Early Results of the Study of Reparative Peculiarities of Various Osteoplastic Materials in Experimental Bone Defects

Full Text

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.

About the authors

K. A Egiazaryan

Pirogov Russian National Research Medical University

Moscow, Russia

G. D Lazishvili

Pirogov Russian National Research Medical University

Moscow, Russia

K. I Akmataliev

Pirogov Russian National Research Medical University

Email: ortho.akmataliev@gmail.com
postgraduate, chair of traumatology, orthopaedics and BFS, RNIMU named after N.I. Pirogov Moscow, Russia

A. P Ettinger

Pirogov Russian National Research Medical University

Moscow, Russia

A. P Rat’ev

Pirogov Russian National Research Medical University

Moscow, Russia

A. V Volkov

Research Institute of Human Morphology

Moscow, Russia

G. V Korobushkin

Pirogov Russian National Research Medical University

Moscow, Russia

M. D Polivoda

Pirogov Russian National Research Medical University

Moscow, Russia

References

Supplementary files