ГРНТИ 34.49 Радиационная биология
Цель: Несмотря на значительные успехи в области диагностики заболеваний костной ткани с помощью современных методов визуализации очага поражения, таких как компьютерная и магнитно-резонансная томография, дифференциальная диагностика остеомиелита (ОМ) и остеогенной саркомы (ОS) на ранних стадиях заболевания представляет определённые трудности. В представленной работе исследованы новые возможности дифференциальной диагностики ОМ и ОS с помощью определения уровней содержания микроэлементов (МЭ) в поражённом участке кости. Материал и методы: В образцах костной ткани, взятых у людей с интактной (нормальной) костью (преимущественно погибшие от травм, n = 27), а также у 10 больных с диагнозом ОМ и 27 больных с диагнозом ОS было определено содержание 9 МЭ: серебра (Ag), кобальта (Co), хрома (Cr), железа (Fe), ртути (Hg), рубидия (Rb), сурьмы (Sb), селена (Se) и цинка (Zn). Образцы интактной кости отбирали при аутопсиях, а образцы тканей из очага поражения у больных – при открытых биопсиях и операциях. Все больные проходили обследование и лечение в Медицинском радиологическом научном центре. Все диагнозы были подтверждены данными клинического и морфологического исследования. Для определения содержания этих МЭ была разработана методика инструментального нейтронно-активационного анализа (INAA). Исследуемые образцы облучались нейтронами в канале ядерного реактора и, после определённой выдержки, проводилась спектрометрия высокого разрешения гамма-излучения долгоживущих радионуклидов, образовавшихся под воздействием нейтронов. Достоверность различий содержания МЭ в трёх группах образцов определяли с помощью параметрического t-теста Стьюдента и непараметрического U-теста Вилкоксона–Манна–Уитни. Результаты: Точность разработанных методик и достоверность полученных данных определения содержания Ag, Co, Cr, Fe, Hg, Rb, Sb, Se, и Zn была подтверждена результатами измерения международных сертифицированных материалов сравнения МАГАТЭ IAEA H-5 (Animal Bone) и Национального Института Стандартов и Технологий, США, NIST 1486 (Bone Meal). Обнаружено, что и при воспалительном процессе, и при саркоматозной трансформации костной ткани происходят подвижки в МЭ составе ткани, характеризующиеся изменениями уровней содержания некоторых МЭ разной степени и направлении. В частности было показано, что в ткани ОS содержание Co, Fe, Se, и Zn значительно выше (2,6; 2,6; 6,2 и 1,6 раз соответственно), а содержание Rb более чем в 2 раза ниже, чем в костной ткани при ОМ. Столь существенные различия позволяли исследовать возможности использования уровней содержания этих МЭ и их различных математических комбинаций в качестве маркёров ОS. В качестве потенциальных маркёров ОS, помимо абсолютных значений содержания МЭ, рассматривались математические сочетания, которые могли увеличить различия между ОМ и ОS. Расчёты были проведены для произведений содержания МЭ (SeZn, FeSeZn и CoFeSeZn), отношений содержания МЭ (Rb/Co, Rb/Fe, Rb/Se и Rb/Zn), а также сочетаний отношения и произведений МЭ (Rb/(SeZn), Rb/(FeSeZn) и Rb/CoFeSeZn). Это позволило многократно увеличить разрыв между средними значениями маркёров при ОМ и ОS. Например, значения SeZn, FeSeZn и CoFeSeZn при ОS были соответственно в 9,0, 29,5 и 96,8 раз выше, чем при ОМ. Для оценки чувствительности, специфичности и точности потенциальных маркёров ОS использовали общепринятые способы обработки данных. Среди исследованных потенциальных маркёров наиболее информативным оказалось произведение содержаний Se и Zn, хотя и другие более простые, например Se, или более сложные маркёры, например Rb/(SeZn), также показали высокие диагностические характеристики. Разумеется, для определения содержания МЭ в образцах ткани очага поражения кости могут быть использованы любые современные аналитические методы. Главное преимущество использованного нами INAA заключается в том, что он не требует утилизации образца при проведении измерений и процесс подготовки образца к анализу практически ограничен его высушиванием в замороженном состоянии. Это позволяет, во-первых, сохранить образцы для последующих исследований, а, во-вторых, исключить возможность потерь или привнесения МЭ в образец во время пробоподготовки. Основной недостаток INAA связан с необходимостью использования ядерного реактора. Большинство альтернативных аналитических технологий требует разложения (вскрытия) образца путём озоления или растворения в кислотах. Известно, что эти манипуляции могут приводить к существенным потерям МЭ или их привнесениям в образец с кислотами. Поэтому эти методы требуют дополнительных мер контроля точности получаемых результатов, а, следовательно, они менее надёжны, а также более затратны по труду и времени. Среди современных аналитических методов, обеспечивающих быстрое определение содержания многих химических элементов, включая такие МЭ как Se и Zn, и при этом не требующих разложения образца, следует выделить энергодисперсионный рентгенофлуоресцентный анализ (EDXRF). Современный рынок предлагает большой выбор портативных приборов для EDXRF. По нашему мнению, именно EDXRF является наиболее перспективным методом для использования в клинической практике. Выводы: Использование предложенных маркёров позволяет дифференцировать ОS от воспалённой и нормальной костной ткани с чувствительностью в диапазоне 89–100 %, специфичностью 85–100 % и точностью в пределах 89–98 %.
микроэлементы, костная ткань человека, остеомиелит, остеогенная саркома, дифференциальная диагностика, нейтронно-активационный анализ
Bone tumors are a heterogeneous group of tumors that all arise from bone tissue, which consists of cartilaginous, osteoid, osseous mineralized and fibrous tissue, and bone marrow elements. Each tissue can give to be subject to inflammation, benign or malignant tumors. Childhood bone cancer is often difficult to detect in its early stages because the associated signs and symptoms can be nonspecific, insidious in onset, and mimic more common disorders. One of the most important differential diagnostics is between an inflammation and a malignant process such as osteogenic sarcoma.
1. Linabery A.M., Ross J.A. Trends in childhood cancer incidence in the U. S. (1992–2004) // Cancer. 2008. Vol. 112. P. 416–432.
2. De Boeck H. Osteomyelitis and septic arthritis in children // Acta Orthop. Belg. 2005. Vol. 71. P. 505–515.
3. McCarthy J.J., Dormans J.P., Kozin S.H. et al. Musculoskeletal infections in children. Basic treatment principles and recent advancements // J. Bone Joint Surg. 2004. Vol. 86-A. P. 850–863.
4. Perlman M.H., Patzakis M.J., Kumar P.J. et al. The incidence of joint involvement with adjacent osteomyelitis in pediatric patients // J. Pediatr. Orthop. 2000. Vol. 20. P. 40–43.
5. Maraqa N.F., Gomez M.M., Rathore M.H. Outpatient parenteral antimicrobial therapy in osteoarticular infections in children // J. Pediatr. Orthop. 2002. Vol. 22. P. 506–510.
6. Wittig J. C., Bickels J., Priebat D. et al. Osteosarcoma A multidisciplinary approach to diagnosis and treatment // Amer. Family Physician. 2002. Vol. 65. P. 1123–1132.
7. Marina N., Gebhardt M., Teot L. et al. Biology and therapeutic advances for pediatric osteosarcoma // Oncologist. 2004. Vol. 9. P. 422–441.
8. DiCaprio M.R., Lindskog D.M., Husted D. et al. Knee pain in a 14-year-old girl // Clin. Orthop. Relat. Res. 2005. Vol. 435. P. 267–275.
9. Brenner W., Bohuslavizki K.H., Eary J.F. PET imaging of osteosarcoma // J. Nucl. Med. 2003. Vol. 44. P. 930–942.
10. Steer A.C., Carapetis J.R. Acute hematogenous osteomyelitis in children: Recognition and management // Paediatr. Drugs. 2004. Vol. 6. P. 333–346.
11. Zaichick V. Medical elementology as a new scientific discipline // J. Radioanal. Nucl. Chem. 2006. Vol. 269. P. 303–309.
12. Zherbin A.F., Zaichick V. Several aspects of applied neutron activation in medicine: The present state and development of activation analysis in the Institute of Medical Radiology // In: Proc. of the 2nd Meeting on New Nuclear-Physical Methods Used in Solving Scientific-Technical and National Economic Problems. Dubna (Russia): Join Institute of Nuclear Research. 1976. P. 104–126. Russian.
13. Kalashnikov V.M., Zaichick V. Bone analysis of N, F and P by photonuclear activation // Voprosy Meditsinskoĭ Khimii. 1977. Vol. 23. № 1. P. 122–127. Russian.
14. Zaichick V. The in vivo neutron activation analysis of calcium in the skeleton of normal subjects, with hypokinesia and bone diseases // J. Radioanal. Nucl. Chem. 1993. Vol. 169. P. 307–316.
15. Zaichick V. Instrumental activation and X-ray fluorescent analysis of human bones in health and disease // J. Radioanal. Nucl. Chem. 1994. Vol. 179. P. 295–303.
16. Zaichick V., Ovchjarenko N.N. In vivo X-ray fluorescent analysis of Ca, Zn, Sr, and Pb in frontal tooth enamel // J. Trace Microprobe Tech. 1996. Vol. 14. P. 143–152.
17. Zaichick V., Morukov B. In vivo bone mineral studies on volunteers during a 370-day antiorthostatic hypokinesia test // J. Appl. Radiat. Isot. 1998. Vol. 49. P. 691–694.
18. Zaichick V. In vivo and in vitro application of energy-dispersive XRF in clinical investigations: experience and the future // J. Trace Elem. Exp. Med. 1998. Vol. 11. P. 509–510.
19. Zaichick V., Ovchjarenko N., Zaichick S. In vivo energy dispersive X-ray fluorescence for measuring the content of essential and toxic trace elements in teeth // J. Appl. Radiat. Isot. 1999. Vol. 50. P. 283–293.
20. Zaichick V., Snetkov A. Bone composition in children with rickets-like diseases before and during treatment // In: Mengen- und Spurenelemente. 20 Arbeitstagung. Jena: Friedrich-Schiller-Universität. 2000. P. 1109–1117.
21. Zaichick V., Dyatlov A., Zaihick S. INAA application in the age dynamics assessment of major, minor, and trace elements in the human rib // J. Radioanal. Nucl. Chem. 2000. Vol. 244. P. 189–193.
22. Sastri C.S., Iyengar V., Blondiaux G. et al. Fluorine determination in human and animal bones by particle-induced gamma-ray emission // Fresen. J. Anal. Chem. 2001. Vol. 370. P. 924–929.
23. Zaichick V., Tzaphlidou M. Determination of calcium, phosphorus, and the calcium/phosphorus ratio in cortical bone from the human femoral neck by neutron activation analysis // J. Appl. Radiat. Isot. 2002. Vol. 56. P. 781–786.
24. Tzaphlidou M., Zaichick V. Neutron activation analysis of calcium/phosphorus ratio in rib bone of healthy humans // J. Appl. Radiat. Isot. 2002. Vol. 57. P. 779–783.
25. Tzaphlidou M., Zaichick V. Calcium, phosphorus, calcium-phosphorus ratio in rib bone of healthy humans // Biol. Trace Elem. Res. 2003. Vol. 93. P. 63–74.
26. Zaichick V., Tzaphlidou M. Calcium and phosphorus concentrations and calcium/phosphorus ratio in trabecular bone from femoral neck of healthy humans as determined by neutron activation analysis // J. Appl. Radiat. Isot. 2003. Vol. 58. P. 623–627.
27. Zaichick V. INAA application in the age dynamics assessment of Ca, Cl, K, Mg, Mn, Na, P, and Sr contents in the cortical bone of human femoral neck // J. Radioanal. Nucl. Chem. 2004. Vol. 259. P. 351–354.
28. Zaichick V. Sex and age related Ca/P ratio in trabecular bone of iliac crest of healthy humans. In: Macro and Trace Elements. 22 Workshop, Vol. 1. Jena: Friedrich-Schiller-Universität. 2004. P. 248–255.
29. Tzaphlidou M., Zaichick V. Sex and age related Ca/P ratio in cortical bone of iliac crest of healthy humans // J. Radioanal. Nucl. Chem. 2004. Vol. 259. P. 347–349.
30. Zaichick V. INAA application in the assessment of selected elements in cancellous bone of human iliac crest // J. Radioanal. Nucl. Chem. 2007. Vol. 271. P. 573–576.
31. Zaichick V., Zaichick S. Instrumental neutron activation analysis of trace element contents in the rib bone of healthy men // J. Radioanal. Nucl. Chem. 2009. Vol. 281. P. 47–52.
32. Zaichick V. Neutron activation analysis of Ca, Cl, K, Mg, Mn, Na, P, and Sr contents in the crowns of human permanent teeth // J. Radioanal. Nucl. Chem. 2009. Vol. 281. P. 41–45.
33. Zaichick S., Zaichick V. The effect of age and gender on 38 chemical element contents in human iliac crest investigated by instrumental neutron activation analysis // J. Trace Elem. Med. Biol. 2010. Vol. 24. P. 1–6.
34. Zaichick S., Zaichick V. The effect of age and gender on 38 chemical element contents in human femoral neck investigated by instrumental neutron activation analysis // Biol. Trace Elem. Res. 2010. Vol. 137. P. 1–12.
35. Zaichick S., Zaichick V. Neutron activation analysis of Ca, Cl, Mg, Na, and P content in human bone affected by osteomyelitis or osteogenic sarcoma. // J. Radioanal. Nucl. Chem. 2012. Vol. 293. P. 241–246.
36. Zaichick V. Chemical elements of human bone tissue investigated by nuclear analytical and related methods // Biol. Trace Elem. Res. 2013. Vol. 153. P. 84–99.
37. Zaichick V. Data for the Reference Man: skeleton content of chemical elements // Radiat. Environ. Bioph. 2013. Vol. 52. P. 65–85.
38. Zaichick V., Zaichick S. The Ca, Cl, Mg, Na, and P mass fractions in human bone affected by Ewing’s sarcoma // Biol. Trace Elem. Res. 2014. Vol. 159. P. 32–38.
39. Zaichick V., Kalashnikov V.M., Bizer V. A. The in vivo analysis of Ca, Na and Cl in human limb tumours by neutron activation // In: Application of Nuclear Analytical Methods in Biology and Medicine. Obninsk (Russia): Institute of Medical Radiology. 1980. P. 58–74. Russian.
40. Zaichick V., Zaichick S. Instrumental effect on the contamination of biomedical samples in the course of sampling // J. Anal. Chem. 1996. Vol. 51. P. 1200–1205.
41. Zaichick V. Sampling, sample storage and preparation of biomaterials for INAA in clinical medicine, occupational and environmental health // In: Harmonization of Health-Related Environmental Measurements Using Nuclear and Isotopic Techniques. Vienna: International Atomic Energy Agency. 1997. P. 123–133.
42. Zaichick V. Application of synthetic reference materials in the Medical Radiological Research Centre // Fresen. J. Anal. Chem. 1995. Vol. 352. P. 219–223.
43. Zaichick V., Kolotov A.V., Dogadkin N. Comparative analysis of major and trace elements in bone reference materials, IAEA H-5 (animal bone) and NIST SRM 1486 (bone meal) // In: Macro and Trace Elements. 21 Workshop. Jena: Friedrich-Schiller-Universität 2002. P. 39–47.
44. Korelo A., Zaichick V. Software to optimize the multielement INAA of medical and environmental samples // In: Activation analysis in environment protection. Dubna (Russia): Join Institute of Nuclear Research. 1993. P. 326–332. Russian.
45. Genes V.S. Simple methods for cybernetic data treatment of diagnostic and physiological studies – Moscow: Nauka. 1967. 208 pp.
46. Zaichick V. Losses of chemical elements in biological samples under the dry ashing process // Trace Elements in Medicine. 2004. Vol. 5. № 3. P. 17–22.
47. Rossmann M., Zaichick S., Zaichick V. Determination of key chemical elements by energy dispersive X-ray fluorescence analysis in commercially available infant and toddler formulas consumed in UK // Nutr. Food Technol. Open Access 2016. Vol. 2. No 4. P. 1–6. DOI: 10.16966/2470-6086.130.
