Обнаружение передачи внутрисуставного давления от одного колена к другому как подтверждение теории о наличии физиологической системы «внутренний гидравлический экзоскелетон», предохраняющей суставные хрящи от перегрузки

Авторы:

Питкин М.Р. — доктор технических наук, профессор Тафтского университета, Бостон, МА 02111, США. Тел.: 617-636-7000, e-mail: mpitkin@tuftsmedicalcenter.org

Аннотация:

Введение. Перегрузка суставных хрящей общепринято считается одной из основных причин патогенеза остеоартрита и смежных патологичских состояний. Поэтому остеоартрит диагностируется чаще у людей, избыточная нагрузка на суставы которых носит систематический характер либо по роду деятельности, как, например, у военнослужащих, либо в результате первичного нарушения здоровья — как при односторонней ампутации нижней конечности.
Однако уже в норме, судя по существующим оценкам, контактные давления на хрящи близки к пределу прочности хрящевой ткани. Без ответа на вопрос, каким образом хрящ выдерживает столь высокие давления на протяжении всей жизни человека, трудно рассчитывать на успех предупреждения и лечения остеоартрита и сопутствующих заболеваний.
Цель. В статье обосновывается гипотеза о том, что внутрисуставные давления в норме существенно ниже, чем принято считать, благодаря работе вновь выявленной физиологической системы. Система, названная «внутренний гидравлический экзоскелетон», включает в себя надкостницу, покрывающую практически весь скелет, и поднадкостничную жидкость, и лишь нарушения ее нормального функционирования приводят к опасным перегрузкам суставов и их дальнейшей патологии.
В статье далее рассматривается возможный подход к совершенствованию профилактики и реабилитации суставной патологии путем поддержания работы системы «внутренний гидравлический экзоскелетон».
Материалы и методы. В нашем исследовании на кроликах [1] у каждого из десяти животных мы одновременно измеряли давление в двух коленных суставах задних конечностей, один из которых пассивно сгибался и разгибался, а другой был фиксирован гипсовой повязкой. У четырех кроликов по завершении общего для всех животных эксперимента выполнялось кольцевое рассечение надкостницы по периметру бедренной кости на 3 см выше правого коленного сустава. Затем сустав сгибался-разгибался, как и в общем эксперименте, с одновременным измерением давления в нем и в неподвижном левом коленном суставе.
Результаты. Давление в неподвижном суставе изменялось каждый раз, когда изменялось давление в подвижном суставе, однако после рассечения надкостницы давление в неподвижном суставе не изменялось. Выполняемые одновременно измерения венозного кровяного давления не показали корреляции с изменениями гидростатического давления в суставах, что позволило предположить, что внутрисуставное давление передавалось через пространство между надкостницей и поверхностью кости.
Обсуждение. Проведенные эксперименты позволяют предположить, что поднадкостничное гидростатическое соединение синовиальных суставов образует морфологическую сеть, предназначенную для перераспределения и снижения давления вдоль всего периоста, защищая суставные поверхности от избыточной нагрузки на протяжении всей жизни. Учитывая тесное прилегание надкостницы к поверхности костей, предлагаемая концепция не предполагает перетекания синовиальной жидкости из одной суставной сумки в другую. Такого движения жидкости не требуется для гидростатической передачи давления, которое и было зафиксировано в нашем эксперименте.
Заключение. Поддержание выявленной системы «внутренний гидравлический экзоскелетон» в рабочем состоянии, в том числе с помощью предлагаемой методики физических упражнений, следует рассматривать как необходимое условие успешной профилактики и лечения патологии суставов. Дальнейшие многопрофильные исследования необходимы для установления особенностей морфологии и физиологии данной системы.
Финансирование. Это исследование частично финансировалось Национальным Институтом Здоровья США (номер гранта: R44HD057492).

Список цитируемой литературы:

1. M. Pitkin, C. Cassidy, R. Muppavarapu, E. Pitkin, Subperiosteal Transmission of Intra-Articular Pressure Between Articulated and Stationary Joints, Nature. Scientific Reports https://www.nature.com/artides/ srep08103 5 doi:10.1038/srep08103 (2015) 8103.
2. E.M. Zajtseva, L. Alekseeva, Prichiny boli pri osteoartroze i
faktory progressirovanija zabolevanija (obzor literatury) [The Causes of pain in osteoarthritis and factors of disease progression (literature review)], Nauchno- prakticheskaja revmatologija [Scientific-practical rheumatology] (2011) 50-57 (In Russian).
3. M.A. Berglezov, T.M. Andreeva Osteoartroz (‘etiologija, patogenez) [Osteoarthritis (etiology, pathogenesis)] Vestnik travmatologii i ortopedii im. N.N. Priorova [Bulletin of traumatology and orthopedics named. N. N. Priorova] (4) (2006) 79-86 (In Russian).
4. V. Zhirnov, V. Koko, p. Kolos, G. Smykova, E. Dmitrieva, I. Luneva Opyt primenenija artroskopii v uslovijah travmatologicheskogo otdeleija VKG 1602 MO RF pri patologii kolennogo sustava u voennosluzhaschih za poslednie 10 let [The use of arthroscopy in terms of the trauma of attaleia VCG 1602 of the defense ministry in the pathology of the knee joint from the Military over the past 10 years]. Glavnyj vrach Juga Rossii. Travmatologija — Ortopedija [The Chief physician of the South of Russia. Orthopedics And Traumatology] (1 (71)) (2020) 56-60 (In Russian).
5. V. Shapovalov, O. Rikun, R. Gladkov, D. Averkiev, A. Kuzmin Sostojanie i perspektivy hirurgicheskogo lechenija voennosluzhaschih s patologiej kolennogo sustava v spetsializirovannyh ortopedo-travmatologicheskih 4 otdelenijah [Status and prospects of surgical treatment of military personnel with disorders of the knee joint in specialized orthopedic and trauma 4 offices]. Voenno- meditsinskij zhurnal [Military medical journal] 333(5) (2012) 4-12 (In Russian).
6. D. Flynn, L.H. Eaton, D.J. Langford, N. Ieronimakis, H.
McOuinn, R.O. Burney, S.L. Holmes, A.Z. Doorenbos, A SMART design to determine the optimal treatment of chronic pain among military personnel, Contemp Clin Trials 73 (2018) 68-74.
7. K.L. Dominick, Y.M. Golightly, G.L. Jackson, Arthritis prevalence and symptoms among US non-veterans, veterans, and veterans receiving Department of Veterans Affairs Healthcare, The Journal of rheumatology 33(2) (2006) 348-354.
8. J.E. Showery, N.A. Kusnezov, J.C. Dunn, J.O. Bader, PJ. Belmont, Jr., B.R. Waterman, The Rising Incidence of Degenerative and Posttraumatic Osteoarthritis of the Knee in the United States Military, J Arthroplasty 31(10) (2016) 2108-14.
9. L. Smith, R. Westrick, S. Sauers, A. Cooper, D. Scofield, P. Claro, B. Warr, Underreporting of musculoskeletal injuries in the US Army: findings from an infantry brigade combat team survey study, Sports health 8(6) (2016) 507-513.
10. Л.М. Смирнова, Биомеханические показатели перегрузки сохранной конечности у пациентов с ампутацией голени, бедра или вычленением в тазобедренном суставе, Гений Ортопедии 24(1) (2018) 50-56.
11. P.A. Struyf, C.M. van Heugten, M.W. Hitters, R.J. Smeets, The prevalence of osteoarthritis of the intact hip and knee among traumatic leg amputees, Archives of physical medicine and rehabilitation 90(3) (2009) 440-446.
12. C.H. Lloyd, S.J. Stanhope, I.S. Davis, T.D. Royer, Strength asymmetry and osteoarthritis risk factors in unilateral trans-tibial, amputee gait, Gait Posture 32(3) (2010) 296-300.
13. D.C. Norvell, J.M. Czerniecki, G.E. Reiber, C. Maynard, J.A. Pecoraro, N.S. Weiss, The prevalence of knee pain and symptomatic knee osteoarthritis among veteran traumatic amputees and nonamputees, Arch Phys Med Rehabil 86(3) (2005) 487-93.
14. A. Thambyah, J.C.H. Goh, S.D. De, Contact stresses in the knee joint in deep flexion, Medical engineering & physics 27(4) (2005) 329-335.
15. J.M. Fick, A. Thambyah, N.D. Broom, Articular Cartilage Compression: How Microstructural Response Influences Pore Pressure in Relation to Matrix Health, Connective Tissue Research 51(2) (2010) 132-149.
16. G.A. Ateshian, The role of interstitial fluid pressurization in articular cartilage lubrication, J Biomech 42(9) (2009) 1163-76.
17. M.R. Pitkin, Floating skeleton concept to explain causes of injuries in spine and success of any therapeutic procedure, Journal of Biomechanics 27(6) (1994) 813: http://www. jbiomech.com/article/0021-9290(94)91368-4/abstract.
18. H. Gray, C.M. Goss, Anatomy of the human body, 28th ed., Lea & Febiger, Philadelphia,, 1966.
19. O. McNemar, Note on the sampling error of the difference between correlated proportions or percentages, Psychometrika 12(2) (1947) 153-157.
20. J.R. Levick, Microvascular architecture and exchange in synovial joints, Microcirculation 2(3) (1995) 217-233.
21. K. Gaffney, R.B. Williams, V.A. Jolliffe, D.R. Blake, Intraarticular pressure changes in rheumatoid and normal peripheral joints, Ann Rheum Dis 54(8) (1995) 670-3.
22. S.W. O’Driscoll, A. Kumar, R.B. Salter, The effect of the volume of effusion, joint position and continuous passive motion on intraarticular pressure in the rabbit knee, J Rheumatol 10(3) (1983) 360-3.
23. J.R. Levick, An investigation into the validity of subatmospheric pressure recordings from synovial fluid and their dependence on joint angle, J Physiol 289 (1979) 55-67.
24. A.D. Knight, J.R. Levick, Effect of fluid pressure on the hydraulic conductance of interstitium and fenestrated endothelium in the rabbit knee, J. Physiol. 360 (1985) 311-332.
25. M.I. Jayson, A.S. Dixon, Intra-articular pressure in rheumatoid arthritis of the knee. 3. Pressure changes during joint use, Annals of the rheumatic diseases 29(4) (1970) 401-408.
26. M.J. Wilcox, J.P. Barad, C.C. Wilcox, E.L. Peebles, D.S. Minckler, Performance of a new, low-volume, high- surface area aqueous shunt in normal rabbit eyes, J Glaucoma 9(1) (2000) 74-82.
27. E. Fischer-Friedrich, A.A. Hyman, F. Julicher, D.J. Muller, J. Helenius, Quantification of surface tension and internal pressure generated by single mitotic cells, Sci. Rep. 4(29 August) (2014).
28. S. Jawed, K. Gaffney, D.R. Blake, Intra-articular pressure profile of the knee joint in a spectrum of inflammatory arthropathies, Ann Rheum Dis 56(11) (1997) 686-9.
29. W.B. Greene, F.H. Netter, Netter’s orthopaedics, 1st ed., Saunders Elsevier, Philadelphia, PA, 2006.
30. J.R. Dwek, The periosteum: what is it, where is it, and what mimics it in its absence?, Skeletal radiology 39(4) (2010) 319-323.
31. H. Wingstrand, A. Wingstrand, P. Krantz, Intracapsular and atmospheric pressure in the dynamics and stability of the hip: a biomechanical study, Acta Orthopaedica 61(3) (1990) 231-235.
32. C.A. Squier, S. Ghoneim, C.R. Kremenak, Ultrastructure of the periosteum from membrane bone, J Anat 171 (1990) 233-9.
33. T.E. Popowics, Z. Zhu, S.W. Herring, Mechanical properties of the periosteum in the pig, Sus scrofa, Archives of oral biology 47(10) (2002) 733-741.
34. A.D. Knight, J.R. Levick, The density and distribution of capillaries around a synovial cavity, Experimental Physiology 68(4) (1983) 629.
35. R.E. Shadwick, Mechanical design in arteries, Journal of Experimental Biology 202(23) (1999) 3305-3313.
36. N.M. Kumar, N.B. Gilula, The gap junction communication channel, Cell 84(3) (1996) 381-8.
37. L. Rosendal, H. Langberg, A. Skov-Jensen, M. Kjaer, Incidence ofinjury and physical performance adaptations during military training, Clin J Sport Med 13(3) (2003) 157-63.
38. K. Steinbruck, [Epidemiology of sports injuries—25-year- analysis of sports orthopedic-traumatologic ambulatory care], Sportverletz Sportschaden 13(2) (1999) 38-52.
39. А.И. Марченкова, А.Л. Марченков, Проблемы травматизма в процессе обучения хореографическому искусству, Педагогика: традиции и инновации, 2012, pp. 172-174.
40. M. Benjamin, T. Kumai, S. Milz, B.M. Boszczyk, A.A. Boszczyk, J.R. Ralphs, The skeletal attachment of tendons—tendon «entheses», Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol 133(4) (2002) 931-45.
41. J. Dorfl, Migration of tendinous insertions. I. Cause and mechanism, J Anat 131(Pt 1) (1980) 179-95.
42. J.D. Fogle, A.C. Jannings, M.T. Gross, R.A. Scheuring, J. Crist, Concerns About Ankle Injury Prophylaxis and Acceptance of the Parachute Ankle Brace Among Jumpmaster Students, Mil Med 183(5-6) (2018) e135-e139.
43. H. Reid, S. Wood, Achilles Tendinopathy: Advice and Management. https://www.ouh.nhs.uk/patient-guide/ leaflets/files/11924Ptendinopathy.pdf Oxford University Hospitals NHS Foundation Trust (2015).
44. U. Bilkay, C. Tokat, E. Helvaci, C. Ozek, O. Zekioglu, T. Onat, E. Songur, Osteogenic capacities of tibial and cranial periosteum: a biochemical and histologic study, J Craniofac Surg 19(2) (2008) 453-8.
45. M. Benjamin, B. Moriggl, E. Brenner, P. Emery, D. McGonagle, S. Redman, The “enthesis organ” concept: why enthesopathies may not present as focal insertional disorders, Arthritis & Rheumatism 50(10) (2004) 3306-3313.
46. M. Benjamin, D. McGonagle, Basic concepts of enthesis biology and immunology, J Rheumatol Suppl 83 (2009) 12-3.
47. M. Nordin, N. Kahanovitz, R. Verderame, M. Parnianpour, S. Yabut, K. Viola, N. Greenidge, M. Mulvihill, Normal trunk muscle strength and endurance in women and
the effect of exercises and electrical stimulation. Part 1: Normal endurance and trunk muscle strength in 101 women, Spine 12(2) (1987) 105-11.
48. G. Li, L. Wan, M. Kozanek, Determination of real-time in-vivo cartilage contact deformation in the ankle joint, J Biomech 41(1) (2008) 128-36.
49. M. Pitkin, Floating Skeleton Concept. In:, Biomechanics for Life. Introduction to Sanomechanics Springer, Heidelberg, Dordrecht, London, New York, 2011, pp. pp.1-24.
50. K.C. Morrell, W.A. Hodge, D.E. Krebs, R.W. Mann, Corroboration of in vivo cartilage pressures with implications for synovial joint tribology and osteoarthritis causation, Proc Natl Acad Sci U S A 102(41) (2005) 14819-24.
51. N.V. Jaumard, J.A. Bauman, W.C. Welch, B.A. Winkelstein, Pressure measurement in the cervical spinal facet joint: considerations for maintaining joint anatomy and an intact capsule, Spine 36(15) (2011) 1197-1203.
52. M. Pitkin, Biomechanics for Life. Introduction to Sanomechanics: http://www.springer.com/medicine/orthopedics/book/978-3-642-17176-5, Springer Heidelberg, Dondrecht, London, New York: , 2011.
53. O. Galibin, Sanomechanics and Floating Skeleton Concept for Learning and Teaching Yoga Therapy, J Altern Complement Integr Med 2(1) (2016) http://heraldopenaccess.us/fulltext/Alternative- Complementary-&-Integrative- Medicine/ Sanomechanics-and-Floating-Skeleton-Concept-for- Learning-and-Teaching-Yoga-Therapy.pdf.
54. M. Pitkin, New Training System — Sanomechanics — Based on the Discovery of Subperiosteal Transmission of Pressures Between Joint Capsules, Military Health System Research Symposium MHSRS-19-00181, Kissime, FL, 2019, p. 182.
55. Г. Попова, Г. Загородный, Н. Парамонова, Физическая подготовленность лиц, перенесших ампутацию нижних конечностей, (2013).
56. В.Г. Сусляев, К.К. Щербина, Л.М. Смирнова, А.В. Сокуров, Т.В. Ермоленко, Новая медицинская технология протезирования и физической реабилитации после ампутации нижней конечности, Вестник медицинского института «Реавиз»: реабилитация, врач и здоровье (2 (38)) (2019).
57. J.J. Knapik, S.C. Craig, K.G. Hauret, B.H. Jones, Risk factors for injuries during military parachuting, Aviat Space Environ Med 74(7) (2003) 768-74.