Вплив гіподинамії на структуру та мінеральний склад кісткової тканини (експериментальне дослідження

Довган Р.Р.. Вплив гіподинамії на структуру та мінеральний склад кісткової тканини (експериментальне дослідження) – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.

Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії за спеціальністю 222 – Медицина (22 – Охорона здоров’я). – ДНП «Львівський національний медичний університет імені Данила Галицького», Львів, 2026.

 У дисертаційній роботі подано теоретичне узагальнення та нове вирішення актуального наукового завдання, що полягає у з’ясуванні закономірностей динаміки кількісних та якісних характеристик кісткової тканини стегнової кістки та амплітуди рухів у кульшовому суглобі на тлі тривалої експериментальної іммобілізаційної гіподинамії та після її завершення. Дослідження проведено на 65 білих безпородних статевозрілих щурах- самцях віком 3,0-3,5 місяці і масою 180,0-200,0 г. Тварини були розділені на експериментальну (60 щурів) та контрольну (5 інтактних щурів) групи. В процесі виконання роботи було використано наступні методи дослідження: моделювання тривалої вимушеної іммобілізації; гоніометричний метод; скелетування; рентгенографічний/ радіовізіографічний метод; метод атомно-абсорбційного спектрального аналізу; метод статистичної обробки цифрових даних .

Результати проведеного спостереження за тваринами, які перебували в стані вимушеної гіподинамії засвідчили зміну їх поведінки – появу елементів агресії, перепади апетиту та зниження охайності. До кінця п’ятого тижня експерименту знижувалась до мінімальних показників маса тварин, становлячи 164,67±4,12 г при нормі 191,33±4,12 г. Через 2 тижні після завершення 4-тижневої іммобілізації маса тварин зростала до 197,07±5,01 г., перевищуючи норму, через 2 тижні після 6-тижневої іммобілізації становила 180±3,42 г,. залишаючись нижчою від норми. Результати гоніометричного дослідження засвідчили, що тривала іммобілізація вела до зменшення амплітуди пасивних рухів в кульшовому суглобі, при цьому зниження амплітуди згинальних рухів було більше вираженим, ніж розгинальних. Встановлено, що зменшення амплітуди рухів було пропорційним тривалості іммобілізації. Максимальне зниження показників амплітуди обох рухів фіксували через 6 тижнів вимушеної іммобілізації, коли величина кута згинання задньої кінцівки в кульшовому суглобі зменшувалась у порівнянні з нормою на 51-57%, к величина кута розгинання – на 9-10%. Отримані дані засвідчили, що після тривалої двосторонньої іммобілізації показники амплітуди рухів в кульшових суглобах були асиметричними. Встановлено, що зниження амплітуди рухів, зумовлене іммобілізацією тривалістю до 6 тижнів є зворотнім, при цьому тривалість періоду відновлення об’єму та амплітуди рухів є пропорційною тривалості іммобілізації. За даними радіовізіографічного дослідження при вивченні показників щільності кісткової тканини різних ділянок стегнової кістки встановлено, що у інтактних тварин найвищу щільність – 156, 80±8,49 УОС має кісткова тканина великого вертлюга, а найнижчу 131, 28±6,25 УОС – шийки стегнової кістки. Щільність кісткової тканини в ділянці головки стегнової кістки становила 143, 92±6,06 УОС, в проксимальній ділянці діафіза – 136, 32±7,53 УОС. Встановлено, що в ділянках головки, шийки та великого вертлюга упродовж 6 тижнів іммобілізації показники щільності кісткової тканини були нижчими від норми і сягали мінімального значення наприкінці 6-го тижня експерименту. Показник щільності кісткової тканини проксимальної ділянки діафіза стегнової кістки упродовж 5-ти тижнів іммобілізації був вищим, ніж у тварин контрольної групи і тільки упродовж шостого тижня експерименту опускався до показників, нижчих від норми. Через 6 тижнів вимушеної іммобілізації показник щільності кісткової тканини головки стегнової кістки був на 8,3% нижчим від норми, шийки – на 4,6%, великого вертлюга – 6,8%, проксимальної ділянки діафіза – на 2,1%. Через 2 тижні після завершення 4-тижневої іммобілізації показники кісткової щільності зростали, залишаючись при цьому нижчими, ніж у інтактних тварин в ділянці великого вертлюга (- 2,3%), та перевищуючи показники норми в проксимальній ділянці діафіза (+ 4,7%). Щільність кісткової тканини головки та шийки стегнової кістки у тварин даної експериментальної групи залишалась нижчою від норми на 0,8% та 0,2% відповідно. Через 2 тижні після відміни 6-тижневої іммобілізації показники щільності кісткової тканини залишалися нижчими, ніж у тварин контрольної групи в усіх досліджуваних ділянках: в ділянці головки стегнової кістки – на 6,2%, шийки – на 3,2%, великого вертлюга – на 6,3% та в проксимальній ділянці діафіза стегнової кістки – на 0,9%. Рентгенологічно встановлено, що через 6 тижнів іммобілізації в ділянці кульшового суглоба візуалізуються ознаки розростання кісткових остеофітів, а кісткова тканина проксимальної частини стегнової кістки мала ознаки остеопорозу та остеосклерозу. Виявлені зміни зберігались також на рентгенограмах досліджуваної ділянки у тварин через два тижні після відміни 6-тижневої іммобілізації. У тварин з коротшими термінами іммобілізації (3, 4 і 5 тижнів) та через 2 тижні після завершення іммобілізації, тривалістю 4 тижні, жодних рентгенологічних змін у структурах кульшово- стегнової ділянки виявлено не було. За даними атомно-абсорбційного спектрального аналізу кісткової тканини стегнової кістки інтактного щура встановлено наявність у її складі мінеральних елементів (Ca, P, Mg, Na, Zn Sr,) в кількостях, можливих для визначення. Показники вмісту кальцію в кістковій тканині стегнової кістки інтактного щура становили 12,41± 0,21 мг/г, фосфору – 10,31±0,87 мг/г, магнію – 2,34±0,36 мг/г, натрію – 2,71±0,19 мг/г, цинку – 0,32±0,04 мг/г, та стронцію – 0,021±0,001 мг/г. Вивчення динаміки вмісту досліджуваних елементів в кістковій тканині експериментальних тварин дало змогу з’ясувати її особливості, характерні для кожного елемента. Встановлено, що показники вмісту фосфору і магнію в кістковій тканині упродовж всього експерименту залишалися нижчими, ніж у інтактних тварин з мінімальними значеннями для фосфору (8,95±0,48 мг/г) на п’ятий тиждень іммобілізації і для магнію (1,04±0,15 мг/г) – на шостий тиждень. Показники вмісту натрію та стронцію упродовж всього експерименту залишались вищими, ніж у нормі, сягаючи максимальних значень для обох елементів до кінця п’ятого тижня вимушеної іммобілізації (4,18±0,34 мг/г для натрію та 0,031±0,002 мг/г для стронцію). Показники вмісту кальцію та цинку мали однакову динаміку – до кінця третього тижня експерименту вони опускалися до мінімальних значень (11,32±0,42 мг/г для кальцію та 0,28±0,02 мг/г для цинку), а упродовж наступних термінів підвищувались і сягали максимальних значень на кінець шостого тижня вимушеної іммобілізації (32,36±1,82 мг/г для кальцію та 0,42±0,01 мг/г для цинку). Встановлено, що максимально наближеними до норми показники кальцію, магнію та стронцію були наприкінці четвертого тижня вимушеної іммобілізації, фосфору – наприкінці шостого тижня, натрію – наприкінці третього тижня та цинку – упродовж четвертого та п’ятого тижнів експерименту. Через 2 тижні після відміни 4-тижневої іммобілізації вміст кальцію становив 12,34±0,42 мг/г, істотно не відрізняючись від норми, вміст фосфору – 10,18±0,46 мг/г, відрізняючись від норми на -1,3%, вміст магнію – 2,21±0,04 мг/г, відрізняючись від показника інтактних тварин на -5,5%, вміст натрію – 2,89±0,12 мг/г, залишаючись вищим від норми на 6,6%, вміст цинку та стронцію повертався до показників норми (0,32±0,04мг/г та 0,021±0,001 мг/г відповідно). Через 2 тижні після відміни 6-тижневої іммобілізації зміни в мінеральному складі кісткової тканини стегнової кістки щура були виражені більш істотно як у порівнянні з нормою, так і з показниками тварин, у яких іммобілізація тривала 4 тижні. Вмісту кальцію через 2 тижні після відміни 6- тижневої іммобілізації перевищував норму на 120% і становив 27,31±1,36 мг/г, вміст фосфору відрізнявся від норми на -4% і складав 9,92±0,53 мг/г, вміст магнію становив 1,47±0,10 мг, і був на 37% нижчим, ніж у інтактних тварин, вміст натрію становив 3,42± 0,26 мг/г, перевищуючи норму на 26%, вміст цинку сягав 0,38±0,02 мг/г і перевищував норму на 19%, а вміст стронцію становив 0,023±0,001 мг/г, залишаючись при цьому на 9,5% вищим, ніж у інтактних тварин. Для кожного з досліджуваних елементів встановлено критичні періоди максимальної різниці значень з показниками норми. Встановлено, що для кальцію, магнію та цинку критичним періодом є шостий тиждень експерименту, до кінця якого показники кальцію та цинку суттєво перевищують норму, а показник магнію опускається до мінімального рівня. Критичним періодом для фосфору та стронцію є п’ятий тиждень експерименту, коли показник вмісту фосфору в кістковій тканині сягає мінімального рівня, а вміст стронцію в кістковій тканині є максимальним. Наукова новизна одержаних результатів. У виконаному дослідженні вперше на підставі даних, отриманих за результатами комплексно проведених досліджень з використанням сучасних морфологічних, клінічних, променевих, хімічних та статистичних методів було детально вивчено та проаналізовано структурні та хімічні особливості кісткової тканини стегнової кістки та амплітуду рухів у кульшовому суглобі інтактного щура, а також встановлено закономірності їх динаміки на тлі тривалої вимушеної гіподинамії та після її завершення. В роботі вперше проведено комплексне дослідження кількісних і якісних змін, що розвиваються у кістковій тканині стегнової кістки упродовж тривалої іммобілізаційної гіподинамії та після її завершення. Вперше з’ясовано особливості динаміки мінеральної щільності кісткової тканини різних ділянок стегнової кістки щура на тлі тривалої іммобілізації та через два тижні після їх відміни. Уперше детально досліджено особливості мінерального складу кісткової тканини стегнової кістки щура методом атомно-абсорбційного спектрального аналізу, вивчено особливості розподілу макро- та мікроелементів та закономірності динаміки їх вмісту в кістковій тканині на тлі тривалої експериментальної іммобілізаційної гіподинамії та через два тижні після її завершення. Вперше досліджено та проаналізовано динаміку зміни амплітуди рухів у кульшовому суглобі при тривалій експериментальній іммобілізації суглоба та встановлено закономірності її відновлення. Вперше встановлено критичні періоди максимальної різниці значень показників кожного з досліджуваних мінеральних макро- та мікроелементів у тварин експериментальною іммобілізаційною гіподинамією з показниками норми у інтактних тварин. Вперше встановлено терміни розвитку незворотніх змін в кульшовому суглобі та кістковій тканині стегнової кістки щура, які виникають на тлі тривалої експериментальної іммобілізаційної гіподинамії та можуть бути трактовані як чинники ризику патології кульшового суглоба та переломів стегнової кістки. Практичне значення одержаних результатів Отримані результати проведеного дослідження дають змогу встановити та проаналізувати особливості функціональної спроможності кульшового суглоба та якісно- кількісні характеристики кісткової тканини стегнової кістки інтактного щура та з’ясувати закономірності їх динаміки упродовж тривалої експериментальної гіподинамії та після її завершення. Результати, отримані в ході виконання роботи створюють передумови та можуть стати теоретичним підґрунтям для розпрацювання нових та удосконалення існуючих методів ранньої діагностики, профілактики та лікування патологій опорно-рухового апарату, що розвиваються на тлі тривалої гіподинамії різного походження. Виконане дослідження суттєво доповнює та уточнює існуючі відомості щодо перебігу змін у кістковій тканині та функціональної спроможності суглобів на тлі вимушеної іммобілізації. Дані, отримані на основі результатів проведеного дослідження можуть стати підґрунтям для розпрацювання морфологічних критеріїв норми, а також діагностичних алгоритмів кількісних та якісних змін, які розвиваються в кістковій тканині стегнової кістки на тлі гіподинамії різного ґенезу та тривалості, а також стати критеріями оцінки ефективності профілактичних, лікувальних та реабілітаційних заходів. Отримані дані доцільно використовувати в лекційних курсах, а також при проведенні практичних занять на профільних морфологічних та клінічних кафедрах (клінічної анатοмії та оперативної хірургії, нормальної анатомії, травматології та ортопедії, реабілітології, променевої діагностики тощо), при написанні наукових монографій, довідників, підручників та навчальних посібників.

Ключові слова: кісткова тканина, стегнова кістка, кульшовий суглоб, патологія кісток, радіовізіографія, променеві біомаркери, структурні особливості, мінеральна щільність, мінеральні елементи, гіподинамія, остеопороз, амплітуда рухів, фізичне навантаження, реабілітація, мікроелементи

ANNOTATION

Dovhan R.R. The effect of physical inactivity on the structure and mineral composition of bone tissue (experimental study) – Qualification scientific work in the form of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the specialty 222 – Medicine (22 – Health Care). – State non-profit enterprise “Danylo Halytsky LvivNational Medical University”, Lviv, 2026. The dissertation presents a theoretical generalization and a new solution to the current scientific problem, which consists in clarifying the patterns of dynamics of quantitative and qualitative characteristics of bone tissue of the femur and amplitude of movements in the hip joint against the background of prolonged experimental immobilization hypodynamia and after its completion. The study was conducted on 65 white outbred sexually mature male rats aged 3.0-3.5 months and weighing 180.0-200.0 g. The animals were divided into experimental (60 rats) and control (5 intact rats) groups. In the process of the study, the following research methods were used: modeling of prolonged forced immobilization; goniometric method; skeletonisation metod; radiographic/radiovisiographic method; atomic absorption spectral analysis method; method of statistical processing of digital data. The results of the observation of animals that were in a state of forced hypodynamia showed a change in their behavior - the appearance of elements of aggression, changes in appetite, and a decrease in cleanliness. By the end of the fifth week of the experiment, the weight of the animals decreased to the minimum, amounting to 164.67±4.12 g, compared to the norm of 191.33±4.12 g. 2 weeks after the completion of 4-week immobilization, the weight of the animals increased to 197.07±5.01 g, exceeding the norm, 2 weeks after 6-week immobilization it was 180±3.42 g, remaining below the norm. The results of the goniometric study showed that prolonged immobilization led to a decrease in the amplitude of passive movements in the hip joint, with the decrease in the amplitude of flexion movements being more pronounced than extension movements. It was found that the decrease in the amplitude of movements was proportional to the duration of immobilization. The maximum decrease in the amplitude of both movements was recorded after 6 weeks of forcedimmobilization, when the angle of flexion of the hind limb in the hip joint decreased by 51-57% compared to the norm, and the angle of extension decreasedby 9-10%. The obtained data showed that after prolonged bilateral immobilization, the amplitude of movements in the hip joints were asymmetric. It has been established that the decrease in range of motion caused by immobilization lasting up to 6 weeks is reversible, with the duration of the period of recovery of volume and range of motion being proportional to the duration of immobilization. According to the data of radiovisiographic research, when studying the bone density indicators of different areas of the femur, it was found that in intact animals the bone tissue of the greater trochanter has the highest density - 156.80±8.49СUG, and the lowest - 131.28±6.25 СUG - of the femoral neck. The bone density in the femoral head area was 143.92±6.06 СUG, in the proximal diaphysis area –136.32±7.53 СUG. It was found that in the areas of the head, neck, and greater trochanter of the femur during 6 weeks of immobilization, bone density indicators were lower than normal and reached a minimum value at the end of the 6th week of the experiment. The bone density index of the proximal femoral diaphysis during 5 weeks of immobilization was higher than in animals of the control group and only during the sixth week of the experiment did it drop to values ​​below normal. After 6 weeks of forced immobilization, the bone density of the femoral head was 8.3% lower than normal, the neck was 4.6% lower, the greater trochanter was 6.8% lower, and the proximal diaphysis was 2.1%. 2 weeks after the end of the 4-week immobilization, bone density indicators increased, remaining lower than in intact animals in the greater trochanter area (-2.3%), and exceeding the norm in the proximal diaphysis (+ 4.7%). The bone density of the femoral head and neck in animals of this experimental group remained below normal by 0.8% and 0.2%, respectively. 2 weeks after the end of the 6-week immobilization, bone density remained lower than in the control group in all studied areas: in the femoral head area – by 6.2%, the neck – by 3.2%, the greater trochanter – by 6.3%, and in the proximal femoral diaphysis – by 0.9%. Radiologically, it was found that after 6 weeks of immobilization, signs of bone osteophyte growth were visualized in the hip joint area, and the bone tissue of the proximal part of the femur had signs of osteoporosis and osteosclerosis. The detected changes were also preserved on radiographs of the studied area in animals two weeks after the cancellation of the 6-week immobilization. Аnimals with shorter immobilization periods (3, 4, and 5 weeks) and 2 weeks after the completion of immobilization lasting 4 weeks, had no radiological changes in the structures of the hip-femoral region. According to the data of atomic absorption spectral analysis of the bone tissue of the femur of an intact rat, the presence of mineral elements (Ca, P, Mg, Na, Zn, Sr) in its composition in quantities possible for determination was established. The calcium content in the bone tissue of the femur of an intact rat was 12.41±0.21 mg/g, phosphorus – 10.31±0.87 mg/g, magnesium – 2.34±0.36 mg/g, sodium – 2.71±0.19 mg/g, zinc – 0.32±0.04 mg/g, and strontium – 0.021±0.001 mg/g. The study of the dynamics of the content of the studied elements in the bone tissue of experimental animals made it possible to clarify its features characteristic of each element. It was found that the phosphorus and magnesium content in bone tissue remained lower throughout the experiment than in intact animals with minimum values ​​for phosphorus (8.95±0.48 mg/g) at the fifth week of immobilization and for magnesium (1.04±0.15 mg/g) at the sixth week. Sodium and strontium levels remained higher than normal throughout the experiment, reaching maximum values ​​for both elements by the end of the fifth week of forced immobilization (4.18±0.34 mg/g for sodium and 0.031±0.002 mg/g for strontium). The calcium and zinc content indicators had the same dynamics – by the end of the third week of the experiment they dropped to minimum values ​​(11.32±0.42 mg/g for calcium and 0.28±0.02 mg/g for zinc), and during the following periods they increased and reached maximum values ​​by the end of the sixth week of forced immobilization(32.36±1.82 mg/g for calcium and 0.42±0.01 mg/g for zinc). It was found that the calcium, magnesium, and strontium levels were as close to normal as possible at the end of the fourth week of forced immobilization, phosphorus at the end of the sixth week, sodium at the end of the third week, and zinc during the fourth and fifth weeks of the experiment. 2 weeks after the cancellation of the 4-week immobilization, the calcium content was 12.34±0.42 mg/g, not significantly different from the norm, the phosphorus content was 10.18±0.46 mg/g, differing from the norm by -1.3%, magnesium content – ​​2.21±0.04 mg/g, differing from the indicator of intact animals by -5.5%, sodium content – ​​2.89±0.12 mg/g, remaining higher than normal by 6.6%, zinc and strontium content returned to normal values ​​(0.32±0.04 mg/g and 0.021±0.001 mg/g, accordingly). 2 weeks after the cancellation of the 6-week immobilization, changes in the mineral composition of the rat femur bone tissue were more pronounced both in comparison with the norm and with the indicators of animals in which immobilization lasted 4 weeks. The calcium content 2 weeks after the cancellation of the 6-week immobilization exceeded the norm by 120% and was 27.31±1.36 mg/g, the phosphorus content differed from the norm by -4% and was 9.92±0.53 mg/g, the magnesium content was 1.47±0.10 mg, and was 37% lower than in intact animals, the sodium content was 3.42±0.26 mg/g, exceeding the norm by 26%, the zinc content reached 0.38±0.02 mg/g and exceeded the norm by 19%, and the strontium content was 0.023±0.001 mg/g, remaining 9.5% higher than in intact animals. For each of the studied elements, critical periods of maximum difference in values ​​with normal indicators were established. It was found that for calcium, magnesium, and zinc, the critical period is the sixth week of the experiment, by the end of which the calcium and zinc levels significantly exceed the norm, and the magnesium level drops to a minimum level. The critical period for phosphorus and strontium is the fifth week of the experiment, when the phosphorus content in bone tissue reaches a minimum level and the strontium content in bone tissue is maximum. Scientific novelty of the obtained results. In the conducted study, for the first time, based on data obtained from the results of comprehensive studies using modern morphological, clinical, radiological, chemical and statistical methods were used to study and analyze in detail the structural and chemical features of the bone tissue of the femur and the amplitude of movements in the hip joint of an intact rat, and also established the patterns of their dynamics against the background of prolonged forced hypodynamia and after its completion. The study is the first to conduct a comprehensive study of the quantitative and qualitative changes that develop in the bone tissue of the femur during prolonged immobilization hypodynamia and after its completion. For the first time, the features of the dynamics of bone mineral density in different areas of the rat femur against the background of prolonged immobilization and two weeks after its cancellation have been elucidated. For the first time, the features of the mineral composition of rat femur bone tissue were studied in detail using atomic absorption spectral analysis, stydied the features of the distribution of macro- and microelements and the dynamics of their content in bone tissue against the background of prolonged experimental immobilization hypodynamia and two weeks after its completion. For the first time, the dynamics of changes in the amplitude of movements in the hip joint during prolonged experimental immobilization of the joint have been investigated and analyzed, and the patterns of its recovery have been established. For the first time, critical periods of the maximum difference in the values ​​of each of the studied mineral macro- and microelements in animals with experimental immobilization hypodynamia with normal values ​​in intact animals have been established. For the first time, the timing of the development of irreversible changes in the hip joint and femur bone tissue of rats, which occur against the background of prolonged experimental immobilization hypodynamia and can be interpreted as risk factors for hip joint pathology and femur fractures, has been established. Practical significance of the obtained results. The results of the study allow us to establish and analyze the features of the functional capacity of the hip joint and the qualitative and quantitative characteristics of the bone tissue of the femur of an intact rat and to clarify the patterns of their dynamics during prolonged experimental hypodynamia and after its completion. The results obtained during the work create the prerequisites and can become a theoretical basis for the development of new and improvement of existing methods of early diagnosis, prevention and treatment of pathologies of the musculoskeletal system that develop against the background of prolonged physical inactivity of various origins. The conducted study significantly complements and clarifies existing information regarding the course of changes in bone tissue and the functional capacity of joints against the background of forced immobilization. The data obtained based on the results of the study can become the basis for the development of morphological criteria of the norm, as well as diagnostic algorithms for quantitative and qualitative changes that develop in the bone tissue of the femur against the background of hypodynamia of various genesis and duration, and also become criteria for assessing the effectiveness of preventive, therapeutic and rehabilitation measures. The obtained data should be used in lecture courses, as well as during practical classes at specialized morphological and clinical departments (clinical anatomy and operative surgery, normal anatomy, traumatology and orthopedics, rehabilitation, radiological diagnostics, etc.), for writing scientific monographs, reference books, textbooks and teaching aids.

Keywords: bone tissue, femur, hip joint, radiological examination, radiovisiography, radiological biomarkers, structural features, mineral density, mineral elements, physical inactivity, osteoporosis, range of motion, physical activity, rehabilitation.