Peculiarities of Reparative Osteogenesis of Injured Thoracic and Lumbar Vertebral Bodies at Different Terms after Trauma

Full Text

Введение. В последнее десятилетие наблюдается отчетливая тенденция роста частоты повреждений позвоночника [1, 2]. Согласно данным ВОЗ (2013), ежегодно до полумиллиона человек получает травму позвоночного столба. На грудной и поясничный отделы суммарно приходится около 75% случаев [3]. Специализированная помощь этим пострадавшим включает в себя своевременное и адекватное хирургическое лечение, позволяющее в полном объеме устранить деформацию и надежно стабилизировать поврежденный отдел позвоночника [4-6]. В то же время нередко встречаются ошибки тактического или технического характера, что приводит в последующем к осложнениям, требующим трудоемких ревизионных вмешательств [7, 8]. Одной из основных причин развития вторичных деформаций является неадекватная оценка типа повреждения и возможностей систем для дорсальной фиксации позвоночника [9, 10]. Известно, что при тяжелых разрушениях тел позвонков процессы консолидации, как правило, протекают замедленно и неполноценно. Следовательно, системы для задней стабилизации позвоночника в течение длительного периода времени выполняют несущую функцию позвонка, в результате чего нередко развиваются усталостные переломы элементов металлоконструкции [11]. Нетрудно понять, почему были значительно расширены показания к вентральному спондилодезу как ко второму этапу оперативного лечения [12]. Однако при выполнении корпородеза в отсроченном порядке, на фоне полученной адекватной реклинации, зачастую резецируется уже консолидированное тело позвонка, что наряду с травматичностью вмешательства делает его в этой ситуации совершенно неоправданным [13]. Анализ данных литературы последних лет показывает, что до сих пор не определена роль и, главное, сроки выполнения вентрального спондилодеза в системе профилактики осложнений, связанных с потерей коррекции после первичных дорсальных вмешательств на грудном и поясничном отделах позвоночника. Кроме того, отсутствует четкая градация свежей и застарелой травмы, что влечет за собой ряд тактических ошибок [14]. В рамках вышесказанного актуальным представляется изучение особенностей консолидации губчатой кости позвонка в зависимости от характера повреждения, а также возраста и пола пострадавшего. Возможно, существующий пробел могут восполнить исследования, посвященные морфологическому изучению репаративного остеогенеза поврежденных тел позвонков в различные сроки после травмы [15], что в свою очередь даст возможность определить средние сроки его полноценного сращения, обеспечивающего устойчивость к осевым нагрузкам. Цель исследования: изучить особенности репаративного остеогенеза поврежденных тел грудных и поясничных позвонков в различные сроки после травмы с учетом характера повреждения и возраста пациентов. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ Проведен анализ результатов морфологического исследования костной ткани тел позвонков, полученной при выполнении хирургических вмешательств у 43 больных с повреждениями грудного и поясничного отделов позвоночника, лечившихся в СарНИИТО в период с 2012 по 2015 г. Большинство составили мужчины - 27 (62,8%) человек. Возраст пациентов варьировал от 20 до 67 лет, причем преобладали лица наиболее трудоспособного возраста (25-50 лет). Были выделены три возрастные группы пострадавших: до 30 лет - 9 (21%) пациентов, от 31 до 50 лет - 21 (48,8%) и старше 50 лет - 13 (30,2%). Все пострадавшие в зависимости от сроков, прошедших с момента травмы, подразделены на 3 группы: 1-я группа - свежая травма (до 2 нед), 2-я группа - подострая травма (от 2 нед до 1 мес), 3-я группа - застарелая травма (более 1 мес). У 17 (39,5%) пациентов повреждения локализовались в грудном отделе позвоночника, у 26 (60,5%) - в поясничном. Следует отметить, что на переходный грудопоясничный отдел (Th11-L2) пришлось подавляющее число переломов - 37 (86%) пострадавших. В соответствии с классификацией AO/ASIF [16] условно стабильные АII и АIII повреждения позвоночника диагностированы у 19 (44,2%) пациентов, нестабильные ВII, СI-СIII - у 24 (55,8%). Стандартное обследование включало изучение жалоб, анамнеза, соматического, неврологического и ортопедического статусов пациента, проведение денситометрии. С целью визуализации повреждений позвоночника использовали обзорную рентгенографию, а также КТ и МРТ в динамике. Неврологический статус пострадавших оценивали по шкале ASIA/IMSOP, согласно которой у 29 (67,4%) больных отсутствовали признаки поражения спинного мозга, а в 14 (32,6%) наблюдениях травма позвоночника сопровождалась неврологическим дефицитом разной степени выраженности. Все больные были прооперированы с использованием переднего доступа с целью создания опорного вентрального спондилодеза. Данное вмешательство осуществлялось в разные сроки после травмы. Причиной отказа от корпородеза в остром периоде травмы служило тяжелое соматическое состояние пострадавших. Хирургическое вмешательство проводилось с одновременной металлофиксацией дорсальными (транспедикулярная, ламинарная системы) или вентральными (передние винтовые системы) конструкциями. В случаях уже выполненной ранее стабилизации позвоночника из заднего доступа протезирование поврежденного тела позвонка осуществлялось изолированно. В зависимости от локализации травмы использовались классические оперативные доступы к грудному и поясничному отделам позвоночника (торакотомия, торакофренотомия, торакофренолюмботомия, люмботомия). В ходе морфологического исследования изучали особенности репаративного остеогенеза поврежденных тел позвонков в зависимости от пола, возраста, характера и сроков травмы. Морфологический материал получен в ходе вышеописанных хирургических вмешательств. С целью забора костной ткани поврежденного позвонка прямым долотом между смежными дисками вырубали костный фрагмент шириной 1 см и толщиной 3-4 см. Костную ткань позвонков фиксировали в 10-12% нейтральном формалине, затем проводили декальцинацию в 12% растворе азотной кислоты. Ткань обезвоживали в батарее спиртов восходящей крепости, заливали в парафин. С парафиновых блоков нарезали серийные срезы толщиной 5-7 мкм, которые после депарафинирования окрашивали гематоксилином и эозином. Обезвоженные, дифференцированные препараты изучали с помощью микроскопа фирмы «Carl Zeiss» при увеличении от 100 до 1000. В исследуемых серийных препаратах мы старались оценить качество костной ткани и ее регенераторный потенциал по определенному алгоритму [17]. Описание начинали с элементов внутреннего и наружного отделов кортикального слоя; определяли состояние различных элементов матрикса, параметры микроархитектоники трабекулярной сети (толщину трабекул, их сепарацию и число, а также расстояние между ними и плотность расположения). В местах разветвления трабекул оценивали состояние соединения (узлов), а также концы трабекул - для исследования топологических свойств трабекулярной сети и степени ее соединенности. Изучая строение матрикса, проводили поиск поверхностных и/или интерстициальных дефектов минерализации, выявляли изменения параметров костеобразования и состояние остеоида. В межбалочных пространствах оценивали состояние микроциркуляторного русла и костного мозга. На клеточном уровне изучали характер остеогенеза, состояние элементов костного дифферона и других структур. РЕЗУЛЬТАТЫ Результаты морфологического исследования тел позвонков пациентов 1-й группы Одной из основных причин нарастающей в острый период сразу после травмы дистрофии и некроза тканей позвонка являлся механический фактор и, как следствие, - обменная и циркуляторная гипоксия. У данной группы больных костные балки были истончены, с множеством микропереломов и очагами остеомаляции. Во всех наблюдениях отмечены очаговые кровоизлияния различной степени выраженности. Во многих межбалочных пространствах определялись элементы костного мозга и эритроциты (рис. 1). В сохранившихся островках костного мозга визуализировались стромальные клетки с четкой структурой элементов ядра и цитоплазмы. Активность периваскулярных клеток, необходимых для репаративных процессов травмированного позвонка, была достаточно высокой: более 40% элементов клеточного ряда. У большинства пациентов 1-й группы мы наблюдали изменения сосудов микроциркуляторного русла: неравномерный ход с набуханием, отеком стромы, γ-метахромазией волокнистых элементов и отложением белковых комплексов под эндотелием. В результате изменения межклеточных контактов, метаболических нарушений, реактивного воспаления, кровоизлияний в костных структурах преобладали дистрофия и некроз. Результаты морфологического исследования тел позвонков у пациентов 2-й группы Начиная с 3-й недели после травмы, мы отмечали признаки развития очаговых компенсаторно-приспособительных процессов. Во множественных очагах кровоизлияний развивалась туннелизация, начала формироваться грануляционная ткань, появлялись очаги молодой волокнистой соединительной ткани. Сохраняющиеся признаки обменной и циркуляторной гипоксии значительно стимулировали процессы пролиферации соединительно-тканных элементов и к концу месяца четко выявлялись признаки активного ангиогенеза и формирование молодого остеоида. В межбалочных пространствах определялись очаги пролиферации элементов рыхлой волокнистой соединительной ткани с множеством кавернозно расширенных сосудов, а также элементы косного мозга. Местами встречались очаги старых кровоизлияний. В зонах кровоизлияний имела место активная организация с образованием многочисленных щелей и канальцев (туннелей), объединяющихся в систему микроциркуляторного русла. Более половины межклеточных щелей перестраивались в капилляры с эндотелиальной выстилкой. В участках, где туннели долгое время не меняли своей структуры, наблюдали интерстициальный кровоток. При описании элементов клеточного ряда (дифферона) костной ткани мы всегда учитываем их отдаленность от сосуда. Периваскулярные клетки находятся в лучших, чем отдаленные, трофических условиях, что не может не сказаться на особенностях их метаболизма и дифференцировки. Развивается картина патологического ремоделирования костной ткани позвонка после повреждения. Одномоментное ремоделирование происходит в нескольких очагах (островках) костной ткани маленького объема, что позволяет восстановленной кости частично выполнять свою функцию. В случае обширной зоны патологического ремоделирования увеличивается объем измененной костной ткани, что приводит к нарушению биомеханической (опорной) функции позвонка. Выявленная высокая активность клеток в периваскулярных зонах остеогенеза к концу 3-4-й недели после травмы связана с самоподдержанием популяции и ее количественным увеличением в процессе роста сосудов (рис. 2, а). Это означает, что в зоне остеогенеза имеет место сочетание процессов пролиферации, дифференцировки и специфического биосинтеза. Результаты морфологического исследования тел позвонков у пациентов 3-й группы На 2-м месяце после травмы в очагах формирующейся костной ткани выявлялись все элементы гистогенетического ряда (дифферона), участвующие в регенераторных процессах и ремоделировании костной ткани. До 50% клеток - это дифференцированные костные клетки, обеспечивающие оптимальное структурно-функциональное состояние формирующейся костной ткани с помощью ремоделирующих механизмов (резорбционных и пластических), участвующие в минеральном обмене. Популяция неравномерно расположенных остеоцитов была весьма разнообразной (рис. 2, б). Наряду с описанными изменениями обнаружены весьма «пестрые» картины, формирующие своеобразную морфологическую «мозаику» в различных возрастных категориях пациентов 3-й группы. Наблюдалось истончение костных балок, расширение межбалочных промежутков; в костном мозге определялось значительное количество сидерофагов, процесс остеогенеза был нарушен (рис. 2, в). Данные изменения характерны для остеопороза (пациенты возрастных групп). Формирование провизорных элементов в зоне перелома сопровождалось образованием островков хрящевой и остеоидной (молодой, необызвествленной) костной ткани, на отдельных участках созревающей в балочки и пластинки. Прорастающие сюда молодые сосуды придают регенерату сходство с грануляционной тканью. Наряду с остеоидной и костной тканью встречались островки хрящевой ткани (рис. 2, г). Максимальное количество хрящевой ткани визуализировалось в участках с задержкой роста капилляров и в случаях значительных осевых нагрузок на поврежденный позвонок (неправильная или недостаточная иммобилизация). Перестройка хрящевой ткани в костную шла в основном по типу энхондральной оссификации. Новые костные пластинки были лишены гаверсовых каналов (рис. 2, д). Для успешного сращения перелома поврежденного позвонка требуется определенный биохимический фон (ферменты, кальций, фосфор, гормоны, витамины) и уровень оксигенации. В результате затянувшегося сращения могут создаваться неблагоприятные условия, связанные с дефицитом вышеперечисленных компонентов [18]. ОБСУЖДЕНИЕ Организм реагирует на повреждение с момента травмы выбросом гормонов, биологически активных веществ, цитокинов, интерлейкинов, «шоковых молекул». В области повреждения концентрируются белки-опсонины (альбумин, фибриноген, иммуноглобулин класса G и белки системы комплемента) [19] и зона перелома превращается в «горячую точку» с биологически активным материалом, который «сигнализирует» о случившемся всем системам организма. Включается система быстрого реагирования: увеличивается число и повышается активность фибробластов, они начинают синтезировать коллаген. Эти клетки «рекрутируются» из окружающей соединительной ткани под воздействием перифокальных элементов сохранившейся костной ткани образовавшихся гематом. Этот сигнальный каскад инициирует резорбцию и формирование в дальнейшем костной ткани, благодаря чему может происходить ее регенерация и ремоделирование. Анализируя данные проведенного морфологического исследования, можно сказать, что первые 2 нед после травмы в теле поврежденного позвонка протекают реактивные процессы, характеризующиеся нарушениями кровообращения (кровоизлияния, тромбообразование, сепарация крови, секвестрация кровотока); воспалительными реакциями; изменением сосудов (неправильный ход с набуханием, отеком стромы, γ-метахромазией волокнистых элементов и отложением белковых комплексов под эндотелием). В результате в костных структурах преобладают дистрофия и некроз, наиболее ярко представленные в очагах со множеством первичных микропереломов. Первые признаки сращения, если можно так выразиться, или скорее фиброзной спайки («склеивания»), появляются на 10-12-е сутки, на что указывает наличие активных фибробластов и фиброцитов в зоне альтерации. Причем скорость формирования фиброзной спайки и ее гистоморфологическая характеристика не зависели от возраста пациента. Через 3 нед соединительная ткань еще больше организуется, и мы наблюдали очаги пролиферации элементов соединительной ткани, поля ангиогенеза, формирование хондрогенных островков и остеоида. Таким образом, полученные данные указывают на тот факт, что хирургические вмешательства, направленные на реклинацию позвоночника в подостром периоде (от 2 до 3 нед после травмы) заведомо обречены на неудачу. В то же время есть основания предполагать, что наличие «не расправленного» позвонка в условиях дорсальной фиксации может стать показанием к его протезированию на ранних сроках с целью профилактики развития вторичных деформаций. Изучение репаративного остеогенеза тел поврежденных позвонков в отдаленные сроки после травмы представляло интерес с точки зрения определения сроков их полноценной консолидации. Установлено, что у пациентов до 50 лет вне зависимости от пола сращение проходит ряд стандартных стадий: 1) пролиферация соединительнотканных элементов с активацией периоста и началом ангиогенеза, 2) образование провизорных элементов в зоне повреждения, 3) формирование окончательных структур с ремоделированием костной ткани. В среднем полноценное сращение, когда тело позвонка становится опорным, наступает через 5 мес. Консолидация многооскольчатых (взрывных) переломов протекает замедленно (6 мес), что обусловлено мультифокальными очагами разрушения костной ткани тел позвонков и таким же характером репаративного остеогенеза. Островки восстановления кости и других элементов соединительной ткани значительно отличались по клеточному составу, скорости ангиогенеза и, соответственно, дифференцировке основных структур. Таким образом, данные исследования дают основания предполагать у отдельной группы пациентов быстрое и полноценное сращение поврежденного тела, что позволяет дожидаться консолидации в условиях дорсальной фиксации, без последующего вентрального спондилодеза. При условии, что тело позвонка было полноценно реклинированно в остром периоде травмы. Как показал анализ полученных данных, остеогенез поврежденных тел позвонков у пациентов старше 50 лет имеет ряд характерных особенностей в зависимости от возраста и половой принадлежности. В частности, практически у всех пострадавших выявлены морфологические признаки остеопороза, в условиях которого остеогенез связан с различными механизмами потери костной массы. Причем у женщин отмечена более «ажурная» морфологическая картина трабекулярных элементов за счет усиленной резорбции, а у мужчин имелись явные признаки замедления костеобразования. Снижение минеральной плотности костной ткани у пациентов этой группы было подтверждено результатами денситометрии. Полученные данные о длительной и неполноценной консолидации у возрастных пациентов наводят на мысль о целесообразности вентрального спондилодеза на ранних этапах хирургической реабилитации [20]. Выводы 1. Дифференцировка клеток в процессе остеогенеза тесно связана с ангиогенезом и метаболическим каскадом. В зонах с достаточной оксигенацией и хорошим парциальным давлением кислорода, активным ростом сосудов микроциркуляторного русла идет нормальный цикл развития и дифференцировки остеобластов и остеоцитов, а гипоксия и ацидоз обусловливают патологический остеогенез. 2. Формирование фиброзной спайки между отломками поврежденного позвонка начинается в среднем на 10-12-е сутки после травмы, следовательно, реклинация позвоночника позже данного срока может оказаться неэффективной. 3. У молодых пациентов и пострадавших зрелого возраста (30-50 лет), вне зависимости от пола, процесс сращения проходит ряд стандартных стадий и завершается формированием полноценного костного регенерата в среднем через 5-6 мес после повреждения. 4. Ремоделирование костной ткани у пациентов возрастных групп, в большей степени у женщин, протекает длительно и неполноценно, что не позволяет говорить об опорности тела поврежденного позвонка в течение продолжительного периода времени.

About the authors

N. V Bogomolova

Saratov Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopaedics

Saratov, Russia

A. E Shul’ga

Saratov Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopaedics

Email: doc.shulga@yandex.ru
Saratov, Russia

V. V Zaretskov

Saratov Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopaedics

Saratov, Russia

A. A Smol’kin

Saratov Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopaedics

Saratov, Russia

I. A Norkin

Saratov Scientific Research Institute of Traumatology and Orthopaedics

Saratov, Russia

References

Supplementary files