогов, 2009, Реферун, Найдено в Интернете 19.03.2013 http://webcache. googleusercontent.com/search?hl=ru&q=cache:SfKLSK4jmB4J:http://www. referun.com/n/himicheskiy-sostav-svoystva-kostnogo-apatita-i-ego-analogov. КАРЯКИНА Е.В. и др. Особенности ремоделирования костной ткани при воспалительных и дегенеративных заболеваниях тазобедренного сустава. - Саратовский научно-медицинский журнал, 2009, том: 5 Номер выпуска: 2-2, Найдено в Интернетt http://webcache.googleusercontent.com/search?hд=ru&q=cache:43nXtC6WkewJ:http://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-remodelirovaniya-kostnoy-tkani-pri-vospalitelnyh-i-degenerativnyh-zabolevaniyah-tazobedrennogo-sustava. КОЛОСОВА Н.Г. Особенности минерализации костной ткани преждевременно стареющих крыс OXYS/ - Бюл. эксперим. биологии и медицины, 2002, т.133, №2, с.203-206. BUCHHOLZ HW, Early experiences with the total mini hip-joint endoprosthesis (St. George Mini model) in dysplasia * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2626717C1 (en) * | 2016-04-28 | 2017-07-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО ОрГМУ Минздрава России) | Method for epithelial mesenchymal transformation of tumour epithelium during experimental gastric cancer |
RU2626604C1 (en) * | 2016-08-01 | 2017-07-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" | Method for production of silicon-containing biomimetic calcium-phosphate coating on titanium alloys from human interstitial fluid model solutions |
RU2702991C1 (en) * | 2018-08-10 | 2019-10-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" | Method of producing biomimetic calcium-phosphate gelatin-modified coating on titanium alloys from a model solution of human intercellular fluid |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Busch et al. | Morphogenesis and structure of human teeth in relation to biomimetically grown fluorapatite− gelatine composites | |
Dorozhkin | Calcium orthophosphates in nature, biology and medicine | |
LeGeros | Formation and transformation of calcium phosphates: relevance to vascular calcification | |
JP5960051B2 (en) | Ion-substituted calcium phosphate particles | |
US10806827B2 (en) | Controlled and tunable precipitation of biomimetic apatites via in situ mineralization of an organic polymeric matrix | |
Neues et al. | X-ray microcomputer tomography for the study of biomineralized endo-and exoskeletons of animals | |
RU2496150C1 (en) | Method for simulating bone crystallisation in coxarthrosis in vitro | |
Zhong et al. | Contemporary research findings on dentine remineralization | |
JP2018164734A (en) | Orthopedic implant having crystalline gallium-containing hydroxyapatite coating and methods for producing the same | |
RU2432620C1 (en) | Method of analysis of calculus formation sensitivity to glucose | |
O’Kell et al. | Development of a two-stage model system to investigate the mineralization mechanisms involved in idiopathic stone formation: stage 2 in vivo studies of stone growth on biomimetic Randall’s plaque | |
Yu et al. | Osseointegration of titanium dental implant under fluoride exposure in rabbits: Micro‐CT and histomorphometry study | |
Słota et al. | Ceramic-polymer coatings on Ti-6Al-4V alloy modified with L-cysteine in biomedical applications | |
Yu et al. | Organized assembly of fluorapatite nanorods controlled by amelotin: implications for enamel regeneration | |
CN104093429A (en) | Membrane for inducing regeneration of bone/tissue, and method for producing same | |
RU2526191C1 (en) | Method of obtaining carbonatehydroxylapatite from model solution of human synovial fluid | |
Golovanova | Experimental Modeling of Formation of the Basic Mineral Phases of Calcifications | |
Zhibarev et al. | Synthesis of hydroxyapatite for bioactive coatings | |
Guimarães et al. | Histomorphometric evaluation of calcium phosphate bone grafts on bone repair | |
Izmailov et al. | Crystallization specifics of carbonate-hydroxylapatite in the presence of strontium-containing agents | |
RU2616251C2 (en) | Method for simulation of calculus formation process from dental deposition solution analogue | |
RU2640924C1 (en) | METHOD FOR BIOMIMETIC SYNTHESIS OF Sr-CONTAINING CARBONATED HYDROXYL-APATITE, MODIFIED BY BRUSHITE | |
Elumalai et al. | Remineralizing effect of zinc reinforced synthetic nano-hydroxyapatite on caries-like lesion in human permanent teeth-An in vitro study. | |
Kusumawati et al. | Vitamin D3 effect on the micro-crystal phase and atomic mineral content of bone: incidence of spinal malformation in Epinephelus fuscoguttatus X Epinephelus polyphekadion hybrid grouper juveniles. | |
Klop | Linking changes in mineral chemistry to reactivity: a study on carbonate incorporation in synthetic hydroxyapatite and its effect on solubility. |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160417 |