Traumatology and Orthopedics of RussiaTraumatology and Orthopedics of RussiaТравматология и ортопедия России2311-29052542-0933Vreden National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics83310.21823/2311-2905-2017-23-4-70-77Theoretical and experimental studiesТеоретические и экспериментальные исследованияTheoretical and experimental studiesKNEE CARTILAGE AND SYNOVIAL MEMBRANE STRUCTURAL CHANGES DURING TIBIA DISTRACTION WITH PLATINGСТРУКТУРНАЯ РЕОРГАНИЗАЦИЯ СУСТАВНОГО ХРЯЩА И СИНОВИАЛЬНОЙ ОБОЛОЧКИ КОЛЕННОГО СУСТАВА ПРИ ДИСТРАКЦИОННОМ ОСТЕОСИНТЕЗЕ ГОЛЕНИ В КОМБИНАЦИИ С НАКОСТНОЙ ПЛАСТИНОЙStupinaT. A.СтупинаТ. А.
Russian Federation

Tatiana A. Stupina — Dr. Sci. (Biol), Senior Researcher, Laboratory of Morphology.

6, ul. M. Ulyanova, Kurgan, 640014

Ступина Татьяна Анатольевна — доктор биологических наук старший научный сотрудник лаборатории морфологии.

Ул. М. Ульяновой, д. 6, Курган, 640014

StupinaSTA@mail.ruStepanovM. A.СтепановМ. А.
Russian Federation

Mikhail A. Stepanov — Cand. Sci. (Veterinary), Leading Researcher, Experimental Laboratory.

6, ul. M. Ulyanova, Kurgan, 640014

Степанов Михаил Александрович — кандидат ветеринарных наук, ведущий научный сотрудник экспериментальной лаборатории.

Ул. М. Ульяновой, д. 6, Курган, 640014

Ilizarov Russian Scientific Center “Restorative Traumatology and Orthopedics”ФГБУ «Российский научный центр „Восстановительная травматология и ортопедия“ им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России2512201723470772612201726122017https://journal.rniito.org/jour/article/view/833

Purpose of the study — to analyze the changes in knee articular cartilage and synovial membrane during distraction external fixation of the tibia in combination with plating.

Material and methods. Articular cartilage and synovial membrane of the knee joint were studied using histomorphometry methods in 9 mongrel dogs during distraction external fixation of the tibia combined with plating. Tibia and fibula osteotomies were performed at the border of middle and upper third, plate was fixed on tibia diaphysis. Lengthening was achieved at rate of 1 mm per day in four stages during 21–28 days. Animals were withdrawn from experiment in 30 and 90 days. After autopsy of knee joints the authors excised sections of synovial membrane from suprapatellar area, articular cartilage with underlying subchondral bone from loadable surface of femoral condyles. Thickness of articular cartilage, its area and volumetric density of chondrocytes was measured, proportion of chondrocytes within isogenic groups from the overall number of chondrocytes as well as proportion of empty lacunae. In synovial membrane the authors measured thickness of surface layer and numeric density of micro vessels. Articular cartilage of 5 intact animals was used as a control group.

Results. After 30 days of plate fixation a hyperplasia of the integument layer, mild synovitis, and hypervascularization were observed in synovial membrane. Density of micro vessels increased to 363.93±33.71 (control group — 335.05±28.88). The authors also observed subperineural and endoneural edema as well as destruction of nerve fibers in subsynovial layer. Articular cartilage retained the zonal structure. Destructive changes were manifested by fibers separation in the superficial part of surface zone and by partial loss of chondrocytes. The following parameters were reduced: cartilage thickness, area and volumetric density of chondrocytes, proportion of isogenic groups; empty lacunae exceeded the values in controls by 18.2%. After 90 days of plate fixation, thinning of the cover layer of synovial membrane was reported. The numerical density of micro vessels decreased to 325.81±36.39. In nerves of subsynovial layer the edema and vacuolization of myelin sheaths of preserved nerve fibers as well as the formation of Büngner bands in place of degenerating ones were detected. Synovitis was not observed. Fibers separation of extracellular substance in upper superficial part of the surface cartilage zone was retained. There was a tendency to increase in cartilage thickness, area and volumetric density of chondrocytes, proportion of isogenic groups; and to decrease of empty lacunae number.

Conclusion. The histological changes in the articular cartilage during distraction external fixation of the tibia in combination with plating corresponded to the initial stages of osteoarthritis of grades 1—2 according to histological classification of International Society for Study of Osteoarthritis (2006) and were accompanied by hypovascularization and denervation of synovial membrane.

Цель исследования — оценить динамику изменений суставного хряща и синовиальной оболочки коленного сустава при дистракционном остеосинтезе голени в комбинации с накостной пластиной.

Материал и методы. Исследования проводили на 9 беспородных собаках, которым выполняли чрескостный остеосинтез костей правой голени аппаратом Илизарова. На границе средней и верхней третей голени осуществляли остеотомию берцовых костей. На диафизе большеберцовой кости устанавливали накостную пластину. Удлинение осуществляли с темпом 1 мм в сутки за 4 приема в течение 21–28 суток. Животных выводили из опыта через 30 и 90 суток. После вскрытия коленных суставов иссекали участки синовиальной оболочки из супрапателлярной зоны, суставной хрящ с подлежащей субхондральной костью с нагружаемых поверхностей мыщелков бедра. Определяли толщину и площадь суставного хрящя, объемную плотность хондроцитов, рассчитывали долю хондроцитов в составе изогенных групп от общего количества хондроцитов и долю пустых лакун. Также определяли толщину покровного слоя синовиальной оболочки и численную плотность микрососудов в ней. Группу сравнения составили 5 интактных животных.

Результаты. Через 30 суток фиксации пластиной в синовиальной оболочке выявлена гиперплазия покровного слоя, слабо выраженный синовит, гиперваскуляризация. Численная плотность микрососудов увеличивалась до 363,93±33,71 (в группе сравнения — 335,05±28,88). В нервах субсиновиального слоя субпериневральный и эндоневральный отек, деструкция нервных волокон. Суставной хрящ сохранял зональное строение. Деструктивные изменения проявлялись разволокнением суперфициальной части поверхностной зоны и гибелью части хондроцитов. Через 90 суток фиксации пластиной выявлено истончение покровного слоя синовиальной оболочки. Численная плотность микрососудов снизилась до 325,81±36,39. В нервах субсиновиального слоя отек и вакуолизация миелиновых оболочек сохранившихся нервных волокон, формирование бюнгнеровых лент на месте дегенерирующих. Синовит не выявлен. В суставном хряще сохранялось разволокнение межклеточного вещества верхней суперфициальной части поверхностной зоны.

Выводы. При дистракционном остеосинтезе голени в комбинации с накостной пластиной гистологические изменения суставного хряща соответствовали начальным стадиям остеоартроза (степень 1–2 по гистологической классификации Международного общества изучения остеоартроза) и сопровождались гиповаскуляризацией и денервацией синовиальной оболочки.distraction external fixationplatearticular cartilagesynovial membranehistomorphometryдистракционный остеосинтезнакостная пластинасуставной хрящсиновиальная оболочкагистоморфометрия1. Менщикова Т.И., Щуров В.А. Влияние удлинения нижних конечностей на показатели локомоторной двигательной активности больных ахондроплазией. Гений ортопедии. 1997;(1):19-23. Menshhikova T.I., Shhurov V.A. [Influence of lengthening of lower extremities on indices of locomotor motor activity in patients with achondroplasia]. Genij Ortopedii [Orthopedic Genius]. 1997;(1):19-23. (in Russian).2. Simpson H., Barker K. Effect on knee flexion of a modification to the surgical technique of pin placement during femoral lengthening. J Pediatr Orthop B. 2002;11(4):307-312. DOI: 10.1097/00009957-200210000-00008.3. Ступина Т.А., Щудло М.М. Оценка регенераторных возможностей суставного хряща при различных условиях удлинения смежного сегмента конечности в эксперименте. Гений ортопедии. 2010(3):84-88. Stupina T.A., Shhudlo M.M. [Estimation of articular cartilage regeneration potentials under different conditions of experimental lengthening of limb adjacent segment]. Genij Ortopedii [Orthopedic Genius]. 2010;(3):84-88. (in Russian).4. Nakamura E., Mizuta H., Takagi K. Knee cartilage injury after tibial lengthening. Radiographic and histological studies in rabbits after 3-6 months. Acta Orthop Scand. 1995;66(4):313-316.5. Степанов М.А., Антонов Н.И., Борзунов Д.Ю. Экспериментальное обоснование комбинированного дистракционного остеосинтеза накостной пластиной и аппаратом Илизарова. Гений ортопедии. 2016;(4):71-75. DOI: 10.18019/1028-4427-2016-4-71-75. Stepanov M.A., Antonov N.I., Borzunov D.Ju. [Experimental rationale of combined distraction osteosynthesis using an internal plate and the Ilizarov fixator]. Genij Ortopedii [Orthopedic Genius]. 2016;(4):71-75. DOI: 10.18019/1028-4427-2016-4-71-75. (in Russian).6. Бородин Ю.И. Любарский М.С., Бгатова Н.П., Мустафаев Н.Р., Дремов Е.Ю. Морфологические характеристики состояния микроциркуляции и лимфатического дренажа в синовиальной оболочке коленного сустава в норме и при патологии. Морфология. 2008;133(1):51-55. Borodin Ju.I. Ljubarskij M.S., Bgatova N.P., Mustafaev N.R., Dremov E.Ju. [Morphological criteria of the state of the microcirculation and of the lymphatic drainage in the synovial membrane of the knee joint under normal and pathological conditions]. Morfologiya [Morfologiia]. 2008;133(1):51-55. (in Russian).7. Ступина Т.А., Щудло М.М. Способ изготовления препаратов недекальцинированного суставного хряща с подлежащей субхондральной костью для многоцелевых исследований. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2014;157(3):388-390. Stupina T.A., Shhudlo M.M. [A method for making preparations from nondecalcified articular cartilage with sublyingsubchondral bone for multipurpose studies]. Bjulleten’ jeksperimental’noj biologii i mediciny [Bulletin of Experimental Biology and Medicine]. 2014;157(3): 388-390. (in Russian).8. Krenn V., Morawietz L., Burmester G.-R., Kinne R.W., Mueller-Ladner U., Muller B., Haupl T. Synovitis score: discrimination between chronic low-grade and highgrade synovitis. Histopathology. 2006;49(4):358–364. DOI: 10.1111/j.1365-2559.2006.02508.x.9. Макушин В.Д., Ступина Т.А. К вопросу об активизации процессов, регулирующих восстановление структуры суставного хряща (обзор литературы и собственные данные). Гений ортопедии. 2014;(1):82-88. Makushin V.D., Stupina T.A. [To the problem of activating the processes regulating articular cartilage structure recovery (Review of literature and own data)]. Genij Ortopedii [Orthopedic Genius]. 2014;(1):82-88. (in Russian).10. Павлова В.Н., Павлов Г.Г., Шостак Н.А., Слуцкий Л.И. Сустав: морфология, клиника, диагностика, лечение. М. : Медицинское информационное агенство; 2011. 552 с. Pavlova V.N., Pavlov G.G., Shostak N.A., Sluckij L.I. [Joint: Morphology, clinic, diagnosis, treatment]. Moscow: Meditsinskoye informatsionnoye agenstvo; 2011: 552 р. (in Russian).11. Ступина Т.А., Щудло М.М. Структурная адаптивность и репаративные возможности суставного хряща в зависимости от условий удлинения смежного сегмента конечности. Травматология и ортопедия России. 2011;4(62):62-68. Stupina T.A., Shhudlo M.M. [Structural adaptability and the reparative possibilities of articular cartilage depending on the adjacent extremity segment lengthening conditions (an experimental-and-morphological study)]. Travmatologiya i ortopediya Rossii [Traumatology and Orthopedics of Russia]. 2011;4(62):62-68. (in Russian).12. Ступина Т.А. Зависимость гистоморфометрических характеристик суставного хряща от условий удлинения голени в эксперименте. Успехи современного естествознания. 2015;(9, часть 1):87-91. Stupina T.A. [Dependence of histomorphometric features of the articular cartilage on the conditions of the experimental tibial lengthening]. Uspehi sovremennogo estestvoznanija [Achievements in contemporary natural sciences]. 2015;(9, part 1):87-91. (in Russian).13. Pritzker, K.P.H., Gay S., Jimenez S.A., Ostergaard K., Pelletier J.P., Revell P.A., Salter D., Path F.R.C., Berg W.B. Osteoarthritis cartilage histopathology: grading and staging. Osteoarthritis Cartilage. 2006;14(1):13-29. DOI: 10.1016/j.joca.2005.07.014.