Синовиальная жидкость: состав, свойства, лабораторные методы исследования

Возможности передвижения и опоры, обусловливающие физическую активность человека, во многом определяются наличием таких образований, как суставы. Выделяют два типа суставов: синовиальные и хрящевые. Синовиальные суставы — подвижные сочленения, в которых суставные концы костей заключены в укрепленную связками фиброзную суставную капсулу. Ее внутренняя поверхность выстлана синовиальной оболочкой, секретирующей в полость сустава синовиальную жидкость (СЖ). Суставные поверхности костей покрыты гиалиновым хрящом и образуют синовиальную полость.

Синовиальная жидкость и ее функции

Содержащаяся в полости сустава синовиальная жидкость является биологической средой, уникальной по биофизическим, физико-химическим свойствам и составу. Основы фундаментальных исследований СЖ были заложены в середине XIX в. немецким исследователем Frerichs (1846), который изучал химический и клеточный состав синовии животных. Эти исследования получили развитие и продолжение в работах His (1865), Steinberg (1874), О.Э. Гаген-Торна (1883) и др.

Благодаря применению микроскопического, гистохимического, ультраструктурного методов исследования удалось изучить закономерности структурных и обменных процессов в элементах синовиальных суставов. В конце 1960-х — начале 1970-х годов сложилось представление о синовиальной системе, основанное на общности развития и координации функций синовиальной оболочки, синовии и суставного хряща.

СЖ является транссудатом крови и по своему составу имеет значительное сходство с плазмой, но отличается от нее меньшим содержанием белков и присутствием специфического протеогликана — гиалуроновой кислоты (ГУК). Различия в белковом составе плазмы и синовии объясняют барьерными свойствами синовиальной оболочки, непроницаемой для белковых молекул с относительной молекулярной массой более 160000 [11].

СЖ образуется из трех источников: содержащий воду транссудат крови, электролиты, протеины; продукты секреции синовиальных клеток покровного слоя оболочки — ГУК и протеолитические ферменты; продукты изнашивания и смены клеток и основного вещества синовиальной оболочки — в основном протеогликаны и гликопротеиды, постоянно поступающие в полость сустава в процессе его нормальной жизнедеятельности.

Содержание клеток в СЖ невелико и колеблется от 13 до 180 в 1 мм3 [11, 12, 20]. Клетки синовии происходят из клеток самой синовиальной оболочки и крови (их соотношение — 51/49). По данным работы [11], клетки СЖ находятся на различных стадиях жизненного цикла: одни из них жизнеспособны, другие — в состоянии распада. В синовии здорового человека лимфоциты составляют 40% общего числа клеток, 1/5 часть из них — функционирующие. Дифференциальный количественный учет клеточных элементов является реальным тестом при оценке состояния сустава и сводится к составлению синовиоцитограммы.

В норме СЖ представлена синовиальными покровными клетками — синовиоцитами (34,2—37,8%), гистиоцитами (8,9—12,5%), лимфоцитами (37,4—42,6%), моноцитами (1,8—3,2%), нейтрофилами (1,2—2,0) и неклассифицированными клетками (8,3—10,1%).

Помимо клеточных элементов, в СЖ присутствуют частицы износа тканей суставов. Система идентификации частиц износа хряща на основе сканирующей электронной микроскопии (SEM) позволила дифференцировать количественные параметры изнашивания в зависимости от патологического процесса в суставе [25]. Частицы, выделенные методом феррографии и обработанные с помощью SEM, оценивают по 17 параметрам (площадь, периметр, главная ось, длина волокна, периметр упругой нити, выпуклая площадь, выпуклость, скручивание, фактор формы, округлость, округлость волокна, твердость, отношение сторон, отношение волокна, отношение площадь/периметр, фрактальный размер, фрактальный размер поверхности). Зависимость числовых параметров от морфологии частиц иллюстрирует следующее: частицы износа в нормальных суставах имеют неровную поверхность и более выпуклы, что связано с большим содержанием в СЖ клеток и мягких тканей (меньше — коллагеновых частиц); частицы из остеоартритных суставов имеют неровные границы, что обусловлено большим содержанием коллагена в хрящевых частицах. Разработана компьютерная система анализа параметров хрящевых частиц, использующая ряд показателей для описания границ частиц износа. Система анализа позволяет идентифицировать тенденции изменения числовых параметров для частиц износа в нормальных и остеоартритных суставах.

Изучение свойств и функциональных особенностей СЖ показало, что синовия — не инертная бесструктурная система, а подвижное структурированное динамическое образование. Основанием для такого заключения стало выявление в СЖ белково-полисахаридных комплексов, представляющих собой объемные агрегаты ГУК и протеинов [9]. В настоящее время считается бесспорным, что белково-полисахаридные комплексы в силу своей высокой электроотрицательности в растворах стремятся к сферической конфигурации [26]. Впервые структуры такой формы размером 100—1000 нм (как в образцах синовии, так и на поверхности хрящей) были обнаружены с помощью SEM в конце 1960-х годов [26]. На основании экспериментов авторами работы [13] было выдвинуто предположение о том, что обнаруженные ими на трущихся поверхностях хрящей глобулы имеют белковую природу и играют важную роль во фрикционном взаимодействии суставных хрящей по механизму трения качения с возвратно-поступательным перемещением. Данная гипотеза получила подтверждение в работе [22], где была предложена молекулярная модель смазки. Согласно этой модели, сеть молекул ГУК окружает сферические частицы протеина, подобно обойме шарикоподшипника. Частицы протеина могут свободно перемещаться вокруг своей оси, подобно вращающимся элементам шарикоподшипника (рис. 1, см. бумажную версию журнала).

Анализ СЖ, выполненный с помощью применяемого в физике диэлектриков метода термостимулированной деполяризации (ТСД), позволил обнаружить удивительный феномен: при нагревании пробы СЖ, не подвергавшейся никакому электрическому воздействию, регистрируются электрические токи (порядка 10-12 А), что объясняется разрушением структуры жидкокристаллических соединений и белково-полисахаридных комплексов [6]. Температурная зависимость термостимулированных токов (ТСТ) имеет вид спектров, соответствующих ее состоянию во время исследования. Ранее возникновение ТСТ зарегистрировано на твердых биологических объектах [23]. Затем метод был применен при изучении гидратации молекул коллагена [24], лизоцима [21] и некоторых других биополимеров. Таким образом, подтверждается электромолекулярная теория, выдвинутая в середине XIX в. немецким физиологом Э.Г. Дюбуа-Реймоном: синовиальной жидкости, как и любой другой живой материи, присущи естественная электрическая поляризация и наличие квазиполярного биоэлектрического поля.

Благодаря специфическим физико-химическим свойствам и составу СЖ выполняет в суставах ряд функций: метаболическую (обменную), барьерную (защитную), протекторную (биомеханическую).

Метаболическая функция СЖ заключается в осуществлении процессов обмена между сосудистым руслом и хрящом, а также в удалении из полости сустава через лимфатическое русло ферментативно разрушенных клеточных компонентов и крупномолекулярных соединений. Исследованиями [2, 12, 16] подтверждено, что при движениях сустава из хряща в полость сустава выделяется интерстициальная жидкость, которая, смешиваясь с СЖ, обогащается и «очищается» от продуктов обмена хрящевой ткани. После прекращения сжатия хряща происходит обратная диффузия жидкости. Отмечено, что жизнеспособность хрящевой ткани обеспечивается только при условии переменной нагрузки поверхностей трения суставов. В условиях же непрерывного сжатия либо ограничения движений возникает дегенерация хряща, причем раньше других разрушению подвергаются участки, не испытывающие нагрузку от массы тела.

Синовиальная оболочка и СЖ участвуют в защитных иммунных реакциях организма. В различных источниках [11, 18, 20] отмечено, что количество белка в СЖ колеблется от 2,5 до 31,5 г/л, причем 37% составляют глобулины, 2/3 из которых — g-глобулины (IgG, IgA). При воспалительных процессах плазматические клетки начинают продуцировать антитела, благодаря чему активизируется система гуморального и клеточного иммунитета.

Биомеханическая функция СЖ осуществляется благодаря ее вязкости и псевдоупругости. Относительная вязкость синовии (~0,57 ПаЧс) связана с ГУК, что подтверждено экспериментально: в присутствии гиалуронидазы вязкость СЖ значительно уменьшается (до 0,1 ПаЧс). Упругие свойства синовии объясняются пространственной молекулярной структурой комплексов ГУК и протеинов, образующих трехмерные сети с консистенцией геля, благодаря чему создается амортизационный эффект.

В настоящее время рассматривают ряд концептуальных моделей смазки суставов: «смазка выпотеванием», «смазка сдавленной пленкой жидкости», «бустерная смазка» [10, 15].

Исследования отечественных ученых [4, 5] доказали наличие в СЖ холестерина (3,8±0,4 ммоль/л) в виде сложных эфиров кислот (пальмитиновой, пальмитоолеиновой, стеариновой, олеиновой, арахидоновой), которые в области физиологических температур (25—41 °С) являются термотропными жидкокристаллическими (ЖК) соединениями. Экспериментально установлено, что молекулы ЖК соединений холестерина ориентируются согласно микрорельефу хряща в направлении скольжения суставных поверхностей, благодаря чему коэффициент трения в суставе снижается [8].

Молекулы ЖК соединений холестерина, входящие в состав СЖ, размещаются в микробороздках на поверхностях хрящей и образуют ЖК-ориентированную структуру, состоящую из множества нематических слоев. Расстояние между слоями равно поперечному размеру молекул производных холестерина.

В зонах фактического контакта коллагеновых волокон минимальная толщина смазочной прослойки равна S/2, где S — шаг спирали ЖК. Вблизи зон фактического контакта толщина ЖК прослойки тоже кратна S/2. Такая структура подобна структуре слоистых твердых смазок, но молекулярное взаимодействие слоев невелико вследствие их ЖК-состояния. При трении сдвиг локализуется между слоями, легкое скольжение которых обеспечивает низкое трение в суставе. Исчезновение анизотропии микрорельефа на поверхности хряща препятствует образованию ЖК смазочных слоев, что объясняет патогенез деструкции хряща при диффузных болезнях соединительной ткани.

Эта модель дополняет и расширяет представления о механизмах смазки суставов и их биофизике.

Лабораторные методы исследований синовиальной жидкости

На современном этапе развития медицинской диагностики изучение изменений СЖ лабораторными методами остается наиболее информативным и доступным. Обобщая многочисленные литературные данные о диагностической ценности тех или иных методик исследований СЖ при различных заболеваниях как суставов, так и организма в целом, необходимо определить наиболее значимые.

Синовиальную жидкость из полости сустава забирают с диагностической и лечебной целью путем пункции в асептических условиях без предварительной местной анестезии, так как новокаин разрушает хроматин клеточных ядер.

Лабораторный анализ предусматривает определение физико-химических характеристик СЖ, а также проведение микроскопического, бактериоскопического и бактериологического исследований. Определяют количество, цвет, прозрачность, вязкость, муциновый сгусток, рН, оптическую плотность. Визуальную оценку состояния СЖ и ее вязкости делают уже во время пункции. Измененная СЖ (особенно при воспалении сустава) выглядит мутной или гноевидной, имеет желтый или желто-зеленый цвет. Вследствие утраты или снижения вязкости она вытекает из иглы свободно. Для количественного определения вязкости используют вискозиметр. Снижение вязкости сопровождается нарушением образования муцинового сгустка, которое определяют пробой Ropes путем добавления нескольких капель СЖ к ледяной уксусной кислоте. Определение рН СЖ экспресс-методом проводится с помощью универсального индикатора «РКС» или индикаторных бумаг «ФАН». Нормальный показатель рН СЖ находится в пределах 7,3—7,6. Органолептическая оценка свойств синовиальных выпотов дает лишь ориентировочное представление о характере патологии, поскольку схожие изменения наблюдаются при различных заболеваниях.

Путем анализа спектрофотометрических характеристик синовиальных выпотов [1] дифференцируют пигментный ворсинчато-узелковый синовит (ПВУС) и синовиты травматической и ревматической этиологии. Методика заключается в измерении величин оптической плотности в области поглощения белков (Д280) и пигментов (Д460) и определении их отношения (К = Д280/Д460). При значении К меньше 12 диагностируется ПВУС.

Поражение тканей сустава обусловливает изменение клеточного состава СЖ. С диагностической целью выполняют микроскопическое исследование нативных и окрашенных препаратов синовиального выпота. Сначала изучают нативные препараты, которые получают нанесением капли СЖ жидкости на предметное стекло. Окрашенные образцы готовят из нативных препаратов после их изучения. С этой целью покровным стеклом распределяют каплю СЖ по предметному стеклу, подсушивают ее на воздухе и фиксируют метиловым спиртом или фиксатором-красителем Мая—Грюнвальда. После этого окрашивают каплю одним из способов паноптической окраски (по Романовскому, Лейшману, Нохту и др.) в течение 3—5 минут, высушивают, а затем исследуют под микроскопом с использованием иммерсионной жидкости. При микроскопическом изучении синовиальных выпотов могут быть обнаружены следующие клеточные образования: лейкоциты, эритроциты, тканевые клетки, разрушающиеся клетки и элементы злокачественных новообразований. Морфология нейтрофилов, моноцитов, плазматических клеток не отличается от таковой в периферической крови. Элементы злокачественных новообразований обнаруживают в виде однотипных или полиморфных клеток разных размеров, в цитоплазме которых выявляется вакуолизация или жировая инфильтрация. Цитоплазма атипичных клеток окрашивается базофильно. В зависимости от рака или саркомы клеточные элементы могут располагаться в виде скоплений либо в виде компактных округлых или сосочковидных групп. Некоторые клетки злокачественных новообразований выглядят как перстневидные. Выявление в нативном или окрашенном препарате фагоцитов свидетельствует об имеющем место ревматоидном процессе [3]. Фагоциты обнаруживаются в 95 % случаев заболевания и представляют собой поли- или мононуклеары, цитоплазма которых содержит гранулезные включения (от 3 до 10), подобные виноградным зернам. Такие включения содержатся в лейкоцитах (2—90 %).

При подсчете клеточных элементов составляют синовиоцитограмму [11]. Изменение количественного соотношения клеток СЖ не является специфическим, однако оно позволяет дифференцировать воспалительный и невоспалительный процесс, а также судить о степени воспаления. О воспалительных изменениях в синовии свидетельствуют увеличение содержания нейтрофилов (50—93%), низкое содержание лимфоцитов (0—8%). При исследовании СЖ больных ПВУС [17] обнаружено значительное количество лимфоцитов (свыше 28%) и низкое содержание нейтрофилов (до 10%), от 15 до 55 % гистиоцитов, что позволяет предположить иммунный характер заболевания. В дегенеративно измененных суставах в отсутствие обострения синовиоцитограмма приближается к нормальной.

В нативных препаратах СЖ при микроскопии в контрастной фазе у больных подагрой и суставным хондрокальцинозом выявляют микрокристаллы урата натрия и пирофосфата кальция [19]. Кристаллы уратов выглядят длинными, тонкими и острыми, кристаллы пирофосфата кальция более короткие и имеют форму параллелепипедов. В периоде приступа подагры кристаллы обычно располагаются внутриклеточно.

В случае подозрения на инфекционное начало синовита СЖ подвергают бактериоскопическому исследованию, для чего готовят два препарата из осадка или сгустков СЖ. Капли синовии помещают на предметные стекла и окрашивают один по Цилю-Нильсену, а другой — по Граму. В окрашенных препаратах могут быть обнаружены стафилококки, стрептококки, диплококки, микобактерии туберкулеза, спирохеты, актиномицеты и др. Для выделения и идентификации возбудителя производится культуральное исследование СЖ. Также определяют чувствительность микроорганизма к антибиотикам, что позволяет назначить пациенту этиотропное лечение.

Будучи вовлеченной в патологический процесс, СЖ из транссудата превращается в экссудат, что отражается на ее химических свойствах [18]. Увеличение содержания белка выше 30 г/л отмечено при подавляющем большинстве заболеваний, протекающих с явлениями синовита. Среди фракций преобладают глобулины с высоким молекулярным весом. Соотношение альбумины/глобулины снижается до 0,5—2,0 вместо 2,5—4,0. Это явление объясняется не только повышенной проницаемостью синовиальной оболочки при воспалении, но и усилением продукции g-глобулинов синовиальными клетками. Качественное определение белка проводят в реакции с 20% раствором сульфосалициловой кислоты. Появление мутности или хлопьев свидетельствует о присутствии белка. Следующий этап — количественное определение белка — осуществляют с помощью фотоэлектрокалориметра при длине волны 560—650 нм, а расчет производят по калибровочному графику. Для изучения белкового спектра СЖ применяют метод электрофореза и иммуноэлектрофореза. Наиболее важным в диагностическом плане является определение ревматоидного фактора (РФ) в СЖ, поскольку в ней он выявляется раньше, чем в крови [18, 20]. РФ представляет собой IgG, имеющий видоизмененный фрагмент Fc, обладающий антигенными свойствами. Реакция Ваалера—Роуза с эритроцитами барана позволяет с абсолютной вероятностью выявить РФ и определить его титр. Обнаружение РФ возможно и у пациентов с заболеваниями соединительной ткани, гепатитами, туберкулезом.

ГУК является специфическим протеогликаном СЖ, обеспечивающим вязко-упругие свойства синовии. В СЖ здорового сустава ее содержится около 2,45—3,97 г/л. Определение ГУК методом Декера [2, 16] показало снижение ее концентрации в первые дни после травмы и операции на суставе, что объяснимо разведением СЖ экссудатом и угнетением биосинтетической активности клеток, вырабатывающих ГУК. Параллельно с этим отмечено повышение активности гиалуронидазы (определяется вискозиметрическим методом по Мариновейту и Кембалу), которая по мере стихания воспалительного процесса постепенно уменьшается.

Решающая роль активизации протеолитических ферментов в патогенезе хронического посттравматического синовита обоснована в работе [2]. При длительно существующем синовите возникновение артроза становится неизбежным, так как скорость деградации тканей сустава опережает их репарацию. Функциональная недостаточность суставной капсулы, перерастянутой избыточным объемом выпота в суставе, является дополнительной предпосылкой хронизации синовита. Протеолитические ферменты и гликозиды, освобождающиеся из деградирующих клеток синовиальной оболочки, из мигрирующих в СЖ фагоцитов и клеток самого хряща, неизбежно усиливают деструкцию межклеточного вещества хряща. Так называемый «биохимический артроз» имеет место как при хроническом, так и при остром процессе, хотя выражен значительно слабее. Наиболее чувствительные тесты для выявления хронического синовита основаны на определении активности ферментов гликолиза: гексокиназы, лактатдегидрогеназы, фосфогексоизомеразы, супероксиддисмутазы. Выявление в СЖ такого фактора воспаления, как С-реактивный белок (определяют в реакции преципитации в капиллярах со специфической антисывороткой), можно использовать для оценки активности процесса.

К сожалению, многие лаборатории из-за трудоемкости биохимического анализа СЖ дают информацию лишь об ограниченном количестве компонентов. Поэтому трудно определить наиболее чувствительный или наиболее специфический патохимический показатель. Еще сложнее сравнить диагностическую информативность биохимических, иммунохимических, цитологических и клинических параметров заболеваний. Наиболее перспективен подход, предпринятый A.I. Kordoss-Nagy и L. Kovacs (1981), который заключается в комплексной оценке ряда показателей патологически измененной СЖ путем компьютерной обработки результатов анализа.

Применение современных физических методов для исследования биологических объектов позволяет получить новую информацию об их структуре и свойствах. Известно, что СЖ как система, в которую входят комплексные химические соединения и термотропные ЖК, должна реагировать на колебания биопотенциалов в суставе, в том числе при различных патологических изменениях в нем. Эти колебания можно зафиксировать методами, применяемыми в физике диэлектриков.

Наиболее эффективным методом исследования зарядового состояния диэлектриков является метод термостимулированных токов — ТСТ [7]. Его сущность заключается в изучении релаксации заряда, обусловливающего электретное состояние в веществе. Поскольку релаксация заряда при комнатной температуре — весьма длительный процесс, применяют термическую стимуляцию разряда электрета при постоянной скорости нагрева. Метод высокочувствителен, обладает высокой разрешающей способностью, а также позволяет проследить релаксационные процессы в веществе, находящемся в различных фазовых состояниях, с регистрацией температур перехода между ними. Установлено, что эффект, подобный электретному, регистрируется в ряде биологических объектов [14] и является общим свойством полипептидов, полинуклеотидов и полисахаридов. Именно с помощью данного метода впервые получены и охарактеризованы спектры ТСТ СЖ [6]. Возможность получения дополнительных сведений о зарядовом состоянии СЖ и характере спектров ТСТ при синовитах различной этиологии с использованием минимального количества материала (~1 мм3) делает метод информативным инструментом диагностики структурных повреждений СЖ при комплексном обследовании пациентов с травмами и заболеваниями суставов.

Литература

1. Белоенко Е.Д., Слобожанина Е.И., Козлова Н.М. и др. // Ортопедия и травматология. — 1990. — № 5. — С.32—34.
2. Герасимов А.М., Фурцева Л.Н. Биохимическая диагностика в травматологии и ортопедии. — М.: Медицина, 1986.

3. Дормидонтов Е.Н., Коршунов Н.Н., Фризен Б.Н. Ревматоидный артрит. — М.: Медицина, 1981.

4. Ермаков С.Ф. Трибофизика жидкокристаллических материалов в металло- и биополимерных сопряжениях: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. — Гомель, 2001.
5. Ермаков С.Ф., Родненков В.Г., Белоенко Е.Д., Купчинов Б.И. Жидкие кристаллы в технике и медицине. — Мн.: Асар, 2002.
6. Кадолич Ж.В. Физическое модифицирование сопряжений полимер-металл для повышения их износостойкости на основе модифицирования биофизических свойств естественных суставов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. — Гомель, 2002.
7. Кравцов А.Г. // Пластические массы. — 2000. — № 8. — С.23—29.
8. Купчинов Б.И., Ермаков С.Ф., Родненков В.Г., Белоенко Е.Д. // Ортопедия и травматология. —1989. — № 10. — С.7 — 11.
9. Мау В.К. // Проблемы трения и смазки: Труды амер. о-ва инженеров-механиков. — 1969. — № 2. — С.131—141.
10. Николаев В.И. Асептическая нестабильность ацетабулярного компонента эндопротезов: биофизические аспекты диагностики, лечение и профилактика (клиническое и экспериментальное исследование): Автореф. дис. канд. мед. наук. — Мн., 2000.
11. Павлова В.Н. Синовиальная среда суставов. — М.: Медицина, 1980.
12. Павлова В.Н., Копьева Т.Н., Слуцкий А.И., Павлов Г.Г. Хрящ. — М.: Медицина, 1977.
13. Павлова В.Н., Куманин Б.Н. // Архив анатомии, гистологии и эмбриологии. — 1983. — № 8. — С. 38—42.
14. Пинчук Л.С., Кравцов А.Г., Зотов С.В. // Журнал техн. физики. — 2001. — Т. 71, № 5. — С.115—118.
15. Пинчук Л.С., Николаев В.И., Цветкова Е.А. Эндопротезирование суставов: технические и медико-биологические аспекты. — Гомель: ИММС НАНБ, 2003.
16. Пляцко В.В., Левенец В.Н., Ставинский Ю.А. // Ортопедия и травматология. — 1990. — № 5. — С.24—28.
17. Родионова С.С., Шведова Г.Л., Гладштейн А.И. // Лабор. дело. — 1981. — № 3. — С.164—167.
18. Чиркин А.А., Окороков А.Н., Гончарик И.И. Диагностический справочник терапевта. — Мн.: Беларусь, 1994.
19. Шуцяну Шт., Ионеску-Блажа В., Моангэ М. Клиника и лечение ревматических заболеваний. — Бухарест, 1983.
20. Яковлева А.А. Болезни суставов в детском возрасте. — М.: Медицина, 1977.
21. Bridelli M. G., Capeletti R., Vecli A. // J. Biochem. and Biophys. Methods. — 1992. — V.24. — Р.135—146.
22. Сhikama H. // J. Jap. Orthop. Assoc. — 1985. — V.59, N 5. — P.559—572.
23. Electrets / Ed. by G.M. Sessler. — Berlin: Springer-Verlag, 1987.
24. Mascarenhas S. // Electrets: Topics of Applied Physics. — 1980. — V.33. — P.321—325.
25. Panzera D., Kirk T.B., Anamalay R.V. // Intern. Tribology Conference AUSTRIB’94. Perth, Australia, 5—8 Dec. 1994. — P.407—414.
26. Walker P.S., Unsworth A., Dowson D. et al. // Ann. Rheum. Dis. — 1970. — V.29. — P.591—602.