Development of an experimental model of severe craniocerebral trauma

Full Text

Черепно-мозговая травма (ЧМТ) со- ставляет одну из основных проблем современной нейротравматологии и военно-полевой хирургии [3, 4, 9-11]. Частота ЧМТ как в мирное, так и в военное время составляет, по данным разных авторов, от 10-15 до 25% [3, 9-11]. Несмотря на существенное улучшение средств бронезащиты головы, каждый четвертый военнослужащий коалиции стран НАТО, участвовавший в вооруженном конфликте в Ираке и Афганистане, вернулся домой с повреждением головного мозга в результате ЧМТ или ранения [13]. Летальность от тяжелой ЧМТ (тЧМТ) достигает 40%, а у 60% пострадавших исход лечения оказывается неудовлетворительным [11]. Раненых с тяжелыми и крайне тяжелыми ЧМТ и ранениями на этапах медицинской эвакуации нередко относят к категории «потенциально неспасаемых». Являясь составной частью политравмы, ЧМТ зачастую становится ведущей в общей структуре повреждения, определяя характер течения травматической болезни. Именно сочетание ЧМТ с травмами других анатомических областей вносит существенный вклад в дальнейшую хирургическую и реаниматологическую тактику, однако клинические исследования подобных травм зачастую затруднительны и нерепрезентативны ввиду разнородности пациентов. Альтернативным способом изучения новых методов диагностики и лечения тЧМТ является использование экспериментальных моделей, которые, однако, недостаточно представлены в современной литературе. Цель исследования Разработка модели тЧМТ на крупных биологических объектах, позволяющая прижизненно оценивать морфологию полученных повреждений с помощью современных средств визуализации и мониторинга в различные сроки после нанесения травмы. Материал и методы На трех овцах (не суягных самках) породы Меринос, массой 25-29 кг, проведены эксперименты по моделированию тЧМТ. Работа с животными проводилась в соответствии с требованиями «Европейской конвенции о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях» (Страсбург, 1986). Животных содержали в индивидуальных боксах с естественной 12-часовой сменой света и темноты, влажностью воздуха 60% и его температурой 22±2 °С со свободным доступом к воде и пище. За сутки перед операцией животных не кормили, доступ к воде оставляя свободным. С целью премедикации внутримышечно вводили по 2 мл тилетамина с золазепамом (препарат Золетил 100) и после доставки в операционную выполняли интубацию трахеи. Поддержание анестезии проводили изофлураном (2-4 об. %) с дополнительным введением Золетила по необходимости. После бритья и обработки операционного поля выполняли пункцию и катетеризацию яремной вены животного набором Certofix (B.Braun Med., Германия), состоящим из иглы 18G, проводника с J-образным концом, дилататора и центрального венозного катетера. Затем для инвазивного мониторинга гемодинамики выполняли катетеризацию бедренной артерии по методике Сельдингера и устанавливали интродьюсер 6 Fr. После катетеризации сосудов укладывали животное в положение «на боку». С целью мониторинга внутричерепного давления (ВЧД), через трефинационное отверстие диаметром 14 мм, наложенное на правой стороне, в области коронарного шва на 1 см латеральнее брегмы (рис. 1а, с. 4 вклейки) после рассечения твердой мозговой оболочки на глубину 2 см вводили паренхиматозный датчик ВЧД (Spiegelberg Parenchymal Probe 3PN, Германия), фиксируемый к коже головы с помощью фиксатора-бабочки (рис. 1б, с. 4 вклейки). Контроль уровня ВЧД осуществляли с помощью аппарата «Spiegelberg: Brain-Pressure Monitor» (Spiegelberg, Германия). Моделирование ЧМТ осуществляли с помощью выстрела из травматического оружия с расстояния 1 м в голову, фиксированную в станке (рис. 2, с. 4 вклейки). С целью исключения повреждения кожного покрова голову животного укрывали двухслойным полиамидным волокном (кевлар), что позволяло, с одной стороны, уменьшить вероятность нанесения проникающего ранения и прямого повреждения ранящим снарядом вещества головного мозга, а с другой - полностью передать энергию ранящего снаряда голове экспериментального животного. Для нанесения повреждения использовали травматический пистолет МР-79-9ТМ («Макарыч») с патронами 9 мм РА (9ґ22Т) с кинетической энергией пули 83 Дж и ее массой 7 г. Расчетное снижение кинетической энергии при выстреле с расстояния 1 м составило 10% [2, 5]. Выстрел производили в сторону, противоположную установке датчика ВЧД. Сразу же после выстрела датчик измерения ВЧД подключали к монитору и начинали измерения в контрольных точках. После нанесения травмы производили оценку витальных функций животного и оценивали показатели частоты пульса, артериального давления (АД), сатурации, ВЧД в различные временные промежутки после нанесения травмы головы (исходное значение, тотчас после выстрела и спустя 5, 10, 20, 30 и 60 мин после выстрела). После моделирования тЧМТ животных, находящихся в состоянии медикаментозной седации, последовательно доставляли в отделение компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ) для выяснения морфологии и тяжести повреждения головного мозга. КТ выполняли на 16-срезовом аппарате Toshiba Aquilion® (Toshiba, Япония). МРТ выполняли через 1 ч после нанесения травмы на 1,5-T томографе Titan® (Toshiba, Япония). По окончании исследований животных выводили из эксперимента путем внутривенного введения летальной дозы хлористого калия. Посмертно выполняли забор головного мозга. Морфологическое исследование включало в себя макроскопическое изучение препарата в области нанесения повреждения и на отдалении от места контакта с ранящим снарядом. Статистическую обработку данных проводили с помощью программных продуктов Microsoft® Excel 2010 и GraphPad Prism 7.0. Количественные данные представлены в виде значений медианы (межквартильный интервал), а на графике - в виде средних значений и стандартного отклонения. Сравнительный анализ проводили с использованием непараметрических методов статистики. Для анализа связанных выборок использовали тест Фридмана с поправкой на множественные сравнения Данна. Различия между группами были признаны значимыми на уровне достоверности 0,05. Исследование проведено при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук МК-5676.2018.7 на базе ВМедА им. С.М.Кирова и ГНИИИ ВМ МО РФ. Результаты и обсуждение Всем испытуемым животным удалось выполнить полный протокол моделирования ЧМТ и последующего обследования. Нанесение огнестрельной травмы сопровождалось значимым мгновенным подъемом цифр ВЧД с 14 (12-16) до 78 (76-81) мм рт. ст. (p=0,028) с последующим постепенным плавным снижением до значений, через 1 ч достоверно не отличающих от фоновых показателей: 43 (43-45) мм рт. ст. (p=0,999) (рис. 3). Летальных исходов не было. Время выполнения КТ и МРТ составило от 3 до 5 мин и от 20 до 25 мин соответственно. Общее время наблюдения за животными после моделирования травмы составило 3 ч. По данным МРТ отмечено, что субарахноидальное пространство по конвекситальным поверхностям лобной, теменной и затылочной долей со стороны нанесения травмы имеет гипоинтенсивный МР-сигнал на Т2-взвешенных изображениях, что соответствует субарахноидальному кровоизлиянию (САК) (рис. 4а). В одном случае в теменной доле с переходом на затылочную определяются участки понижения сигнала во всех последовательностях линейной формы, максимальными размерами до 9ґ8 мм, а также участок понижения сигнала в ИП HEMO (импульсная последовательность HEMO), размерами 19ґ23 мм. Аналогичные участки размерами до 4 и 5 мм выявлены в правой лобно-теменной доле и расценены как контузионные очаги головного мозга. При КТ выявлены признаки САК, а в одном из случаев - контузионный очаг в левой теменной доле (рис. 4б). При этом во всех случаях отмечено снижение степени дифференцировки мозгового вещества. Данные изменения, полученные согласно результатам лучевых методов исследования, подтверждают наличие у всех экспериментальных животных тЧМТ - ушиба головного мозга. По выведении животных из эксперимента выполняли вскрытие черепа для визуальной оценки нанесенных повреждений головного мозга. Во всех случаях наблюдали приблизительно схожую картину повреждения (рис. 5). По конвекситальной поверхности обоих полушарий, под мягкой мозговой оболочкой очагово в теменной, височных и затылочной областях слева, справа в лобной, теменной и височной долях - борозды резко расширены и заполнены кровью на всю глубину (травматическое САК). Под мягкой мозговой оболочкой на конвекситальной поверхности левого полушария на границе лобной и теменной долей имелись очаги пропитывания кровью мозговой ткани размерами до 2ґ1,2 см, а также локальные (очаговые) кровоизлияния на базальной поверхности правого полушария в области лобной доли, размерами 1,5ґ1 см, и в области височной доли, размерами 2ґ1,5 см. Все кровоизлияния неправильной, близкой к овальной формы, темно-красного цвета, блестящие, толщиной 0,1-0,2 см на поверхности извилин и не менее чем на половину занимающие пространство борозд между извилинами. Извилины головного мозга расширены и уплощены, борозды сужены. Варолиев мост и продолговатый мозг обычного строения, без очагов размягчения и кровоизлияний. Мозжечок с симметричными полушариями, на разрезе без кровоизлияний. Данные повреждения соответствуют тЧМТ [1]. При этом ни в одном из случаев не обнаружено значимого компримирующего субстрата, способного вызвать критическое повышение ВЧД. Наше исследование показало возможность моделирования нелетальной тЧМТ на крупных биологических объектах, позволяющего прижизненно оценивать морфологию полученных повреждений с помощью современных средств визуализации, мониторировать жизненно важные функции и ВЧД в различные сроки после нанесения травмы. Выстрел в голову животного, покрытую кевларом, приводил к мгновенному кратковременному значимому подъему ВЧД с постепенным возвратом к исходным показателям. По данным МРТ и КТ, у животных развивалась картина САК и формировались контузионные очаги, что в последующем было подтверждено при аутопсии. Предложенная методика позволяет «дистанционно» моделировать тЧМТ с наличием морфологического субстрата тяжелого повреждения головного мозга при отсутствии компримирующего агента, в то время как другими исследователями предлагаются сложно выполнимые модели ЧМТ, которые требуют осуществления отдельного оперативного доступа к веществу головного мозга. Так, M.Sillesen и соавт. предложили модель прямого удара, заключающуюся в формировании доступа к твердой мозговой оболочке через 20-мм трефинационное отверстие и нанесении дозированной травмы с помощью контролируемого компьютером 15-мм цилиндра, опускаемого на ткань мозга со скоростью 4 м/с с продолжительностью контакта 100 мс и проникновением в кору головного мозга на глубину 12 мм [12]. Авторы работы изучали функцию тромбоцитов при ЧМТ, но не представили данных о динамике ВЧД и о морфологии повреждения головного мозга. A.C.Grimmelt и соавт., разрабатывая модель ЧМТ на овцах, использовали специальное ударное устройство с программируемыми параметрами для нанесения травмы, не нарушая целостности кожного покрова [8]. После удара животных наблюдали в течение 16 ч с мониторингом ВЧД. Было отмечено, что при тЧМТ выявлен значимый рост ВЧД по сравнению с нетяжелой ЧМТ и группой контроля, однако нарастание давления развивалось постепенно, начиная со 2-го часа наблюдения. Некоторые другие «неинвазивные» модели тЧМТ заключались в нанесении быстрого ротационного воздействия на голову животного, достигая тем самым резкого ускорения и торможения с формированием очагов контузии [6, 7]. Резкие повороты головы животного в сагиттальной плоскости приводили к быстрому и чрезвычайно высокому подъему ВЧД, достигая максимума через 8-10 мин после травмы [7]. Так, D.K.Cullen и соавт. отмечают, что подъем ВЧД, как правило, длится в течение 40-60 мин с последующим постепенным снижением [7], что подтверждается данными, полученными в результате нашей работы. Обнаруженное в наших экспериментах значимое повышение ВЧД сразу после моделирования травмы без наличия компримирующего субстрата свидетельствует о резком отеке головного мозга, связанном вероятнее всего с сосудистым спазмом. После восстановления уровня перфузии отмечается постепенное уменьшение ВЧД, которое приближается к исходным значениям в течение первого часа после получения травмы. Моделирование ЧМТ чрезвычайно важно для сопоставления биомеханических и нейроанатомических особенностей ЧМТ экспериментального животного и человека [7]. Однако перенос полученных нами данных в клиническую практику сопряжен с рядом трудностей, которые и являются ограничениями подобных исследований, в т. ч. и нашего эксперимента. Во-первых, малая выборка животных в нашем эксперименте не позволяет с уверенностью говорить об отчетливой динамике изменения ВЧД, а также констатировать идентичные повреждения при абсолютно одинаковом внешнем воздействии. Во-вторых, методы моделирования ЧМТ зачастую не соответствуют таковым в реальных клинических ситуациях. Так, наша модель больше направлена на изучение повреждений головного мозга, полученных в результате непробития брони защитного шлема/каски, и менее подходит для воспроизведения ЧМТ мирного времени, полученного в результате авто- или кататравмы. В-третьих, воспроизводя ЧМТ у животных, практически невозможно моделировать характер и объем повреждения, а также характеристики течения травматической болезни, которые соответствовали бы ЧМТ у человека. Сложность моделирования ЧМТ у животных и сопоставления ее с травмой у человека затруднена вследствие межвидовых различий, таких как размер и геометрия головного мозга, разница краниоспинального угла, узора мозговой коры и т. п. Размер мозга и его защищенность (толщина кости, мышцы, наличие пазух) в нейротравматологических исследованиях имеет большое значение, поскольку сдвиговые усилия и инерционная нагрузка связаны с массой мозга. Имеющие меньшую массу и более защищенный головной мозг животные могут переносить гораздо большее воздействие, чем мозг человека, в результате чего невозможно выявить энергию, которая вызвала бы одинаковые повреждения головного мозга у человека и животного. Тем не менее разработанная нами модель легко воспроизводима в различных условиях и может быть использована для дальнейшего изучения течения ЧМТ, в т. ч. для моделирования политравмы, т. е. в комбинации с другими важными факторами внешнего воздействия, такими как продолжающееся внутреннее кровотечение и/или множественная костная травма. Модель может применяться и для контроля эффективности защитного действия вновь создаваемых защитных шлемов военнослужащих. Заключение Предложенная методика позволяет моделировать тЧМТ у животных в виде ушиба головного мозга, что может быть использовано в дальнейших исследованиях для изучения механизмов течения и мониторинга сочетанного повреждения головного мозга. Полученные данные о кратковременном существенном подъеме ВЧД в результате травмы нуждаются в дальнейшем исследовании.

About the authors

V. I Badalov

P. Yu Shevelev

V. A Reva

Email: vreva@mail.ru

E. A Semenov

Z. N Adzhieva

E. M Mikhailovskaya

S. S Bagnenko

I. S Zheleznyak

A. V Denisov

A. A Arutyunyan

M. I Spitsyn

References

Supplementary files