Остеоартрит (ОА) — одно из наиболее распространенных и социально значимых заболеваний опорно-двигательного аппарата, представляющее собой прогрессирующее, мультифакторное поражение соединительной ткани, ведущее к нарушению кинематического баланса скелета. Он сопровождается острой и хронической болью, ограничением подвижности и высокой вероятностью инвалидизации, особенно среди лиц пожилого возраста. Согласно данным ВОЗ, от симптоматического ОА страдают более 240 млн человек, и эта цифра продолжает неуклонно расти с увеличением продолжительности жизни [1, 2]. Современное представление о патогенезе ОА выходит за рамки локального поражения суставного хряща. Сегодня это заболевание рассматривают как системное нарушение биомеханики и метаболизма соединительной ткани, при котором страдают все компоненты сустава: хрящ, субхондральная кость, синовиальная оболочка, связки, капсула и околосуставные мышцы [3, 4]. Центральным элементом становится дисбаланс между адаптационными и деструктивными процессами, возникающий под действием перегрузки, воспаления и нарушений тканевого гомеостаза [5]. В последние годы особое внимание уделяют субхондральной кости как ключевому звену патогенеза ОА. Выявлено, что нарушения ее структуры — в том числе остеосклероз, остеопороз, субхондральные микротрещины и ремоделирование трабекул — могут предшествовать дегенерации хряща и существенно влиять на прогрессирование заболевания [6–8]. Эти изменения рассматривают как следствие хронической перегрузки и нарушений механотрансдукции в условиях нестабильного биомеханического равновесия.

Одним из ключевых звеньев патогенеза ОА является структурная несостоятельность субхондральной кости, которая выполняет роль не только биомеханической опоры хряща, но и регулятора обменных процессов [9]. Постадийное развитие заболевания клинически проявляется комплексом склеротических, остеопоротических и остеолитических процессов. Их одновременное присутствие формирует гетерогенную морфологическую картину, отражающую столкновение компенсаторных и деструктивных изменений. Эти трансформации не ограничиваются анатомией: они связаны с нарушением кинематических связей, изменением вектора силовых нагрузок и, как следствие, клинической манифестацией боли и дисфункции [10].

Биомеханический аспект ОА приобретает ключевое значение в связи с галопирующим развитием синдрома гиперпрессии. Сустав функционирует как единая система, поддерживающая кинематический баланс благодаря жидкокристаллической организации соединительной ткани [11]. Нарушение этого равновесия ведет к перегрузке отдельных компонентов и запускает каскад деструктивно-дистрофических реакций. Меняющаяся картина внутритканевого напряжения угнетает роль клеток механостатов. Дисбаланс жидкокристаллической организации приводит к гибели механоцитов.

Визуализация и количественная оценка этих процессов стали возможны благодаря современным гистологическим и морфометрическим методам. Анализ тонких срезов субхондральной кости с применением цифровых технологий позволяет выявлять изменения на микроуровне, включая перестройку трабекулярной архитектуры, субхондральный склероз, остеофитоз и остеолиз. Эти данные позволяют не только уточнить диагноз, но и оценить стадию заболевания, спрогнозировать его течение и адаптационные ресурсы макроорганизма [12].

В связи с этим возрастает значение интегративного, многофакторного подхода, сочетающего биомеханику, морфологию и клиническую оценку. Только в рамках такой модели можно понять истинную природу ОА — не как локальной болезни сустава, а как системной дисфункции соединительной ткани в условиях нестабильного динамического равновесия.

Цель исследования — оценить морфологические и морфометрические особенности субхондральной костной ткани у пациентов с ОА коленного сустава III–IV стадий, выявить различия между участками остеосклероза и остеопороза, а также обосновать индекс микрофрактуринга (Microfracturing Index, MFI) как количественный критерий структурной прочности субхондральной зоны.

ПАЦИЕНТЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили в Морфологической лаборатории Института фундаментальной медицины ФГБОУ ВО «Башкирский государственный медицинский университет» Минздрава России.

Критерии включения: возраст пациентов старше 55 лет; клинически и рентгенологически подтвержденный первичный (идиопатический) остеоартроз III–IV стадий по классификации Kellgren–Lawrence с длительностью не менее 5 лет;  выполнение тотального эндопротезирования коленного сустава; наличие информированного добровольного согласия.

Критерии исключения: наличие ревматических заболеваний; системных метаболических нарушений (включая остеопороз, подтвержденный денситометрически); наличие злокачественных новообразований; перенесенные хирургические вмешательства на том же суставе ранее; хронические заболевания в стадии декомпенсации; наличие инфекции в области оперированного сустава; длительный прием стероидных гормонов; отказ от участия в исследовании.

Материал исследования

Всего в исследование было включено 20 пациентов (12 женщин и 8 мужчин) в возрасте 58–75 лет (средний возраст — 66,4 ± 5,2 года), которым проводили плановое одностороннее тотальное эндопротезирование коленного сустава по поводу остеоартроза III–IV стадий по классификации Kellgren–Lawrence. Забор операционного материала осуществляли по стандартной методике в однотипных точках, определяемых приоритетным вектором силового напряжения и вне его (внутренние и наружные мыщелки бедра и голени). Размер образцов составлял 10 × 15 мм. У всех пациентов были выделены участки субхондральной костной ткани, характеризующиеся признаками уплотнения (остеосклероза) или разрежения (остеопороза). В ряде случаев оба типа изменений наблюдались в пределах одного образца, что позволило провести внутриобъектное сравнение.

Всего было проанализировано 40 участков костной ткани: 20 с признаками остеосклероза и 20 — с признаками остеопороза. Несмотря на возможность получения до 80 участков (по 4 зоны с каждого пациента), для морфометрического анализа были отобраны 40 наиболее информативных — по два участка на пациента: один с признаками остеосклероза, другой — с остеопорозом. Это обеспечило внутриобъектное сопоставление разнотипных изменений, повышающее точность сравнительного анализа.

Методы гистологической обработки

Образцы немедленно фиксировали в 10%-м забуференном нейтральном формалине (Histosafe; Биовитрум, РФ) в течение 24–48 ч при температуре +4 °C. Декальцинацию осуществляли с использованием раствора Трилон Б («АГАТ-МЕД», Россия) до полного удаления минерального компонента. Гистологическую проводку выполняли на автоматическом карусельном процессоре (АГОТ-1, РФ) с использованием изопропиловых спиртов возрастающей концентрации. Парафинирование осуществляли с использованием реагентов производства Биовитрум (Россия). Срезы толщиной 4 мкм изготавливали на ротационном микротоме HM340E (Thermo Fisher Scientific, США). Гистологическое окрашивание проводили гематоксилином и эозином (Биовитрум, Россия) с использованием автоматической станции GeminiAS (Thermo Fisher Scientific, США).

Микроскопия и цифровая обработка

Окрашенные препараты были отсканированы на цифровом сканирующем микроскопе Pannoramic 250 (3DHISTECH Ltd., Венгрия) с объективом Plan-APOCHROMAT 20× (Zeiss, Германия). Изучение гистологических препаратов проводили с помощью программ CaseViewer (3DHISTECH Ltd., Венгрия) и QuPath v.0.5.1 (Bankhead P. et al., Sci Rep 7, 16878, 2017).

Морфометрический анализ

В пяти независимых полях зрения при увеличении ×100 проводили измерение следующих параметров:

1. толщина костных балок (мкм);
2. межбалочное (интертрабекулярное) расстояние (мкм);
3. ширина базофильной (tidemark) линии на границе хрящевой и субхондральной зоны (мкм).

При морфометрии под базофильной линией понимали зону кальцифицированного хряща, визуализируемую как интенсивно окрашенный базофильный слой в препаратах, окрашенных гематоксилином и эозином. Измерения выполняли на максимально перпендикулярных участках между границей хряща и началом трабекулярной кости. Учитывали ширину окрашенной полосы, а не клеточные элементы.

Морфометрию выполняли вручную с использованием функционала QuPath. Дополнительно рассчитывали количество микроповреждений (микротрещин) костной ткани, приведенное к площади исследования (мм²).

Статистический анализ

Статистическую обработку данных проводили с использованием программного обеспечения Statistica 13.0 (StatSoft Inc., США) и GraphPad Prism 9.0 (GraphPad Software, США). Проверку нормальности распределения выборок осуществляли с применением критерия Шапиро–Уилка. Поскольку большинство показателей не соответствовали нормальному распределению, количественные данные представлены в виде медианы и интерквартильного размаха (Me (25–75%)). Для сравнения независимых групп использовали U-критерий Манна–Уитни, а при сравнении более чем двух групп — H-критерий Краскела–Уоллиса с последующим парным сравнением.

Различия считали статистически значимыми при p < 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

При микроскопическом изучении образцов субхондральной костной ткани бедренной и большеберцовой костей у пациентов с остеоартрозом были выявлены характерные гистологические изменения, соответствующие двум противоположным патологическим процессам: остеосклерозу и остеопорозу.

В участках уплотненной костной ткани (УКТ) наблюдалось выраженное утолщение трабекул с увеличением продукции костного матрикса. Трабекулы плотно анастомозировали между собой, формируя грубоволокнистые структуры (рис. 1A, Б).

Интертрабекулярные пространства были значительно сужены и частично замещены фиброзной тканью (рис. 1Б). В отдельных случаях отмечались очаги эндостального фиброза, дегенеративные изменения остеоцитов и локальная гиперплазия остеобластов (рис. 1В, Г).

В участках разреженной костной ткани (РКТ) была выявлена противоположная картина: выраженное истончение и фрагментация костных трабекул, расширение интертрабекулярных пространств, которые преимущественно были заполнены жировой тканью. Наблюдались множественные микротрещины в атрофированных трабекулах и единичные остеобласты при увеличенном количестве остеокластов (рис. 2).

Морфометрический анализ показал значимые различия между УКТ и РКТ по толщине костных балок и интертрабекулярному пространству. Толщина костных балок была достоверно выше в участках остеосклероза по сравнению с остеопорозом (p < 0,001), при этом интертрабекулярные пространства были увеличены в областях остеопороза (табл. 1).

Морфометрический анализ показал, что в участках остеосклероза толщина трабекул в большеберцовой кости была статистически значимо выше, чем в бедренной (p = 0,0007), тогда как интертрабекулярное расстояние, напротив, оказалось больше в бедренной кости (p = 0,0377). В участках остеопороза трабекулы в бедренной кости были достоверно тоньше по сравнению с аналогичными зонами большеберцовой кости (p = 0,0001). Эти различия отражают особенности локального ремоделирования субхондральной костной ткани в зависимости от анатомической области и характера нагрузки. Кроме того, ширина базофильной линии была достоверно больше в большеберцовой кости по сравнению с бедренной (p = 0,0035) и значимо отличалась при сравнении бедренной (УКТ) и большеберцовой (РКТ) костей (p = 0,0113).

Особый интерес представлял анализ количества микротрещин (коэффициент ломкости) в исследуемых образцах. Установлено, что медиана коэффициента ломкости была выше в участках разрежения костной ткани (РКТ) и составила 0,25 по сравнению с участками уплотнения (УКТ), где коэффициент составил 0,20 (рис. 3). Эти различия были статистически значимы (U-критерий Манна–Уитни; p < 0,05). При сравнении полученных данных с контрольными значениями, представленными в литературе, было показано, что оба исследованных состояния характеризуются увеличением количества микротрещин относительно контроля, однако наиболее выраженные отличия от контрольной группы были зарегистрированы именно в участках остеопороза [13] (рис. 4).

Индекс микроповреждений как прогностический критерий

В исследуемых образцах медиана MFI в участках остеосклероза составила 0,20, в участках остеопороза — 0,25. Эти различия статистически значимы (p < 0,05). На основании распределения значений предлагается предварительная шкала риска (табл. 2).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Полученные данные демонстрируют наличие выраженных морфологических различий между участками субхондральной кости с признаками остеосклероза и остеопороза при остеоартрозе коленного сустава. Толщина трабекул была статистически значимо выше в участках склероза, тогда как интертрабекулярные пространства были расширены в зонах разрежения. Эти результаты подтверждают, что остеоартрит сопровождается гетерогенными процессами ремоделирования,

направленными как на уплотнение, так и на структурную дезорганизацию костной ткани в субхондральной зоне.

Структурные особенности выявленных изменений соответствуют данным литературы, в которых подчеркивается ключевая роль субхондральной кости в патогенезе остеоартроза. Начальные изменения в трабекулярной архитектуре субхондральной кости могут предшествовать хондральной дегенерации и быть связаными с нарушением механотрансдукции и микроциркуляции. В участках остеосклероза формируется уплотненная структура с атипичной ориентацией трабекул, что может приводить к нарушению амортизационной функции и увеличению нагрузки на суставной хрящ. В свою очередь, зоны остеопороза демонстрируют снижение плотности и микрофрагментацию, что может способствовать снижению прочности субхондральной зоны и повышенному риску микропереломов.

Для сопоставления полученных морфометрических характеристик использованы опубликованные в литературе данные, полученные с применением микроКТ-визуализации у женщин в возрасте 32–37 и 78–80 лет [13]. Следует отметить, что методологические различия (оптическая микроскопия vs. микро-КТ), а также различия по возрасту и полу не позволяют использовать эти данные как прямой контроль. Однако они были привлечены как ориентировочная литературная модель для обсуждения возрастных изменений костной архитектуры.

Анализ индекса микрофрактуринга (MFI) показал его чувствительность к изменениям в морфологии кости. Более высокие значения MFI в зонах остеопороза свидетельствуют о снижении прочности костной ткани и о возможности использования этого показателя в качестве количественного прогностического критерия риска переломов и нестабильности эндопротеза. В рамках проведенного исследования MFI определяли как плотность микротрещин на единицу площади костной ткани (мм²), что позволяет количественно оценивать степень микроповреждений субхондральной зоны.

Данный вывод соответствует результатам современных морфометрических исследований, в которых подчеркивается значимость оценки микроповреждений субхондральной зоны и ее взаимодействия с суставным хрящом в условиях остеоартрита [14, 15].

Повышенные значения MFI могут указывать на снижение механической прочности кости и повышенный риск развития переломов после оперативного вмешательства. В перспективе данный индекс может быть внедрен как дополнительный морфометрический критерий при планировании послеоперационного ведения пациентов, также его можно использовать для обоснования назначения терапии, направленной на ремоделирование. Дополнительные исследования, включающие клиническое наблюдение и сопоставление с данными по фактическим переломам, позволят уточнить прогностическую ценность этого показателя и определить его пороговые значения с высокой чувствительностью и специфичностью.

Таким образом, выявленные структурные особенности подтверждают необходимость учета морфологии субхондральной кости при планировании ортопедического лечения, в том числе тотального эндопротезирования.

ВЫВОДЫ

Исследование позволило выявить, что при остеоартрозе коленного сустава субхондральная костная ткань демонстрирует выраженную морфологическую гетерогенность: в отдельных зонах преобладают признаки остеосклероза, в других — остеопороза. Морфометрический анализ показал, что в участках склероза трабекулы утолщены, а интертрабекулярное пространство сужено, тогда как при остеопорозе наблюдаются истончение трабекул, их фрагментация и расширение интертрабекулярных промежутков. Индекс микрофрактуринга (MFI) оказался достоверно выше в участках разрежения костной ткани, что указывает на снижение прочности и потенциальную нестабильность кости. Эти данные свидетельствуют о возможности использования морфометрической оценки субхондральной зоны, включая показатель MFI, как прогностического инструмента при планировании ортопедических вмешательств и тотального эндопротезирования.