1. Введение

Межпозвонковый диск (МПД) человека анатомически делится на три составляющие части: внутренняя (центральная) часть — пульпозное ядро (ПЯ), наружный участок — фиброзное кольцо (ФК) и третья составляющая — тонкий слой гиалинового хряща (замыкательная пластинка), который сверху и снизу отделяет диск от тел смежных позвонков. В большинстве случаев болевой синдром в спине человека

[1][2][1][3]

По данным Глобального исследования бремени болезней 2021, в 2020 году боль в нижней части спины зарегистрирована у 619 млн человек, к 2050 году прогнозируется рост числа случаев до 843 млн, что делает данное состояние ведущей причиной инвалидности в мире

[21][22][23][20]

Основным структурным компонентом ПЯ и ФК является фибриллярный белок коллаген, погружённый в гель ПГА. Сеть коллагена выполняет две основные функции: армирующую и связывающую ПГА. Основой ПГА является полимерная гиалуроновая кислота (ГК) — несульфатированный глюкозаминогликан, мономер которой образован D-глюкуроновой кислотой и N-ацетил-D-глюкозамином. Химическая природа веществ, входящих в протеогликаны МПД, обеспечивает отрицательный заряд их макромолекулам, притягивающий дипольные молекулы воды. Поэтому вода является одним из основных компонентов ПЯ МПД; её содержание варьирует от 77% у лиц старшей возрастной группы до 90 % у младенцев

[3][4]

Для детального анализа водных, в том числе и гетерогенных, систем давно используются методы ИК-спектроскопии. Полоса валентных колебаний ОН-групп находится в диапазоне волновых чисел 3100–3700 см⁻¹, однако её контур представляет собой широкую слабо разрешённую кривую. Для выделения индивидуальных компонент применяют Фурье-деконволюцию

[5][5][5][6][6][7]

Научная новизна настоящего исследования заключается в том, что впервые гидратацию пульпозного ядра оценивают количественно по ИК-спектрам с Фурье-деконволюцией, раздельно определяя свободную и связанную воду в операционном материале. Также впервые спектральный индекс сопоставлен с модельным индексом, рассчитанным по геометрической модели проницаемости пульпозного ядра.

Цель исследования — оценить содержание свободной и связанной воды в ткани пульпозного ядра человека методом ИК-спектроскопии с Фурье-преобразованием.

2. Методы и принципы исследования

Дизайн исследования: одномоментное (поперечное) обсервационное исследование образцов ткани, полученных интраоперационно.

Материалом служили ткани удалённого фрагмента ПЯ во время плановых операций пункционной декомпрессивной нуклеопластики МПД с одновременным измерением внутридискового давления (ВДД) [8] (нейрохирургическое отделение городской клинической больницы г. Кинешма). Получено 11 образцов; измеренные значения ВДД составили от 25 до 60 см вод. ст. Образцы выкладывали на KRS-стекло, хранили не более суток при температуре около 4 °С в герметичных контейнерах. Перед записью спектров образцы термостатировали при 22 °С.

ИК-спектры регистрировали на Фурье-спектрометре TENSOR-27 (Bruker Optics, Германия) и обрабатывали программным обеспечением OPUS‑6. Для разделения вкладов свободной и связанной воды применяли Фурье-деконволюцию по модели Лоренца; полосу валентных колебаний N–H пептидных связей коллагена исключали из расчёта. Спектральный индекс онко/гидро (сО/Г) вычисляли как отношение разности площадей пиков связанной и свободной воды в диапазоне 3200–3650 см⁻¹ к их сумме; индекс принимает значения от +1 (только связанная вода) до –1 (только свободная вода). Для сопоставления использовали геометрическую модель проницаемости ПЯ, разработанную авторами [9], [10], [11].

3. Основные результаты

Упругость ткани ПЯ определяется присутствием воды, иммобилизованной комплексом коллагеновых фибрилл (КФ) и ПГА. Деструкция ПГА высвобождает воду и снижает упругость ядра. «Связанной» считают воду, удерживаемую силами межмолекулярного взаимодействия компонентами ПЯ; «свободной» воду, находящуюся в пространстве между волокнами коллагена с растворёнными в ней продуктами распада ГК. Полосы поглощения этих двух типов воды в ИК-спектре различны, так как на них по-разному действуют ван-дер-ваальсовы, ионно-электростатические силы и водородные связи [3], [5]. Положения максимумов поглощения обоих типов воды отличаются от модельных, поскольку ионная сила этих водных систем различается [5].

Полученные спектры (рис. 1) представляют собой типичные спектры коллагена [6], в которых выделяются характерные для белка области. Амид А широкая полоса поглощения с максимумом при 3295 см⁻¹, комбинированная, обусловленная колебательными модами воды и валентными колебаниями N–H пептидных связей коллагена.

Сравнение спектров образцов с разным ВДД (рис. 2) показывает, что повышение давления вызывает батохромный сдвиг этой полосы, то есть изменяется соотношение свободной и связанной воды.

Деконволюция (рис. 3) позволила разложить наблюдаемые контуры на полосы свободной и связанной воды и выделить полосу N–H валентных колебаний [5], [6]. Анализ площадей пиков свидетельствует, что при большем осмотическом давлении относительное содержание прочно удерживаемой («связанной») воды выше, чем свободной. Для образца с ВДД 40 см вод. ст. суммарная площадь пиков связанной воды составила 114,1, свободной 52,2, индекс сО/Г = +0,37; для ВДД 30 см вод. ст. 1406,2 и 1080,7, индекс +0,13; для ВДД 25 см вод. ст. – 60,5 и 76,0, индекс –0,11.

Модельный индекс мО/Г рассчитывали по геометрической модели проницаемости ПЯ как отношение разности площади, занятой ПГА и КФ, и площади свободного пространства к их сумме [9], [10], [11]. Диапазон изменения мО/Г в моделях составляет от +0,87 до –0,84. Меньший по модулю максимум по сравнению со спектральным индексом объясняется тем, что в упаковке структурных элементов модели всегда присутствует некоторое количество свободной воды, а деструкция коллагеновых фибрилл не рассматривается.

В табл. 1 представлены зависимости ВДД от индекса онко/гидро, полученные по результатам ИК-спектроскопии и по геометрической модели проницаемости ПЯ. Модель подбирали по наиболее близким значениям ВДДм к экспериментальному ВДДэ.

4. Обсуждение

Полученные данные согласуются с представлениями о том, что при дегенерации МПД происходит снижение рН в центре ПЯ до 6,4 вследствие лактат-ацидоза [4]. Уменьшение рН подавляет диссоциацию кислых групп ПГА, суммарный заряд падает, количество связанной воды уменьшается, а свободной возрастает. В кислой среде ускоряется выработка гиалуронидазы [12], хотя её активность существенно не изменяется [13]. Это ведёт к фрагментации ПГА и вымыванию глюкозаминогликанов. ПЯ дегидратируется, внутридисковое осмотическое давление падает, высвободившаяся вода фильтруется через коллагеновую сеть. Доказано, что при острых и хронических дегенеративных изменениях МПД содержание ГК в ПЯ существенно различается; концентрация ГК пропорциональна осмотическому давлению [14]. Период полураспада ГК, протекающий под действием фермента гиалуронидазы, в организме человека составляет 2 суток, однако непрерывный синтез ГК приводит к обновлению её состава каждые 2–3 дня [15]. Молекулярная масса ГК варьирует в широких пределах (от 5000 до 20 000 000 Да); например, средняя ММ макромолекул ГК в синовиальной жидкости человека составляет 3 140 000 Да [16]. Волокна коллагена, входящие в состав ПЯ, толщиной 1,5 нм упакованы в фибриллы диаметром до 300 нм; в состав коллагена также входит связанная вода, играющая существенную роль в механизме образования коллагеновых фибрилл [17]. Сформировавшиеся КФ практически не смачиваются свободной водой и не оказывают сопротивления движению жидкости вдоль волокна [17]. МПД в поясничном отделе позвоночника способен выдерживать одноосное давление до 2,5 МПа [18].

Сравнение спектрального и модельного индексов показывает хорошее согласие: для трёх образцов различия не превышают 0,05, что подтверждает адекватность как спектрального метода оценки гидратации, так и геометрической модели проницаемости ПЯ. Следует отметить, что значение ВДДм в модели отличается для разных значений времени падения измерительной капли (2, 3 и более секунд), что следует учитывать при сопоставлении [9], [10], [11].

В недавнем исследовании Vettese et al. [19] показано, что процессы децеллюляризации и стерилизации коллагеновых матриксов сопровождаются изменением их гидратации и структуры поперечных сшивок, что подчёркивает важность контроля содержания воды в тканях на основе коллагена. Это согласуется с нашими результатами о связи степени гидратации ПЯ с его функциональным состоянием.

5. Заключение

В работе исследованы ИК-спектры образцов ткани ПЯ МПД с различной степенью деструкции ПГА. Образцы получены во время пункционной декомпрессивной нуклеопластики с одновременным измерением внутридискового давления (ВДДэ). Для количественной оценки использован безразмерный параметр спектральный индекс онко/гидро (сО/Г), вычисляемый по результатам деконволюции и Фурье-анализа полосы поглощения 3200–3650 см⁻¹. Полученные значения сО/Г сопоставлены с модельным индексом мО/Г, рассчитанным по геометрической модели проницаемости ПЯ. Сравнение указывает на возможность применения предложенного спектрального подхода для оценки гидратированности пульпозного ядра и состояния его протеогликанового матрикса.

The additional file for this article can be found as follows: