X-ray spectral microanalysis of the sternum in patients with congenital pectus excavatum

Cover Page

Abstract


Aim. To study the mineral composition of the sternum in patients with congenital funnel-shaped deformations of the chest.

Methods. X-ray spectral microanalysis of the sternum was performed in 10 patients with pectus excavatum aged 14–17 years (30 zones) on a scanning electron microscope with an accelerating voltage of 25 kV. The results of the sternum examination of 3 patients aged 14–16 years (10 zones) operated on for other diseases were used as the control.

Results. Graphic images of mineralization of each investigated zone of the sternum were obtained. As a result of processing the graphic data, the IBAS-200 system obtained average atomic orbital values, weight and atomic percent, net and background intensities and their ratios, intensity errors of the elements-constituents of mineral matrix of the sternum. The structures of the sternum in the main and control groups did not differ. The predominant elements are oxygen (O), phosphorus (P) and calcium (Ca). Their net intensity in patients and in healthy subjects of the corresponding age was 101.16±2.78 and 99.23±1.97 (р <0.001), respectively; 402.38±2.23 and 421.28±1.99 (р <0,001); 586.41±2.37 and 601.32±1.99 (р <0.001). Net intensity of phosphorus and calcium in healthy children was higher by 2.5–4.5%, and that of oxygen was lower by 1.9%. An important indicator is the ratio of the net and background intensities of the elements.

Conclusion. Net intensity of phosphorus and calcium in healthy children was higher, in the pathogenesis of the deformation of the chest, the sternum changes its shape secondarily.


Процесс минерализации костной ткани включает значительное количество взаимосвязанных между собой факторов и механизмов, которые можно условно разделить на три основные группы [1]:
а) локальное увеличение содержания ионов кальция и фосфатных ионов до уровня, при котором могла бы произойти спонтанная преципитация минералов;
б) наличие веществ, обеспечивающих сайты для формирования ядер минералов;
в) наличие веществ, препятствующих образованию минералов и их удалению или инактивации для последующего обызвествления.

Главную роль в процессе минерализации кости играют матриксные пузырьки межклеточного вещества. Мембраны этих пузырьков создают особую закрытую среду для аккумуляции ионов кальция и фосфора, которые первоначально превращаются в аморфные фосфаты кальция, а затем в апатиты. Минералы занимают около 35% объёма кости [2]. Почти все минеральные вещества в пластинчатой кости концентрируются внутри коллагеновых фибрилл [3]. Объём минеральных веществ вне фибрилл составляет всего 5–10% [4].

При различных аномалиях развития скелета и диспластических состояниях соединительной ткани происходит нарушение минерализации костной ткани [5]. Предположительно это явление возможно и при врождённой воронкообразной деформации грудной клетки.

Кроме того, при воронкообразной грудной клетке деформации подвержены в той или иной степени и рёбра, и грудина. Существуют различные мнения о влиянии грудины на формирование воронкообразной деформации: одни авторы считают, что деформация грудины — вторичное следствие непропорционального ускоренного роста рёберных хрящей [6–9], другие указывают на участие грудины в формировании деформации за счёт нарушения её эндохондрального роста [10, 11].

Целью настоящего исследования было изу­чение минерального состава грудины у пациентов с врождёнными воронкообразными деформациями грудной клетки и влияния грудины на формирование деформации грудной клетки.

Выполнен рентгеноспектральный микроанализ (РСМ) резецированных во время хирургического вмешательства фрагментов тела грудины у 10 больных, оперированных по поводу воронкообразной деформации грудной клетки, в возрасте от 14 до 17 лет (рис. 1). РСМ грудины служит научным исследованием, в стандарт обследования больных с деформациями грудной клетки не входит.

 

Рис. 1. Зона исследования с помощью рентгеноспектрального микроанализа грудины у пациента с воронкообразной деформацией грудной клетки

 

Контролем служили результаты РСМ фрагментов грудины 3 пациентов 14–16 лет, полученных во время операционного доступа с использованием стернотомии. Этих больных оперировали по поводу заболеваний, не связанных с патологией опорно-двигательного аппарата (пациенты страдали заболеваниями сердца). Были взяты небольшие фрагменты грудины объёмом несколько миллиметров, не влияющие на процесс сращения грудины в послеоперационном периоде.

В основной и контрольной группах исследования проведены в соответствии с этическими стандартами Хельсинской декларации и одобрены локальным независимым этическим комитетом ФГБОУ ВО «Ростовский государственный медицинский университет» Минздрава России. Все пациенты, которых госпитализируют в университетскую клинику, подписывают согласие на участие в клинических исследованиях, организованных на её базе.

Исследуемых зон грудины у больных детей было 30, в контрольной группе — 10.

Исследования выполнены на сканирующем электронном микроскопе XL-30 (Philips). Образцы фиксировали в 2,5% глутаровом альдегиде на фосфатном буфере (рН=7,2), промывали, проводили через спирты восходящей концентрации и ацетон, высушивали в сушке критической точки. Образцы монтировали на алюминиевые столики с помощью адгезивных проводящих прокладок, из углеродного цемента создавали мостики на столик для предотвращения накопления заряда на образцах. Затем напыляли углерод.

Для РСМ использовали ускоряющее напряжение 25 кВ. Анализ проводили на детекторе EDAX с Li/Be ультратонким окном. Морфометрические исследования осуществляли с помощью системы обработки графических данных IBAS-200. РСМ выполнялся на базе Ростовского областного патологоанатомического бюро (главный врач — к.м.н. Г.А. Резникова).

Приводим пример результатов обработки одной зоны фрагмента грудины у больного К. 15 лет с воронкообразной деформацией грудной клетки (табл. 1).

 

Таблица 1. Результаты обработки графических данных одной зоны исследуемого объекта с помощью системы ­IBAS-200 (пациент К. 15 лет)

D:\DX4\EDS\USR\BONES\KURASH1.SPC

Current Time: 18:10:11 Date : 15-Feb- 7

kV: 25.00 Tilt: 0.00 Take-off: 35.77 Tc: 40

Det Type: UTW, Sapphire Res: 138.21 Lsec: 168

Element Wt % At %

O 53.55 70.71

Na 4.13 3.80

Mg 0.55 0.48

Si 0.53 0.40

P 18.26 12.46

S 0.33 0.22

Cl 0.07 0.04

K 0.30 0.16

Ca 22.26 11.73

Total 100.00 100.00

Element Net Inten. Backgrd Int. Error P/B

O 81.83 1.63 0.86 50.11

Na 28.78 14.71 1.77 1.96

Mg 6.09 20.64 6.55 0.29

Si 10.62 24.93 4.33 0.43

P 392.44 23.45 0.40 16.74

S 6.34 21.31 6.40 0.30

Cl 1.51 18.84 22.96 0.08

K 6.64 15.77 5.49 0.42

Ca 464.26 13.81 0.36 33.61

Примечание: Wt % — весовой процент; At % — атомарный процент; Net Inten. — весовая интенсивность; Backgrd — фон; Int. Error — ошибка интенсивности; P/B — отношение весовой и фоновой интенсивности; Sapphire Res — величина разрешения; kV — величина напряжения; Element — обозначение химических элементов согласно таблице Д.И. Менделеева.

 

Получены также графические изображения минерализации каждой исследуемой зоны. Приводим примеры зоны РСМ у пациента с воронкообразной деформацией грудной клетки (больной К. 15 лет, рис. 2) и наблюдения контрольной группы (исследуемая Г. 16 лет, рис. 3).

 

Рис. 2. Графическое изображение минерализации грудины при воронкообразной деформации грудной клетки

 

Рис. 3. Графическое изображение минерализации грудины в норме

 

Результаты обработки графических данных системой IBAS-200 30 зон грудины больных детей и 10 зон в контрольной группе сведены в таблицы (табл. 2, 3) с выведением средних ­показателей (M±m) представленных выше параметров.

 

Таблица 2. Показатели минерализации костной ткани грудины у пациентов с воронкообразной деформацией ­грудной клетки (M±m) на основании данных рентгеноспектрального микроанализа* (n=30)

Element

Wt %

At %

Net Inten.

Backgrd

Int. Error

P/B

O

56,01±3,47

73,17±4,78

101,16±2,78

7,49±1,86

1,64±0,02

13,50±1,49

Na

3,33±0,21

3,03±0,87

26,73±1,96

18,23±1,87

3,99±1,07

1,47±1,05

Mg

0,08±0,023

0,07±0,023

0,99±0,035

22,84±1,09

78,66±3,78

0,04±0,032

Si

0,49±0,06

0,37±0,23

11,62±1,47

23,95±1,54

8,17±0,97

0,49±0,95

P

15,75±1,98

10,63±0,12

402,38±2,23

23,24±1,96

0,82 ±0,034

17,31±1,14

S

0,35±0,032

0,23±0,034

8,30±1,21

22,00±1,53

10,55±1,23

0,38±0,79

Cl

0,09±0,012

0,05±0,003

2,18±0,67

18,03±1,98

32,85±1,23

0,12±0,34

K

0,42±0,12

0,23±0,056

11,24±1,03

14,96±2,39

7,25±1,47

0,75±0,43

Ca

23,47±1,17

12,24±0,32

586,41±2,37

13,42±1,32

0,66±0,023

43,70±1,79

Примечание: *достоверность различий между показателями (р <0,01); Wt % — весовой процент; At % — атомарный процент; Net Inten. — весовая интенсивность; Backgrd — фон; Int. Error — ошибка интенсивности; P/B — отношение весовой и фоновой интенсивности; Element — обозначение химических элементов согласно таблице Д.И. Менделеева.

 

Таблица 3. Показатели минерализации костной ткани грудины у здоровых детей (M±m) на основании данных рентгеноспектрального микроанализа* (n=10)

Element

Wt %

At %

Net Inte.

Backgrd

Int. Error

P/B

O

58,09±2,14

69,32±2,18

99,23±1,97

6,54±0,96

1,32±0,04

15,17±2,05

Na

3,12±0,34

2,97±0,72

27,13±1,32

19,56±1,51

3,13±0,78

1,38±0,87

Mg

0,09±0,029

0,06±0,019

0,87±0,029

24,67±1,23

67,59±4,18

0,035±0,023

Si

0,54±0,09

0,35±0,13

12,11±1,32

25,19±1,39

9,59±0,86

0,48±0,949

P

17,31±1,23

12,17±0,22

421,28±1,99

17,98±1,34

0,62±0,079

23,43±1,485

S

0,39±0,024

0,31±0,022

7,43±1,11

21,24±1,29

11,15±1,67

0,349±0,86

Cl

0,09±0,023

0,06±0,002

2,56±0,39

16,05±1,35

30,11±1,69

0,159±0,28

K

0,34±0,41

0,19±0,067

10,34±1,19

15,16±1,79

8,02±1,12

0,68±0,66

Ca

25,17±1,32

13,15±0,28

601,32±1,99

14,12±1,78

0,79±0,012

42,58±1,117

Примечание: *достоверность различий между показателями (р <0,01); Wt % — весовой процент; At % — атомарный процент; Net Inten. — весовая интенсивность; Backgrd — фон; Int. Error — ошибка интенсивности; P/B — отношение весовой и фоновой интенсивности; Element — обозначение химических элементов согласно таблице Д.И. Менделеева.

 

Анализируя полученные цифровые и графические данные степени минерализации костной ткани грудины у детей с воронкообразной деформацией грудной клетки и сравнивая их с таковыми у здоровых детей (см. рис. 2 и 3; табл. 2 и 3), мы пришли к выводу, что элементная качественная и количественная структура грудины у основной и контрольной групп практически не различается. Преобладают кислород (O), фосфор (P) и кальций (Ca). Их весовая интенсивность у больных и здоровых детей соответствующего возраста составила соответственно: 101,16±2,78 и 99,23±1,97 (р <0,001); 402,38±2,23 и 421,28±1,99 (р <0,001); 586,41±2,37 и 601,32±1,99 (р <0,001).

Важным показателем считаем соотношение весовой и фоновой интенсивности элементов [12]. Графическое сравнение этих показателей (рис. 4) позволило получить столбцы, соответствующие по высоте друг другу со статистически незначительными количественными отклонениями.

 

Рис. 4. Сравнение минерализации грудины в норме и при воронкообразной деформации грудной клетки в виде диаграммы. Элементы обозначены согласно таблице химических элементов Д.И. Менделеева; ВДГК — воронкообразная деформация грудной клетки

 

Вывод

1. На основании проведённых исследований с помощью сканирующей электронной микроскопии грудины с рентгеноспектральным микроанализом элементного состава у детей с воронкообразной деформацией грудной клетки можно достоверно утверждать, что весовая интенсивность фосфора и кальция у здоровых детей выше на 2,5–4,5%, а кислорода — ниже на 1,9%.

2. В патогенезе возникновения врождённой деформации грудной клетки грудина меняет свою форму вторично вследствие непропорционального ускоренного роста рёберных хрящей.

 

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов по представленной статье.

V B Shamik

Rostov State Medical University

Author for correspondence.
Email: prof.shamik@gmail.com
SPIN-code: 2977-6446

Russian Federation, Rostov-on-Don, Russia

  1. Anderson H.C. Matrix vesicle calcification. Introduction. Fed. Proc. 1976; 35: 105–108. doi: 10.1016/b978-0-12-119204-4.50011-9.
  2. Lavrishcheva G.I., Onoprienko G.A. Morfologicheskie i klinicheskie aspekty reparativnoy regeneratsii opornykh organov i tkaney. (Morphological and clinical aspects of reparative regeneration of supporting organs and tissues.) Moscow: Meditsina. 1996; 208 р. (In Russ.)
  3. Glimcher M.J. Composition, structure and organization of bone and other mineralized tissues and the mechanism of calcification. In: Handbook of physiology-endocrinology VII. Ed. G.D. Aurbach. Baltimore: Williams and Wilkins. 1976; 25–116. doi: 10.1136/bmj.2.6038.761-a.
  4. Boyde A. Scanning electron microscope studies of bone. In: The biochemistry and physiology of bone. Ed. G.H. Bourne. 2nd edn. New York: Academic. 1972; 1: 259–310. doi: 10.1016/c2013-0-12533-0.
  5. Revell P. A. pathology of bone. Berlin, Springer-Verlag, 1986; 30 p. Russ. Ed.: Patologiya kosti. Moscow: Meditsina. 1993; 368 p. (In Russ.)
  6. Bentz M.L., Futrell J.W. Improved chest wall fixation for correction of pectus excavatum. British J. Plastic Surg. 1992; 45 (5): 367–370. doi: 10.1016/0007-1226(92)90006-j.
  7. Dolʹnitskiy O.V., Dirdovskaya L.N. Vrozhdennye deformatsii grudnoy kletki u detey. (Congenital chest deformities in children.) Kiev: Zdorovʹe. 1978; 117 p. (In Russ.)
  8. Raichura N., Entwisle J., Leverment J., Beardsmore C.S. Breath-hold MRI in evaluating patients with pectus excavatum. Br. J. Radiol. 2001; 74: 701–708. doi: 10.1259/bjr.74.884.740701.
  9. Sadler T.W. Embryology of the sternum. Chest Surg. Clin. N. Amer. 2000; 10 (2): 237–244.
  10. Bairov G.A., Fokin A.A. Keeled chest deformation. Vestnik khi­rurgii. 1983; (2): 89–94. (In Russ.)
  11. Haje S.A., Harcke H.T., Bowen J.R. Growth disturbance of the sternum and pectus deformities: imaging stu­dies and clinical correlation. Pediatr. Radiol. 1999; 29 (5): 334–341. doi: 10.1007/s002470050602.
  12. Fizicheskie osnovy rentgenospektral'nogo mikroanaliza. (Physical basis of X-ray microanalysis.) Saint Petersburg: “Materials Science and Diagnostics in Advanced” at the Institute of Physics and Technology named after A.F. Ioffe. 2010; 27 p. (In Russ.)

Supplementary files

There are no supplementary files to display.

Views

Abstract - 34

PDF (Russian) - 23

Cited-By


PlumX


© 2019 Shamik V.B.

Creative Commons License

This work is licensed
under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.


Свидетельство о регистрации СМИ ЭЛ № ФС 77-75008 от 1 февраля 2019 года выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор)


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies