Email this article Analysis of rat jaw bone tissue elemental composition in a model of periodontitis
- Authors: Sarkisyan N.G.1,2, Kataeva N.N.1, Khokhryakova D.A.1, Melikyan A.H.1, Оsipova I.M.1
-
Affiliations:
- Ural State Medical University
- Institute of Immunology and Physiology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
- Issue: Vol 27, No 2 (2024)
- Pages: 161-166
- Section: SHORT COMMUNICATIONS
- Submitted: 27.03.2024
- Accepted: 30.03.2024
- Published: 12.08.2024
- URL: https://rusimmun.ru/jour/article/view/16671
- DOI: https://doi.org/10.46235/1028-7221-16671-AOT
- ID: 16671
Cite item
Full Text
Abstract
The elemental composition of jaw bone tissue depends on many external and internal factors affecting the body. The structure of bone tissue directly reflects its ability to restrain inflammation and regenerate after exposure to damaging factors.
The purpose of the study is to study the elemental composition of the rat jaw bone tissue during chronic periodontal inflammatory process. A month later, the individual was removed from the experiment by an overdose of ether to isolate the bone segment under study. Next, the bone tissue sample was studied using atomic emission spectroscopy.
In the studied segment of bone tissue, 67 chemical elements were identified in a quantitative range of up to 10-4 mass percent. The highest mass fraction belongs to the basic elements of bone tissue: calcium, phosphorus, magnesium, sodium, and sulfur. While during the experiment the animals received standard complete feed, which contained proteins, vitamin D close to normal, Ca, P and Se. In the bone tissue sample under study, the quantitative Ca/P ratio was 1.685, which slightly exceeds the optimal one. An increase in this indicator is associated with a decrease in phosphorus content in bone tissue, which can be explained by insufficient daily intake of this element from food, as well as a number of local factors. When the jaw is traumatized during the modeling of periodontitis, an inflammatory process occurs in this area, the experimental animal experiences stress, which leads to demineralization of the tissues of the alveolar process of the jaw, as evidenced by a decrease in the content of phosphorus and selenium in the bone tissue. In addition, elemental analysis showed the presence of foreign elements in the bone tissue, the amount of which corresponds to the range from 0.001% to 0.06%. Basically, these are elements that form simple substances - metals: bismuth, gallium, lead, iridium, titanium, zinc, mercury, molybdenum.
The results of the study can be taken into account when planning and conducting polyetiotropic therapy for inflammatory-dystrophic periodontal diseases in the early stages of their development.
Full Text
Введение
Воспалительно-дистрофические заболевания пародонта относятся к часто встречающимся заболеваниям зубочелюстной системы, которым страдают около 80% населения согласно данным современных исследований [7]. На сегодняшний день активно изучаются факторы риска, приводящие к пародонтиту, для разработки эффективных методов профилактики и лечения данного заболевания [9, 11].
Воспалительные процессы при пародонтите охватывают не только мягкие ткани, но и костные структуры. Основная роль в развитии патологий пародонта принадлежит микробиоте полости рта. Несмотря на существенное влияние патогенных микроорганизмов на процесс формирования данного заболевания, имеется множество факторов, которые способны запускать каскад воспалительный реакций в комплексе тканей, окружающих зуб [1, 2].
Элементный состав костной ткани зависит от многих факторов, как местных, так и общих. Строение кости может меняться в зависимости от качества пищевого рациона, физической нагрузки, действия стресса, наличия заболеваний внутренних органов, травм челюстно-лицевой области, видового состава бактериального пейзажа полости рта и т. д. [2]. Кроме того, структура костной ткани напрямую отражает ее способность сдерживать воспаление и регенерировать после воздействия повреждающих факторов.
Цель исследования – изучить элементный состав костной ткани челюсти экспериментального животного при хроническом воспалительном заболевании пародонта.
Материалы и методы
Начальный этап работы проводили на базе ФГБУН ИИФ УрО РАН г. Екатеринбург: создавали запатентованную модель развития хронического пародонтита у лабораторных крыс [8]. Для этого в десневой край нижней челюсти крысы линии Wistar вводили инсулиновую иглу длиной 12 мм. Игла вводилась с вестибулярной стороны вплотную вдоль правого нижнего резца с медиального края. Через 7 дней производилось извлечение иглы. В ходе эксперимента соблюдалось гуманное отношение к животным в соответствии с Хельсинкской декларацией. В ходе работы крысы находились в проветриваемых клетках Rair ISO System, по 5 животных в клетке, 12-часовым циклом освещения при температуре помещения 22-24°С. Рацион питания состоял из стандартного комбикорма, животные имели свободный доступ к воде и корму. Спустя месяц после извлечения инородного тела особи выводились из эксперимента передозировкой эфира для выделения исследуемого костного сегмента.
Далее изучение образца костной ткани осуществляли в лаборатории центра коллективного пользования ФГБУН ИВЭ УрО РАН г. Екатеринбург. Элементный состав костной ткани получен методом атомно-эмиссионной спектроскопии (прибор – эмиссионный спектрометр iCAP 6300 Duo фирмы Thermo Scientific, Великобритания). Диапазон определяемых элементов: Li-N, Na-S, K-Se, Rb-Mo, Ru-I, Cs-Nd, Sm-Bi, Th, U, Pu.
Результаты и обсуждение
В исследуемом сегменте костной ткани методом атомно-эмиссионной спектроскопии определено 67 химических элементов в количественном диапазоне до 10-4 массовых процентов. Самая высокая массовая доля принадлежит следующим элементам: кальцию, фосфору, магнию, натрию и сере, т. к. это базовые элементы любой минерализованной костной ткани, в том числе, и костной ткани челюсти [5].
Главным источником макро- и микроэлементов для организма, указанных в таблице 1, является пищевой рацион. Для нормального образования и обновления костной ткани необходимо достаточное содержание в пище белков, микроэлементов (особенно кальция и фосфора), а также витаминов, в частности витамина D, который напрямую влияет на метаболизм Са и Р.
Таблица 1. Количественное содержание базовых элементов в образце костной ткани челюсти
Table 1. Quantitative content of basic elements in a jaw bone tissue sample
Химический элемент Chemical element | Массовая доля элемента костной ткани в норме, % Normal mass fraction of bone tissue element, % | Массовая доля элемента костной ткани подопытного животного, % Mass fraction of the bone tissue element of the experimental animal, % |
Са | – | 22,14 |
Р | – | 13,14 |
Mg | 0,55-0,72 | 0,69 |
Na | 0,5-0,7 | 0,58 |
S | 0,1-0,2 | 0,16 |
Se | 0,008 | 0,004 |
Перечисленные макро- и микроэлементы должны не только в достаточном количестве содержаться в потребляемой пище, но и эффективно усваиваться в процессе пищеварения. Например, дефицит клетчатки в рационе является причиной снижения всасываемости кальция и фосфора в кишечнике. Скудное питание, недостаточное поступление на этом фоне витамина D, Ca и Р приводит к снижению содержания кальция и фосфора, нарушению образования гидроксиапатита в костной ткани, что может являться причиной деструкции костной ткани вокруг корней зубов. Также важно поступление с пищей селена, этот химический элемент участвует в процессе метаболизма костной ткани, ее регенерации при повреждении [3]. В течение эксперимента животные получали стандартный полнорационный комбикорм, в котором содержалось приближенное к норме количество белков, витамина D, Са, P и селена (см. табл. 2).
Таблица 2. Содержание минеральных веществ в корме лабораторных животных
Table 2. Content of minerals in the feed of laboratory animals
Минеральные вещества Minerals | Норма суточного потребления Daily consumption rate | Содержание в 100 г стандартного комбикорма Contents per 100 g of standard feed |
Витамин D Vitamin D | 600-800 МЕ / 600-800 IU | 1350 МЕ / 1350 IU |
Ca | 1000 мг / 1000 mg | 1003 мг / 1003 mg |
P | 800-1400 мг / 800-1400 mg | 770 мг / 700 mg |
Se | 20-70 мкг / 20-70 µg | 70 мкг / 70 µg |
В исследуемом образце костной ткани количественное соотношение Са/Р составило 1,685, что незначительно превышает оптимальное (1,67). Изменение данного соотношения свидетельствует о снижении содержания уровня фосфора в костной ткани, что можно связать с его недостаточным суточным поступлением с пищей (см. табл. 2). Уменьшение содержания фосфора в структуре гидроксиапатита является предрасполагающим фактором к воспалительным процессам вокруг корней зубов, локальному остеопорозу костной ткани челюсти. Также, несмотря на нормально суточное поступление селена с пищевым рационом (табл. 2), наблюдается снижение его содержания в костной ткани – 0,004%, при норме – 0,008% (см. табл. 1). Уменьшение данного показателя свидетельствует об изменении метаболических процессов в костной ткани, снижении регенерации костных балок и синтеза гидроксиапатита.
Другим общим фактором, оказывающим влияние на строение костной ткани, является стресс. Известно, что на морфогенез костной системы влияет состояние иммунной защиты организма. При стрессе активируется симпатоадреналовая система, которая изменяет течение обмена веществ. Длительное воздействие стрессового фактора, в частности боли, приводит к истощению приспособительных сил организма, нарушению иммунного ответа, гомеостаза и метаболизма. На фоне хронического болевого синдрома воспаление протекает более активно – наблюдается выраженный отек и инфильтрация тканей, дистрофические изменения клеток, при этом снижаются репаративные способности пародонта и уменьшается количество новообразованной соединительной ткани [4].
В ходе эксперимента крысы испытывали хронический болевой синдром после введения инсулиновой иглы для индуцирования пародонтита и до момента ее извлечения (игла находилась в костной ткани челюсти в течение 7 дней). Можно предположить, что постоянное ощущение боли изменило реактивность нервной и иммунной системы и привело к более активному течению воспаления, которое проявилось выраженным отеком и инфильтрацией костной ткани, ее резорбции вокруг введенного инородного тела. Таким образом, данный фактор также мог повлиять на снижение содержания Р в тканях альвеолярного отростка челюсти. Строение костной ткани также изменяется при операциях и травмах. Любое оперативное вмешательство на челюстях сопровождается травмированием костной ткани и активацией каскада реакций иммунного ответа [6].
Элементный анализ показал наличие инородных элементов в составе костной ткани, в количестве 0,001-0,06% (см. табл. 3). В основном это элементы, которые образуют простые вещества – металлы. Среди них обнаружены: свинец, иридий, титан, висмут, галлий, цинк, ртуть, молибден. Перечень этих металлов соответствует химическому составу инсулиновой иглы, контактирующей с костной тканью при травматизации на протяжении недели. Инсулиновые иглы изготавливаются из стали, в состав которой входят легирующие элементы: Si, P, Bi, Pb, Ti, Zn и другие. Легированная стали приводит к улучшению таких технических характеристик, как коррозионная стойкость, тугоплавкость, повышенная твердость и т.п. Таким образом, после извлечения металлического инородного тела из альвеолы челюсти, в костной ткани определялись частицы металлов, накопленных в костной ткани (табл. 3).
Таблица 3. Количественное содержание элементов в образце костной ткани челюсти
Table 3. Quantitative content of elements in a jaw bone tissue sample
Химический элемент Chemical element | Массовая доля элемента костной ткани в норме, % Normal mass fraction of bone tissue element, % | Массовая доля элемента костной ткани подопытного животного, % Mass fraction of the bone tissue element of the experimental animal, % |
Fe | 0,0015 | 0,005 |
Cu | 0,0004 | 0,003 |
Ni | 0,0004 | 0,001 |
Cr | 0,001 | 0,003 |
Zn | 0,007 | 0,03 |
Si | 0,002 | 0,007 |
Bi | – | 0,06 |
Ti | 0,009 | 0,03 |
Ga | – | 0,05 |
Pb | 0,02 | 0,05 |
Введение инородного тела в кость челюсти могло привести к изменению привычной окклюзии, что в свою очередь стало причиной перегрузки пародонта рядом стоящих зубов. При нефизиологической нагрузке на зуб формируется травматический узел, который приводит к развитию воспаления в данной области, сопровождающееся деминерализацией тканей альвеолярного отростка челюсти. Перегрузка пародонта ведет к резорбции костной ткани вокруг корня зуба, снижению микротвердости кости и уменьшению сопротивляемости к нагрузке [10]. Т. е. данный местный фактор также влияет на соотношение Са/Р в костной ткани, приводя к снижению содержания Р в результате процесса резорбции кости.
Заключение
Таким образом, на изменение элементного состава костной ткани челюсти при пародонтите влияет общее состояние организма, качество питания, хронический болевой синдром, операции на челюстях, перегрузка пародонта зубов. Анализ элементного состава костной ткани в модели воспалительного заболевания пародонта позволил выявить изменения количественных показателей базовых элементов костной ткани. Несбалансированное по пищевой ценности питание, стрессовый фактор, травматизация кости приводит к уменьшению содержания фосфора и селена в косной ткани, что приводит к дисбалансу между процессами резорбции и ремоделирования кости. Полученные результаты исследования могут быть учтены при планировании и проведении полиэтиотропной терапии воспалительно-дистрофических заболеваний пародонта еще на ранних стадиях их развития, когда видимые клинические проявления заболевания в полости рта минимальны.
Благодарности
Авторы выражают благодарность директору ФГБУН ИИФ УрО РАН г. Екатеринбург, д.ф.-м.н. Соловьевой О.Э. за предоставление возможности проведения исследований на базе учреждения.
About the authors
N. G. Sarkisyan
Ural State Medical University; Institute of Immunology and Physiology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
Email: kataeva.nn@mail.ru
PhD, MD (Medicine), Associate Professor, Department of Therapeutic Dentistry and Propedeutics of Dental Diseases; Professor of Postgraduate Department
Russian Federation, Yekaterinburg; YekaterinburgN. N. Kataeva
Ural State Medical University
Author for correspondence.
Email: kataeva.nn@mail.ru
PhD (Chemistry), Associate Professor, General Chemistry Department
Russian Federation, YekaterinburgD. A. Khokhryakova
Ural State Medical University
Email: kataeva.nn@mail.ru
5th-Year Student of the Dental Faculty
Russian Federation, YekaterinburgA. H. Melikyan
Ural State Medical University
Email: kataeva.nn@mail.ru
5th-Year Student of the Dental Faculty
Russian Federation, YekaterinburgI. M. Оsipova
Ural State Medical University
Email: kataeva.nn@mail.ru
5th-Year Student of the Dental Faculty
Russian Federation, YekaterinburgReferences
- Алиева М.С., Расулов И.М., Магомедов М.А., Мейланова Р.Д. Современные аспекты этиологии и патогенеза пародонтита // Известия ДГПУ. Естественные и точные науки, 2013. Т. 22, № 1. С. 25-29. [Alieva M.S., Rasulov I.M., Magomedov M.A., Meylanova R.D. Modern aspects of etiology and pathogenesis of parodontitis. Izvestia DGPU. Estestvennye i tochnye nauki = DSPU Journal. Natural and Exact Sciences, 2013, Vol. 22, no. 1, pp. 25-29. (In Russ.)]
- Бажутова И.В., Исматуллин Д.Д., Лямин А.В., Трунин Д.А., Жестков А.В., Разумный В.А. Клиническое значение представителей рода Streptococcus при развитии пародонтита // Инфекция и иммунитет, 2022. Т. 12, № 1. С. 51-58. [Bazhutova I.V., Ismatullin D.D., Lyamin A.V., Trunin D.A., Zhestkov A.V., Razumnyj V.A. Clinical significance of Streptococcus members in developing periodontitis. Infektsia i immunitet = Russian Journal of Infection and Immunity, 2022, Vol. 12, no. 1, pp. 51-58. (In Russ.)] doi: 10.15789/2220-7619-CSO-1698.
- Борисюк С.В., Нотова С.В., Кван О.В. Влияние различного уровня потребления пищевых волокон в рационе на элементный состав костной ткани беременных самок крыс // Вестник Оренбургского государственного университета, 2016. Т. 193, № 5. С. 41-45. [Borisyuk S.V., Notova S.V., Kvan O.V. The elemental composition of bone pregnant female rats on the background of different levels of consumption of dietary fiber in the diet. Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta = Bulletin of Orenburg State University, 2016, Vol. 193, no. 5, pp. 41-45. (In Russ.)]
- Брусенцова А.Е., Ляшев Ю.Д., Цыган Н.В., Затолокина М.А., Антопольская Е.В., Солин А.В. Морфологические изменения в пародонте крыс с экспериментальным пародонтитом и хроническим болевым синдромом // Вестник НовГУ. Сер.: Медицинские науки, 2022. Т. 127, № 2. С. 21-25. [Brusentsova A.E., Lyashev Yu.D., Tsygan N.V., Zatolokina M.A., Antopolskaya E.V., Solin A.V. Morphological changes in the periodontium of rats with experimental periodontitis and chronic pain syndrome. Vestnik NovGU. Ser.: Meditsinskie nauki = Bulletin of NovSU. Issue: Medical Sciences, 2022, Vol. 127, no. 2, pp. 21-25. (In Russ.)]
- Герк С.А., Голованова О.А. Элементный состав костной ткани человека в норме и при патологии // Вестник ОмГУ, 2015. Т. 78, № 4. С. 39-44. [Gerk S.A., Golovanova O.A. Trace element composition of human bone tissue in normal and pathological condition. Vestnik OmGU = Bulletin of Omsk University, 2015, Vol. 78, no. 4, pp. 39-44. (In Russ.)]
- Катаева Н.Н., Саркисян Н.Г., Чумаков Н.С., Хлыстова К.А., Медведева О.М., Шмыгалев А.С. Микроскопический и элементный анализ костной ткани челюсти при травме // Медицинская иммунология, 2023. Т. 25, № 3. С. 649-654. [Kataeva N.N., Sarkisyan N.G., Chumakov N.S., Khlystova K.A., Medvedeva O.M., Shmygalev A.S. Microscopic and elemental analysis of jaw bone tissue in injury. Medicinskaya immunologiya = Medical Immunology (Russia), 2023, Vol. 25, no. 3, pp. 649-654. (In Russ.)] doi: 10.15789/1563-0625-MAE-2738.
- Сабирова А.И., Акрамов И.А., Рамазанова З.Д., Сергеева В.В., Ибишева Л.К. Современные аспекты эпидемиологических вопросов заболеваний тканей пародонта // The Scientific Heritage, 2021. Т. 73, № 73-2. С. 31-38. [Sabirova A.I., Akramov I.A., Ramazanova Z.D., Sergeeva V.V., Ibisheva L.K. Modern aspects pf epidemiological issues of periodontal tissue diseases. The Scientific Heritage = The Scientific Heritage, 2021, Vol. 73, no. 73-2, pp. 31-38. (In Russ.)]
- Саркисян Н.Г., Тимченко А.С., Ларионов Л.П., Тузанкина И.А. Способ получения модели хронического пародонтита у крыс // Уральский медицинский журнал, 2014. Т. 117, № 3. С. 54-56. [Sarkisian N.G., Timchenko A.S., Larionov L.P., Tuzankina I.A. A method for producing a model of chronic periodontitis in rats. Uralskyi meditsinskyi zhurnal = Ural Medical Journal, 2014, Vol. 117, no. 3, pp. 54-56. (In Russ.)]
- Саркисян Н.Г., Ронь Г.И., Тузанкина И.А., Свитич О.А., Ганковская Л.В., Долгих М.А. Генетические критерии диагностики пародонтита // Уральский медицинский журнал, 2015. Т. 131, № 8. С. 77-81. [Sargsyan N.G., Ron G.I., Tuzankina I.A., Svitich O.A., Gankovskaya L.V., Long M.A. Genetic diagnosis criteria for periodontitis. Uralskyi meditsinskyi zhurnal = Ural Medical Journal, 2015, Vol. 131, no. 8, pp. 77-81. (In Russ.)]
- Сирак С.В., Щетинин Е.В., Петросян Г.Г., Андреев А.А., Вафиади Г.Д., Терещенко О.А. Показатели микротвердости челюстных костей при стресс-индуцированном экспериментальном пародонтите // Медицинский вестник Северного Кавказа, 2018. Т. 13, № 4. С. 659-663. [Sirak S.V., Shchetinin E.V., Petrosyan G.G., Andreev A.А., Vafiadi G.D., Tereshchenko O.A. Indicators of jawbone microhardness in stress-induced experimental periodontitis. Meditsinskiy vestnik Severnogo Kavkaza = Medical News of North Caucasus, 2018, Vol. 13, no. 4, pp. 659-663. (In Russ.)]
- Усманова И.Н., Хуснаризанова Р.Ф., Зигитбаев Р.Н., Абдрахманова Е.Р., Гильманова Р.Р., Киньягулова С.Р. Современные подходы к диагностике рисков развития кариеса и воспалительных заболеваний пародонта у лиц молодого возраста // Уральский медицинский журнал, 2018. Т. 162, № 7. С. 43-47. [Usmanova I.N., Khusnarizanova R.F., Zigitbayev R.N., Abdrakhmanova E.R., Gilmanova R.R., Kinyagulova S.R. Modern approaches to the diagnosis of risk of development of caries and inflammatory periodontal diseases at young age. Uralskyi meditsinskyi zhurnal = Ural Medical Journal, 2018, Vol. 162, no. 7, pp. 43-47. (In Russ.)]
Supplementary files
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).