Ранние результаты изучения репаративных особенностей различных костнопластических материалов в экспериментально созданных костных дефектах

Полный текст

Введение. Пластическое замещение костных дефектов, качественное улучшение и ускорение процессов остеогенеза является одной из актуаль- ных проблем современной травматологи и орто- педии [1-3]. Вследствие длительного периода вос- становления и недостаточной способности костной ткани к спонтанной регенерации в зоне дефектов восстановление структурной и функциональной целостности костной ткани представляет собой су- щественную медицинскую, социальную и немалую экономическую проблему [1, 2, 4]. В практике травматологов-ортопедов имеется регулярная потребность в использовании костно- пластических материалов при повреждениях и за- болеваниях костно-суставной системы [5, 6]. Так, по данным Национального центра статистики здраво- охранения США, за 2010 г. в Америке выполнено 1,3-1,5 млн оперативных вмешательств с примене- нием костно-пластических материалов [7]. Костная ткань метаэпифизарной локализа- ции представляет собой сочетание компактного и губчатого вещества: снаружи располагается кор- тикальная пластинка, которая в отличие от кор- тикального слоя диафизарной зоны чрезвычайно тонка, под ней - губчатое (трабекулярное) веще- ство. Травмы данных локализаций сопровожда- ются переломом не только кортикального слоя костной ткани. Разрушение затрагивает главным образом губчатое вещество в виде импрессионной деформации костного вещества с образованием костного дефекта [8, 9]. Регенеративные возмож- ности губчатой кости в области метаэпифиза не- достаточны для восстановления нормальной его структуры, так как заживление перелома в обла- сти метаэпифизарных зон отличается некоторы- ми особенностями. Ввиду анатомического отсут- ствия надкостницы на суставных поверхностях метаэпифизарной области не запускается про- цесс периостального репаративного остеогенеза, а сращение возможно только за счет эндостального остеогенеза [8, 10, 11]. Оптимальные условия для репаративной реге- нерации губчатой кости обеспечиваются ранней точной репозицией с максимальным сближением костных отломков и стабильной фиксацией отлом- ков на весь период их сращения. При обширных разрушениях и дефектах губчатой кости, там, где невозможно сблизить костные отломки, возникает потребность в костной пластике [8-11]. При этом воспроизводимое костно-пластическое замещение должно осуществляться при максимальном соприкосновении костно-пластического материала с воспринимающим ложем [12, 13]. Большое остеоге- нетическое поле эндоста с развитой сетью сосуди- сто-нервного комплекса, плотное соприкосновение костных отломков и костно-пластического матери- ала, прочная фиксация отломков и раннее функци- ональное лечение создают благоприятные условия для остеогенеза в губчатой костной ткани метаэпи- физарных областей. В последние годы для активизации остеогенеза и восстановления костной ткани в зоне дефектов широко применяются различные по составу кост- но-пластические материалы [13-18]. Данный факт свидетельствует о том, что ни один из них по тем или иным причинам не удовлетворяет потребно- стей реконструктивной хирургии, кроме, пожалуй, собственных аутотканей. Основными недостатками последних являются их естественное ограничен- ное количество, дополнительная операция, риск инфекционных осложнений, возрастные ограни- чения, развитие хронической боли, ограниченные возможности трансплантации при геометрически сложных костных дефектах [12-15]. Разнообразие представленных на террито- рии РФ материалов для костной пластики отече- ственного и зарубежного производства остро ста- вит перед хирургами вопрос выбора оптимального костно-пластического материала для конкретной клинической ситуации. Цель исследования: определить оптимальный костно-пластический материал для активизации репаративного остеогенеза и замещения травмати- ческих дефектов губчатой костной ткани метаэпи- зарных областей. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Экспериментально-морфологические исследо- вания проводились на базе НИИ трансляционной медицины РНИМУ им. Н.И. Пирогова. Работа одо- брена Этическим комитетом и комиссией по кон- тролю за содержанием и использованием лабора- торных животных РНИМУ им. Н.И. Пирогова. При выполнении экспериментов соблюдали междуна- родные правила гуманного обращения с лабора- торными животными и руководствовались прин- ципами, изложенными в Руководстве по работе с лабораторными животными для сотрудников ГБОУ ВПО РНИМУ им. Н.И. Пирогова Минздрава России, занятых проведением доклинических испыта- ний (http://rsmu.ru/fileadmin/rsmu/img/science /Animals/Ruk_IACUC_RSMU.pdf). Эксперимент был выполнен на 12 половозре- лых самцах кроликах породы «Шиншилла» массой тела 2500-2800 г. Нами была использована модель «критического» дефекта губчатой костной ткани. Хирургические вмешательства осуществляли в операционной, соблюдая асептические и антисепти- ческие условия, под внутривенным наркозом - зо- летил 50 (7,5 мг на 1 кг) + рометар 2% (0,1-0,2 мл на 1 кг). После выполнения доступа по наружной по- верхности нижней трети бедра размером 2-2,5 см остро и тупо выделяли дистальный метаэпифиз бедренной кости, в области которого с латерально- го кортикального слоя при помощи дрели и свер- ла формировали «критический» костный дефект диаметром 5 мм и длиной 8-10 мм в поперечном направлении к медиальному кортикальному слою. В него впоследствии имплантировали костно- пластический материал. Контроль произведения костного дефекта и заполнения его костно-пла- стическим материалом осуществляли при помо- щи электронного оптического преобразователя. Дефекты формировали на обеих задних конечно- стях с интервалом 1,5 мес. Изучены следующие костно-пластические ма- териалы: композиционный материал на основе кальция сульфата 75% и кальция фосфата 25% с добавлением затворяющей жидкости - компо- зиционный кальцийсульфатный костный цемент (Pro-dense, фирма «Wright Medical Technology», США); композиционный материал на основе ксе- ногенного гидроксиапатита (ГА) с добавлением коротких синтетических пептидов Р-15 в виде гра- нулированной пасты - ГА с Р-15 (I-factor, фир- ма «Cerapedics, Inc.», США); материал на основе _-трикальцийфосфата 75% и монокальций фос- фата 25% с затворяющей жидкостью - кальций- фосфатный костный цемент (Chronos Inject, фирма «Mathys Medical Ltd», Швейцария). Было сформировано 4 экспериментальные груп- пы. В 1-й группе дефекты заживали под кровяным сгустком без имплантации материала. Животным 2-й группы в дефекты имплантировали компози- ционный кальцийсульфатный костный цемент, 3-й группы - ГА с P-15, 4-й - материал на основе _-трикальцийфосфата. Эвтаназию животных осуществляли путем введения летальной дозы наркотического вещества на сроке 3 мес с момента первой операции. Таким об- разом, морфологическому изучению подвергались образцы, полученные по прошествии 1,5 и 3 мес с момента операции. Исследованы 24 конечности, по 6 в каждой группе. Морфологическое исследование состояло из изучения макропрепаратов и гистологическо- го качественного изучения микропрепаратов. Гистологическое исследование образцов ткани про- водили непосредственно после эвтаназии и забора резецированных костных блоков с последующим изучением макропрепаратов. Блоки помещали в 10% раствор формалина. Исследуемый материал подвергали декальцинации в 5% растворе азотной кислоты, затем промывали в спирте и водопрово- дной воде для удаления остатков кислоты из ткани. Материал обезвоживали посредством комплексной спиртовой проводки по восходящей концентрации, заливали в парафин. Гистотопографические срезы толщиной 7 мкм получали на санном микротоме. Для изучения срезов тканей применяли следую- щие методы окраски: обзорную окраску гематок- силином и эозином, для выявления специфических процессов образования костной ткани и резорбции по Массону - Голднеру («BioOptica», Италия) и по Папаниколау («BioOptica», Италия). Окрашенные срезы заключали в синтетическую среду Биомаунт. Фотодокументирование осуществляли на фотоска- нере ScanScope Aperio II. РЕЗУЛЬТАТЫ Первая группа. При макроскопическом изучении препаратов 1-й группы было выявлено, что на- ружные кортикальные слои в области нанесения повреждений не восстановились, сохранялись от- верстия воспроизведенных дефектов, заполненные эластично-волокнистой тканью, сохранявшиеся до 3-х месяцев наблюдения. Центральные части де- фектов были заполнены желтоватой тканью, нами- нающей желтый костный мозг (рис. 1, а). При гистологическом исследовании через 1,5 мес области дефектов обнаруживали по остаточным признакам: округлые и полулунные балки губчатой кости, образующие иногда структуры наподобие круга, полукруга или отдельных секторов. Внутри указанных костных образований встречались лишь единичные тонкие балочки в окружении желтого костного мозга, которые были сформированы не- большим числом остеобластов. Практически все площади ранее созданных интраметаэпифизарных дефектов полностью заместились желтым костным мозгом. На сроке 3 мес значительной разницы по гистологической структуре области повреждении в сравнении с таковой на сроке 1,5 мес установить не удалось. Архитектура губчатой костной ткани ме- таэпифизарной области бедренных костей не вос- становилась (рис. 1, б). Вторая группа. При макроскопическом изуче- нии препаратов, полученных через 1,5 мес после имплантации материла на основе композиционного кальцийсульфатного костного цемента, выявлено, что наружные кортикальные слои не восстанови- лись и сохранялись отверстия нанесенных дефек- тов. Отмечали сглаживание краев костных ран и умеренное заполнение их эластично-волокнистой тканью. При изучении центральных частей де- фектов отмечали наличие умеренного количества имплантированного материала в виде отдельных фрагментов в окружении серовато-бурой ткани. На сроке 3 мес дефекты наружных кортикальных сло- ев уменьшились в размерах, однако сохранялись узкие его ходы, заполненные сероватой волокни- стой тканью. При изучении центральных частей дефектов отмечалось сокращение количества и размера частиц имплантированного материала, ко- торые были окружены сероватой волокнистой тка- нью с бурыми участками, описанная ткань в свою очередь была окружена желтоватой тканью (рис. 2). При гистологическом исследовании через 1,5 мес практически все площади интраметаэпи- физарных дефектов были заполнены грануля- ционной тканью и соединительной тканью регенераторного типа различной степени зрелости. Имплантированный материал в небольшом коли- честве обнаруживался в созревающей грануляци- онной ткани в виде небольших глыбок и отдель- но лежащих фрагментов, разделенных нежными тонкими соединительнотканными прослойками. В центре и по периферии округлых дефектов вы- являли сеть первичных балочных структур из ре- тикулофиброзной костной ткани, между которыми определялась грануляционная ткань, пропитанная аморфными массами костно-пластического мате- риала, в некоторых местах материал находился в неорганизованном мелкодисперсном состоянии. По периферии в умеренном количестве формирова- лись первичные костные балки. Вокруг отдельных балок визуализировались группы остеокластов. Наименьшая часть дефектов была представлена желтым костным мозгом (рис. 3, а). На сроке 3 мес ширина ободка демаркационной площадки в зоне дефектов уменьшилась. В центральных областях преобладала плотная фиброзная ткань, состоящая из клеток фибропластического ряда, в единичных случаях с наличием имплантированного материа- ла. В умеренном количестве обнаруживались тра- бекулы костной ткани. Основная часть дефектов была представлена желтым костным мозгом. Кроме того, на данном сроке отмечалось снижение объема костной ткани, тогда как грануляционная ткань со- храняла свой относительный объем, что свидетель- ствует в пользу резорбции материала и уменьше- ния его в объеме (рис. 3, б). Третья группа. При макроскопическом исследо- вании через 1,5 мес после операции и имплантации материла на основе ГА с Р-15 в виде гранулирован- ной пасты было выявлено, что материал располагал- ся за пределами костных дефектов в близлежащих мягких тканях и лишь частично заполнял полости дефектов. Наружные кортикальные слои в области сформированных дефектов не восстановились, от- мечалось сглаживание краев костных ран и умерен- ное заполнение их сероватой волокнистой тканью. По прошествии 3 мес также отмечали продол- жающуюся миграцию материала в окружающие дефекты мягкие ткани. Области дефектов наруж- ных кортикальных слоев уменьшилась в размерах, однако сохранялись просветы дефектов корти- кального слоя, заполненные костно-пластическим материалом с прослойками сероватой волокнистой ткани. В центральных частях дефектов материал располагался хаотично группами и одиночными гранулами с частичным заполнением полостей де- фектов, большая часть которых была представлена желтоватой тканью. На этом сроке перифериче- ская зона вокруг гранул костно-пластического ма- териала была представлена более плотной тканью (рис. 4). При гистологическом исследовании образцов костной ткани через 1,5 мес имплантированный ма- териал находился в центре группами и одиночными гранулами, которые располагались хаотично и ме- стами только прилегали к краю костного дефекта. Процессов активной резорбции материала не вы- явлено, отмечалась его миграция за пределы зоны имплантации. Большие части интраметаэпифизар- ных дефектов были заполнены желтым костным мозгом. Вокруг материала и на его поверхности имелись наслоения соединительной ткани регене- раторного типа и ретикулофиброзной ткани в виде тонких балочек (рис. 5, а). На сроке 3 мес процессы репарации протекали более активно. В поверхностных слоях у места при- легания костно-пластического материала к краю костных дефектов новообразованная регенератор- ная костная ткань характеризовалась большей сте- пенью зрелости от периферии к центру. Материал располагался так же хаотично, как описано выше. Вокруг материала и на его поверхности имелись умеренные наслоения костной ткани, в виде тонких балочек отчасти анастомозирующих друг с дру- гом и частично образующих трабекулярную сеть губчатой кости по типу кластеров. В свою очередь грануляционная ткань занимала небольшую долю, остальной объем был представлен желтым кост- ным мозгом (рис. 5, б). Четвертая группа. При макроскопическом изу- чении образцов через 1,5 мес после операции и вве- дения материла на основе _-трикальцийфосфата было выявлено, что области дефектов наружных кортикальных слоев уменьшились в размерах за счет сероватой волокнистой ткани, однако сохра- нялись просветы дефектов, заполненные костно- пластическим материалом. Центральные части дефектов практически полностью были запол- нены костно-пластическим материалом, нахо- дившимся в плотном соприкосновении с серова- то-бурой тканью и прилежавшей к ней губчатой костной тканью (рис. 6, а). На сроке 3 мес дефекты кортикальных пластинок сузились по сравнению с 1,5-месячным сроком, кортикальный слой вос- становился лишь частично, большая часть дефек- та была заполнена сероватой волокнистой тканью. Материал, расположенный в центральных частях дефектов, заметно уменьшился в размерах и за- нимал 1/3 объема костных дефектов. Меньшая часть тканей была представлена серовато-бурой тканью, остальная - плотной тканью наподобие губчатой кости (рис. 6, б). Гистологически через 1,5 мес в центре округлых дефектов выявляли костно-пластический мате- риал, занимавший всю область дефектов в окру- жении грануляционной ткани и соединительной ткани регенераторного типа. В окружении матери- ала встречались гигантские многоядерные клетки. Отмечались очаги пролиферации остеогенных клеток в виде островков, из которых формирова- лись первичные костные балки пластинчатой ко- сти (рис. 7, а). По прошествии 3 мес в центральной части еще оставались скопления островков костно- пластического материала, который был проращен зрелой и созревающей грануляционной тканью с полнокровными сосудами. Наряду с этим опреде- лялся заметно сократившийся по площади мягкот- канный регенерат, построенный из соединительной ткани регенераторного типа. С интактной стороны наблюдали аппозиционный рост новообразованной костной ткани пластинчатого строения в централь- ную зону повреждения. Большая часть площади бывших дефектов была заполнена костной тканью со зрелыми костными балками нормальной толщи- ны. В межтрабекулярном пространстве находился костный мозг (рис. 7, б). Обсуждение. Таким образом, при морфологи- ческом изучении костно-пластических матери- алов в модели критического дефекта в метаэпи- физе бедренной кости у кролика были выявлены следующие особенности. Созданный «критиче- ский» дефект метаэпифиза бедренной кости на сроке 3 мес неспособен к спонтанному органоти- пическому заживлению, что соответствует по- ставленным целям и задачам исследования. При имплантации материалов цементного характера отмечается гемостатический эффект с механиче- ской стабильностью самого материала. Введение в «критический» дефект материала на основе композиционного кальцийсульфатного костного цемента приводит к быстрой стимуляции остео- генеза в течение 1,5 мес. Однако с течением вре- мени (спустя 3 мес) объем новообразованной кост- ной ткани уменьшается и отмечается умеренное количество образованных балок костной ткани с активной резорбцией оставшегося материала. Имплантированный материал на основе ГА с Р-15 приводит к стимуляции остеогенеза на своей по- верхности и формированию тонких, пластинча- тых костных балок к 3-му месяцу, однако из-за механической нестабильности и отсутствия ак- тивной резорбции данного материала в динамике имеет место только умеренное образование балок костной ткани. При имплантации материала на основе _-трикальцийфосфата процессы остеоге- неза на сроке 1,5 мес заживления костной раны замедлены. Однако к 3-му месяцу происходит уве- личение темпа резорбции костно-пластического материала, и костный регенерат увеличивается в объеме. Идет формирование балочной системы и ее реорганизация в трабекулярную сеть губчатого вещества метаэпифиза бедренной кости, сопрово- ждающаяся образованием зрелых балок нормаль- ной толщины. Заключение. Механическая стабильность костно-пластического материала и последующая постепенная резорбция, а также образование зре- лых костных балок свидетельствуют в пользу ма- териала на основе _-трикальцийфосфата. Однако для того, чтобы сделать окончательное заключе- ние об эффективности того или иного материала и получить более объективные морфологические данные, необходимо провести исследования с применением гистоморфометрии с более длитель- ным сроком наблюдения и сравнить морфологи- ческие данные с результатами лучевых методов исследования. По итогам можно оценить микро- архитектонику образовавшейся ткани и динамику остеогенеза, а также определить сроки резорбции материалов и сроки формирования трабекуляр- ной сети губчатой костной ткани.

Об авторах

К. А Егиазарян

ФГБОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава России

канд. мед. наук, доцент, зав. кафедрой травматологии, ортопедии и ВПХ РНИМУ им. Н.И. Пирогова Москва, РФ

Г. Д Лазишвили

ФГБОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава России

профессор кафедры травматологии, ортопедии и ВПХ РНИМУ им. Н.И. Пирогова Москва, РФ

Канымет Искендербекович Акматалиев

ФГБОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава России

Email: ortho.akmataliev@gmail.com
аспирант кафедры травматологии, ортопедии и ВПХ РНИМУ им. Н.И. Пирогова Москва, РФ

А. П Эттингер

ФГБОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава России

доктор мед. наук, профессор, зав. отделом экспериментальной хирургии НИИ трансляционной медицины РНИМУ им Н.И. Пирогова Москва, РФ

А. П Ратьев

ФГБОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава России

доктор мед. наук, профессор кафедры травматологии, ортопедии и ВПХ РНИМУ им. Н.И. Пирогова Москва, РФ

А. В Волков

ФГБНУ «Научно-исследовательский институт морфологии человека»

канд. мед. наук, старший науч. сотр. лаборатории роста и развития НИИМЧ Москва, РФ

Г. В Коробушкин

ФГБОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава России

доктор мед. наук, профессор кафедры травматологии, ортопедии и ВПХ РНИМУ им. Н.И. Пирогова Москва, РФ

М. Д Поливода

ФГБОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава России

канд. мед. наук, доцент отдела экспериментальной хирургии НИИ трансляционной медицины РНИМУ им. Н.И. Пирогова Москва, РФ

Список литературы

Дополнительные файлы