fcmedicineФундаментальная и клиническая медицинаFundamental and Clinical Medicine2500-07642542-0941КемГМУ10.23946/2500-0764-2022-7-4-72-82fcmedicine-606Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL RESEARCHМолекулярные и клеточные особенности развития асептического некроза головки бедренной кости в экспериментеMolecular and cellular features of femoral head avascular necrosis: in vivo studyhttps://orcid.org/0000-0001-8628-5649ШабалдинН. А.ShabaldinN. A.

Шабалдин Никита Андреевич, кандидат медицинских наук, доцент, заведующий кафедрой детских хирургических болезней 

650056, г. Кемерово, ул. Ворошилова, д. 22а

Dr. Nikita A. Shabaldin, MD, PhD, Head of the Department of Pediatric Surgery

22a, Voroshilova Street, Kemerovo, 650056

shabaldin.nk@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4467-8732СиницкаяА. В.SinitskayaA. V.

Синицкая Анна Викторовна, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории геномной медицины отдела экспериментальной медицины 

650002, г. Кемерово, б-р Сосновый, д. 6

Dr. Anna V. Sinitskaya, PhD, Junior Research Fellow, Laboratory of Genomic Medicine, Department of Experimental Medicine

6, Sosnovy Boulevard, Kemerovo, 650002

https://orcid.org/0000-0003-4124-2316БогдановЛ. А.BogdanovL. A.

Богданов Лев Александрович, младший научный сотрудник лаборатории молекулярной, трансляционной и цифровой медицины 

650002, г. Кемерово, б-р Сосновый, д. 6

Mr. Leo A. Bogdanov, MSc, Junior Research Fellow, Laboratory of Molecular, Translational and Digital Medicine

6, Sosnovy Boulevard, Kemerovo, 650002

https://orcid.org/0000-0002-0930-1171ЛобовА. А.LobovA. A.

Лобов Арсений Андреевич, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории регенеративной биомедицины 

194064, г. Санкт-Петербург, Тихорецкий проспект, д. 4

Dr. Arseniy A. Lobov, PhD, Senior Research Fellow, Laboratory of Regenerative Biomedicine

4, Tikhoretskiy Prospekt, St. Petersburg, 194064

https://orcid.org/0000-0002-8599-3173РепкинЕ. А.RepkinE. A.

Репкин Егор Алексеевич, специалист ресурсного центра «Развитие молекулярных и клеточных технологий» научного парка 

199034, г. Санкт-Петербург, Университетская набережная, д. 7/9

Mr. Egor A. Repkin, Technician, Resource Centre for Development of Molecular and Cell Technologies, Research Park

7/9, Universitetskaya Embankment, St. Petersburg, 199034

https://orcid.org/0000-0002-8785-7896ШабалдинА. В.ShabaldinA. V.

Шабалдин Андрей Владимирович, доктор медицинских наук, ведущий научный сотрудник лаборатории клеточных технологий 

650002, г. Кемерово, б-р Сосновый, д. 6.

 

Prof. Andrey V. Shabaldin, MD, DSc, Leading Research Fellow, Laboratory of Congenital Heart Disease, Department of Cardiovascular Surgery

6, Sosnovy Boulevard, Kemerovo, 650002

ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской ФедерацииРоссияKemerovo State Medical UniversityRussian FederationФГБНУ «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний»РоссияResearch Institute for Complex Issues of Cardiovascular DiseasesRussian FederationФГБУН Институт цитологии Российской академии наукРоссияInstitute of Cytology of the Russian Academy of SciencesRussian FederationФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет»РоссияSt. Petersburg State UniversityRussian Federation202229122022747282Copyright © Шабалдин Н.А., Синицкая А.В., Богданов Л.А., Лобов А.А., Репкин Е.А., Шабалдин А.В., 20222022Шабалдин Н.А., Синицкая А.В., Богданов Л.А., Лобов А.А., Репкин Е.А., Шабалдин А.В.Shabaldin N.A., Sinitskaya A.V., Bogdanov L.A., Lobov A.A., Repkin E.A., Shabaldin A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fcm.kemsmu.ru/jour/article/view/606Цель

Цель. Изучить молекулярные и клеточные особенности развития асептического некроза головки бедренной кости в эксперименте.

Материалы и методы

Материалы и методы. Проведена хирургическая индукция асептического некроза головки бедренной кости 8 крысам. Наблюдение за животными проводилось в течение 4 недель. У всех животных, после выведения из эксперимента путем декапитации, была забрана кровь для сравнения системных показателей, а также выполнена экстирпация бедренных костей. Состояние головок выделенных бедренных костей оценивалось визуально, рентгенологически. Затем остеотомом выполнялось разделение головок бедренных костей на две равновеликие части. Первая часть исследовалась гистологически, вторая часть использовалась для определения молекулярной массы белков костной ткани с помощью гель-электрофореза.

Результаты

Результаты. После выполнения хирургических манипуляций во всех исследуемых случаях наблюдалась картина стадии импрессионного перелома при асептическом некрозе головки бедренной кости, подтвержденная при исследовании макропрепарата и рентгенографии. Гистологическое исследование так же подтвердило развитие остеодеструктивных процессов в проксимальном эпифизе бедра. При иммунологическом исследовании крови после индукции асептического некроза головки бедренной кости отмечалось увеличение концентрации провоспалительных цитокинов по отношению к концентрации нативных крыс. Метод квадрупольно-времяпролетной масс-спектрометрии позволил обнаружить несколько мажорных белков, участвующих в поддержании гомеостаза костной ткани, ими оказались белки, отвечающие за кальций-фосфорный обмен, протеины, способствующие ангиогенезу, кроветворению костного матрикса, молекулы передачи межклеточных сигналов, молекулы-шапероны, белки хрящевого матрикса, синтеза коллагена, белки липидного профиля, а также для конечности после хирургической индукции асептического некроза – протеины, регулирующие воспалительный ответ, белки окислительного стресса. Полученные данные при исследовании гель-электрофореза указывают на то, что развитие аваскулярного остеонекроза сопровождалось гиперэкспрессией белков окислительного стресса, гликолитических процессов, неспецифического воспалительного ответа при снижении молекул ангиогенеза, хондрогенеза, способствующих кальций-фосфорному обмену, синтеза коллагена и хрящевого матрикса.

Заключение

Заключение. Развитие остеонекроза сопровождается значительной гетерогенностью изменений регуляции костного гомеостаза. При этом важную роль в манифестации костной деструкции играют процессы неспецифического воспаления, окислительного стресса, в том числе перекисного окисления липидов, развивающиеся на фоне гипоксии.

Aim

Aim. To study the molecular and cellular features of femoral head avascular necrosis in the rat model.

Materials and Methods

Materials and Methods. Femoral head avascular necrosis was surgically induced in 8 rats with the 4-week follow-up. Then, the animals have been euthanised, and we performed gross, radiological, and histological examination of avascular and intact contralateral femoral heads. Systemic inflammation was assessed using enzyme-linked immunosorbent assay, and pro-inflammatory cytokines (interleukin-1β, interleukin-6, and tumor necrosis factor α). The proteomic profile of healthy and necrotic femoral heads was interrogated using sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis and ultra-high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry with ion mobility (TimsToF Pro).

Results

Results. Aseptic necrosis of the femoral head was successfully induced in all rats. Serum levels of pro-inflammatory cytokines (interleukin-1β and interleukin-6) were higher in rats with femoral head avascular necrosis as compared with healthy rats. Among the major proteins revealed at proteomic profiling were those involved in maintaining bone tissue homeostasis, calcium phosphate metabolism, angiogenesis, hematopoiesis, cell-cell interactions, chaperones, cartilage matrix proteins, collagen synthesis, and lipid metabolism. In bones with avascular necrosis, we have also found proteins regulating the inflammatory response and oxidative stress. Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis indicate that the development of avascular osteonecrosis was accompanied by an overexpression of oxidative stress proteins, anaerobic glycolysis, and non-specific inflammatory response along with the downregulation of molecules responsible for angiogenesis, chondrogenesis, calcium phosphate metabolism, collagen synthesis, and cartilage matrix.

Conclusion

Conclusion. Femoral head avascular necrosis is accompanied by non-specific inflammation, oxidative stress, and lipid peroxidation all presumably developed because of hypoxia and together contributing to bone destruction.

асептический некрозпатогенезпротеомный профильсигнальные путиavascular necrosispathogenesisproteomic profilesignaling pathwaysИсследование выполнено за счет финансирования гранта «Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук», МК-4132.2022.3. Работы по протеомному профилированию и анализу протеомных данных выполнены в Ресурсном центре «Развитие молекулярных и клеточных технологий» Научного парка Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет» (СПбГУ) в рамках договора № С-111/26 от 02.08.2021 г. между НИИ КПССЗ и СПбГУ.The research was carried out by funding the grant of the "President of the Russian Federation for state support of young Russian scientists – Candidates of Sciences", MK-4132.2022.3. Proteomics analysis was conducted in the Centre for Molecular and Cell Technologies, St. Petersburg State University Research Park.ReferencesШостак Н.А., Клименко А.А., Демидова Н.А., Андрияшкина Д.Ю., Ратьев А.П., Чирков А.В., Аветисян Г.Р., Михеева Е.П. Остеонекроз головки бедренной кости, не связанный с травмой: хирургические и консервативные методы лечения (часть 2). Лечебное дело. 2021;2:416. https://doi.org/10.24412/2071-5315-2021-12387Shostak NA, Klimenko AA, Demidova NA, Andriyashkina DYU, Rat'ev AP, CHirkov AV, Avetisyan GR, Miheeva EP. Non-traumatic osteonecrosis of the femoral head: surgical and conservative treatment (part 2). Lechebnoe delo. 2021;2:4-16. (In Russ). https://doi.org/10.24412/2071-53152021-12387Zhao H, Yeersheng R, Xia Y, Kang P, Wang W. Hypoxia Enhanced Bone Regeneration Through the HIF-1α/β-Catenin Pathway in Femoral Head Osteonecrosis. Am J Med Sci. 2021;362(1):78-91. https://doi.org/10.1016/j.amjms.2021.03.005Zhao H, Yeersheng R, Xia Y, Kang P, Wang W. Hypoxia Enhanced Bone Regeneration Through the HIF-1α/β-Catenin Pathway in Femoral Head Osteonecrosis. Am J Med Sci. 2021;362(1):78-91. https://doi.org/10.1016/j.amjms.2021.03.005Adapala NS, Yamaguchi R, Phipps M, Aruwajoye O, Kim HKW. Necrotic Bone Stimulates Proinflammatory Responses in Macrophages through the Activation of Toll-Like Receptor 4. Am J Pathol. 2016;186(11):29872999. https://doi.org/10.1016/j.ajpath.2016.06.024Adapala NS, Yamaguchi R, Phipps M, Aruwajoye O, Kim HKW. Necrotic Bone Stimulates Proinfl Responses in Macrophages through the Activation of Toll-Like Receptor 4. Am J Pathol. 2016;186(11):29872999. https://doi.org/10.1016/j.ajpath.2016.06.024Нуруллина Г.М., Ахмадуллина Г.М. Костное ремоделирование в норме и при первичном остеопорозе: значение маркеров костного ремоделирования. Архивъ внутренней медицины. 2018;8(2):100-110. https://doi.org/10.20514/2226-6704-2018-8-2-100-110Nurullina GM, Ahmadullina GM. Bone remodeling in norm and in primary osteoporosis: the signifi of bone remodeling markers. Arkhiv" vnutrenney meditsiny. 2018;8(2):100-110. (In Russ). https://doi.org/10.20514/2226-6704-2018-8-2-100-110Yamaguchi R, Kamiya N, Adapala NS, Drissi H, Kim HK. HIF-1-Dependent IL-6 Activation in Articular Chondrocytes Initiating Synovitis in Femoral Head Ischemic Osteonecrosis. J Bone Joint Surg Am. 2016;98(13):1122-1131. https://doi.org/10.2106/JBJS.15.01209Yamaguchi R, Kamiya N, Adapala NS, Drissi H, Kim HK. HIF-1-Dependent IL-6 Activation in Articular Chondrocytes Initiating Synovitis in Femoral Head Ischemic Osteonecrosis. J Bone Joint Surg Am. 2016;98(13):1122-1131. https://doi.org/10.2106/JBJS.15.01209Kamiya N, Kim HK. Elevation of Proinflammator Cytokine HMGB1 in the Synovial Fluid of Patients With Legg-Calvé-Perthes Disease and Correlation With IL-6. JBMR Plus. 2020;5(2):e10429. https://doi.org/10.1002/jbm4.10429Kamiya N, Kim HK. Elevation of Proinflammator Cytokine HMGB1 in the Synovial Fluid of Patients With Legg-Calvé-Perthes Disease and Correlation With IL-6. JBMR Plus. 2020;5(2):e10429. https://doi.org/10.1002/jbm4.10429Chen B, Du Z, Dong X, Li Z, Wang Q, Chen G, Zhang G, Song Y.Association of Variant Interactions in RANK, RANKL, OPG, TRAF6, and NFATC1 Genes with the Development of Osteonecrosis of the Femoral Head. DNA Cell Biol. 2019;38(7):734-746. https://doi.org/10.1089/dna.2019.4710Chen B, Du Z, Dong X, Li Z, Wang Q, Chen G, Zhang G, Song Y.Association of Variant Interactions in RANK, RANKL, OPG, TRAF6, and NFATC1 Genes with the Development of Osteonecrosis of the Femoral Head. DNA Cell Biol. 2019;38(7):734-746. https://doi.org/10.1089/dna.2019.4710Lechner J, Rudi T, von Baehr V. Osteoimmunology of tumor necrosis factor-alpha, IL-6, and RANTES/CCL5: a review of known and poorly understood inflammatory patterns in osteonecrosis. Clin Cosmet Investig Dent. 2018;10:251-262. https://doi.org/10.2147/CCIDE.S184498Lechner J, Rudi T, von Baehr V. Osteoimmunology of tumor necrosis factor-alpha, IL-6, and RANTES/CCL5: a review of known and poorly understood inflammatory patterns in osteonecrosis. Clin Cosmet Investig Dent. 2018;10:251-262. https://doi.org/10.2147/CCIDE.S184498Adapala NS, Kim HKW. Comprehensive Genome-Wide Transcriptomic Analysis of Immature Articular Cartilage following Ischemic Osteonecrosis of the Femoral Head in Piglets. Plos One. 2016;11(4):e0153174. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153174Adapala NS, Kim HKW. Comprehensive Genome-Wide Transcriptomic Analysis of Immature Articular Cartilage following Ischemic Osteonecrosis of the Femoral Head in Piglets. Plos One. 2016;11(4):e0153174. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153174

The authors declare that there are no conflicts of interest present.