Experimental and clinical aspects of combined method of replacement osteochondral defects of the knee

Full Text

Максимально полноценное морфологическое, физиологическое и при этом минимально травматичное восстановление гиалинового хряща при повреждениях крупных суставов — одна из актуальных проблем ортопедии. По данным литературы, более 50% обращений к ортопеду, ревматологу, спортивному врачу и другим специалистам амбулаторного звена связаны с патологией суставов дегенеративно-дистрофического характера [1, 2]. У 60% этих пациентов на разных этапах лечебно-диагностического процесса выявляют хондромаляцию различной степени глубины и протяженности [3].

Известен широкий спектр методов диагностики и лечения указанной патологии. Основными задачами терапии являются купирование болевого синдрома, пролонгация сроков и снижение интенсивности прогрессирования заболевания, а также достижение полноценной медицинской, социальной и трудовой реабилитации [4—6]. В последние годы весьма активно совершенствуются известные и разрабатываются новые технологии хирургического лечения остеоартрита, не исключая базового консервативного лечения [7-10].

В 60-х годах прошлого столетия была предложена субхондральная или транскортикальная туннелизация — одна из первых малоинвазивных хирургических методик. Ее суть состоит в формировании каналов диаметром от 0,5 до 2 мм в эпиметафизарных зонах трубчатой кости с целью стимуляции репаративных процессов, снижения внутрикостного давления и уменьшения болевого синдрома. Некоторыми специалистами она успешно применяется и в настоящее время [11]. К недостаткам туннелизации можно отнести вероятность возникновения ожога прилегающих тканей при некорректном использовании техники, что нарушает микроциркуляцию в субхондральной кости, препятствуя таким образом формированию полноценной и стабильной хрящеподобной фиброзной ткани [12].

Аналогичным по сути и достаточно распространенным методом лечения остеохондральных дефектов является микрофрактурирование склерозированной субхондральной кости, предложенное J. Steadman в 1997 г. [по 13]. Несмотря на преимущества, в частности исключение термического ожога, ряд авторов отрицательно оценивают необходимость выполнения микропереломов. Они считают, что образующаяся в результате трансформации гематомы хрящеподобная фиброзная ткань тонкая, неустойчива к физическим нагрузкам, довольно быстро лизируется и не соответствует ожиданиям функционального восстановления [13].

Другие малоинвазивные методики оперативного лечения напоминают указанные и сопоставимы по эффективности [13, 14].

Цель исследования — оптимизация органосохраняющего лечения остеохондральных дефектов коленного сустава.

Материал и методы

Экспериментальное исследование проведено на 60 коленных суставах 30 баранов в возрасте от 1,5 до 3 лет. В качестве экспериментальных были выбраны крупные животные, которые схожи с человеком анатомическим строением и сопоставимы функциональными нагрузками коленного сустава. Кроме того, овцы хорошо переносят анестезию и разрешены к применению в качестве экспериментальных животных на территории Российской Федерации (Закон «О защите животных от жестокого обращения», от 01.12.99, ст. 9, пункт 4).

Животные разделены нами на 3 группы по 10 особей (20 суставов) в каждой, исходя из способа замещения остеохондрального дефекта.

Во всех наблюдениях формировали полнослойный дефект гиалинового хряща фрезой диаметром 4,5 мм, глубиной 7 мм с захватом субхондральной кости в области медиального мыщелка правой бедренной кости (рис. 1). Восстанавливали искусственные дефекты по одному из указанных ниже методу. Левый сустав считали контрольным (контроль) и сформированный дефект не восполняли.

 

Рис. 1. Полнослойный дефект гиалинового хряща и субхондральной кости внутреннего мышелка бедренной кости.

Fig. 1. Full-layer defect of hyaline cartilage and subchondral bone of the inner condyle of the femur.

 

В 1-й группе непосредственно после формирования дефекта выполняли микрофрактурирование его дна.

Во 2-й группе поверхность микрофрактурированного дефекта полностью герметично закрывали внеклеточным коллагеновым матриксом (ВКМ). Последний по периферии подшивали рассасывающейся нитью 2/0.

В 3-й группе, после микрофрактурирования дна, подшивания матрикса дефект дополнительно заполняли аутоплазмой, обогащенной тромбоцитами со взвесью измельченного гиалинового аутохряща. Его отдельно получали путем забора скальпелем из ненагружаемой поверхности сустава.

Фрагменты хряща в количестве от 3 до 7 измельчали до размера 0,2×0,2 мм, перемешивали с аутоплазмой и вводили эту взвесь в образованный дефект. Для получения аутоплазмы использовали венозную кровь (3—5 мл) оперируемого животного до введения анестетика, ее центрифугировали в специальных пробирках с системой клеточной фильтрации в течение 5 мин при 2500 об/мин.

Ход операции. Под общей анестезией, после внутривенного введения 2% Sol. Rometari из расчета 0,3 мг на 1 кг веса овцы проводили хирургическое вмешательство.

Положение животного на боку. Задние конечности фиксировали в положении сгибания. Хирургический доступ 3-4 см проводили по передней поверхности коленного сустава кнутри от собственной связки надколенника. После рассечения капсулы сустава обеспечивался доступ к медиальному мыщелку бедренной кости. Фрезой диаметром 4,5 мм формировали дефект глубиной до 7 мм с захватом субхондральной кости, оставляя его зияющим в левом — контрольном коленном суставе.

В зависимости от исследуемой группы дефект в правом коленном суставе замещали в строгом соответствии с указанными выше методиками (рис. 2). Операционную рану послойно ушивали без дренирования полости сустава.

 

Рис. 2. Вид дефекта после фиксации внеклеточным коллагеновым матриксом (ВК.М). а — ВКМ; б — измельченный аутохрящ.

Fig. 2. View of defect after fixation by extracellular collagen matrix (VCM). a — VCM; b — crushed autochthonous.

 

Все животные в периоперационном периоде содержались в условиях, соответствующих требованию законодательства РФ. Полная нагрузка на конечность после операции искусственно не ограничивалась.

Мониторирование результатов эксперимента проводили в сроки 1,3 и 6 мес после оперативного вмешательства.

Падежа животных от разных причин, как и от инфекционно-гнойных осложнений, мы не наблюдали в раннем и позднем послеоперационном периодах вплоть до выведения животных из эксперимента.

Макроскопическую оценку дефектов осуществляли при помощи шкалы Driscoll для оценки послеоперационного состояния крупных суставов в эксперименте на животных [14]. Микроморфометрию полученного регенерата осуществляли с оценкой удельного объема хондроцитов, хрящевого матрикса, соединительной ткани в регенерате и средней глубины дефекта.

Для гистологического исследования материал непосредственно после его забора фиксировали в 10% растворе нейтрального забуференного формалина. Затем костную ткань декальцинировали в растворе 12% азотной кислоты, обезвоживали в спиртах возрастающей концентрации с последующей заливкой в парафиновую среду Histomix в строгом соответствии с существующим протоколом. Полученные парафиновые блоки резали на ротационном микротоме (LEI R 2124 R) и для оценки изменений окрашивали срезы гематоксилином и эозином.

Результаты

В 1-й группе к 6 мес наблюдения макроскопически определяли динамику восполнения дефекта в рамках минус-ткань: дно костно-хрящевого дефекта эрозировано, практически не заполнено рубцовой или хрящеподобной тканью, граница между зоной дефекта и здоровым собственным гиалиновым хрящом прослеживается четко (рис. 3, а). Глубина дефекта итогово составляла в среднем 3—6 мм.

Последовательные изменения в микроскопической картине области костно-хрящевого дефекта в 1-й группе животных отражены на рис. 3, б. Аналогично макроскопической картине определяется эффект «минус-ткань», достигающий 50% исходной глубины фрезевого канала. Края дефекта ровные, гладкие; граница между новообразованной тканью и сохраненным гиалиновым суставным хрящом прослеживается четко, так как новообразованная ткань полнокровна.

 

Рис. 3. Динамика макроскопической картины дефекта в 1 -й экспериментальной группе. а — через 1 мес; б— через 3 мес; в—через 6 мес.

Fig. 3. Dynamics of a macroscopic pattern defect in the 1st experimental group. a — after 1 month; б — after 3 months; в — after 6 months.

 

Удельные объемы тканей в среднем составили: хондроциты — 4,18±0,2%, хрящевой матрикс — 33,73±1,3%, соединительная ткань — 62,09±1,3%; средняя глубина дефекта 56,1±2,1% от толщины нативного хряща.

Во 2-й экспериментальной группе пошагово к 6 мес после операции визуально также определяли минус-ткань. Однако глубина остаточного дефекта была меньше и не превышала ²/₃ исходной толщины (рис. 4. а).

Микроскопически в группе с замещением дефекта ВКМ в динамике наблюдали формирование более стабильного, чем в 1-й группе и контроле, регенераторного слоя. К 6 мес эксперимента обнаруживали признаки очагового ремоделирования хрящевой ткани, выражающиеся в формировании хондроцитами колонок-столбиков, некоторое оживление поверхностного слоя (увеличение количества клеток), появление изогенных групп хрящевых клеток в матриксе (рис. 4, б).

 

Рис. 4. Динамика микроскопической (после закрытия ВКМ; ув. 40) картины дефекта во 2-й экспериментальной группе. а — через 1 мес; б — через 3 мес; в — через 6 мес.

Fig. 4. Dynamics of microscopic (after the closure of the VCM; UV. 40) pattern defect patterns in the 2nd experimental group. a —after 1 month; б —after 3 months; в — after 6 months.

 

Удельный объем клеточных элементов во вновь образованной ткани в этой группе к 6 мес в среднем составил: хондроциты — 5,6±0,3%, хрящевой матрикс — 42±2,1 %, соединительная ткань — 52,3±2,1 %. Средняя глубина дефекта достигала 15,2±2% от толщины нативного хряща.

Наиболее выраженную картину восстановления дефекта отметили к 6 мес после операции в 3-й экспериментальной группе. Дефект при макроскопическом исследовании практически полностью восстановлен с ровными гладкими краями и плавным переходом границы между новообразованной тканью и сохраненным гиалиновым суставным хрящом. Разделительная линия между ними прослеживается с трудом (рис. 5, а).

На гистологических срезах в этой группе отчетливо видно, что на месте бывшего повреждения образовался неоднородный слой гиалиноподобного хряща, сопоставимый по морфологическим и качественным показателям с нативным.

Микроскопически область костно-хрящевого дефекта по краям выполнена гиалиновоподобной хрящевой тканью, которая местами разделялась на слои (поверхностный, промежуточный, глубокий). Субхондральная костная пластинка восстановлена на всем протяжении; волокна ее утолщены, оформлены. В большинстве своем элементы костной ткани ориентированы пространственно перпендикулярно кортикальной пластинки, основное вещество в умеренном количестве, гомогенное (рис. 5, б).

 

Рис. 5. Динамика макроскопической (я) и микроскопической (б; ув. 40) картины в 3-й экспериментальной группе. а — через 1 мес; б — через 3 мес; в — через 6 мес.

Fig. 5. Dynamics of macroscopic (a) and microscopic (b); magnification 40) pattern in the 3rd experimental group. a — after 1 month; b —after 3 months; c —after 6 months.

 

Удельный объем хондроцитов в среднем составил 8,8±0,3%, хрящевого матрикса 58,6±0,8%, объем соединительной ткани 32,7±1 % соответственно. Восстановление средней глубины дефекта достигло 1,9±1,3% от нормальной толщины гиалинового хряща.

Полученные в ходе исследования данные о качественном клеточном составе регенерата статистически обработаны. Критический уровень значимости при проверке статистических гипотез в данном исследовании принимался равным 0,05. В таблице представлены средние значения изучаемых показателей клеточного состава в зоне дефекта и анатомофункционального состояния оперированного сустава.

Для попарного множественного сравнения степени анатомо-функционального восстановления оперированного сустава по шкале Driscoll в разных группах использовали непараметрический критерий Ньюмена- Кейлса, а для сравнения с контролем — критерий Данна.

 

Таблица. Средние значения изучаемых показателей

Table. Average values of the studied indicators

Группа	Оценка по шкале Driscoll, баллы	Удельный объем, %			Средняя глубина дефекта, % от толщины здорового хряща
		хондроциты	хрящевой матрикс	соединительная ткань
Контроль	3,9±0,548	3,52±0,089	25,89±2,755	70,59±2,732	65,1±2,295
1-я	5,9±0,568	4,18±0,215	33,73±1,288	62,09±1,314	56,1±2,132
2-я	7,4±0,516	5,63±0,32	42,08±2,143	52,29±2,124	15,2±1,989
3-я	8,9±0,738	8,83±0,302	58,6±0,75	32,72±1,053	1,9±1,287

 

Оценки по шкале Driscoll во всех группах были статистически значимо выше показателей в контроле. Кроме того, оценки по шкале Driscoll в 3-й группе статистически значимо выше, чем в 1-й и 2-й группах, а во 2-й группе — выше, чем в 1-й группе. Согласно результатам статистического анализа удельный объем хрящевого матрикса и хондроцитов во всех группах статистически значимо выше, чем в контроле. Объем хрящевого матрикса и хондроцитов в 3-й группе статистически значимо больше, чем в 1 -й и 2-й группах.

Для попарного множественного сравнения удельного объема соединительной ткани в разных группах использовали параметрический критерий Стьюдента с поправкой Бонферрони.

Удельный объем соединительной ткани во всех группах оказался статистически значимо ниже, чем в контроле. Аналогичный показатель в 3-й группе также существенно ниже, чем в 1-й и 2-й группах, а во 2-й группе — статистически значимо ниже, чем в 1-й группе.

Таким образом, статистически обработанные результаты исследования с критическим уровнем значимости 0,05 позволяют достоверно оценить клеточный состав регенерата, степень замещения дефекта и анатомофункциональные результаты в оперированном суставе.

Обсуждение

Большинство специалистов считают, что остеохондральные дефекты обусловливают необходимость хирургического лечения [14]. Основным методом диагностики таких повреждений считается магнитно-резонансная томография, на основании результатов которой имеется возможность полноценно спланировать операцию. Одним из наиболее широко применяемых малоинвазивных способов лечения является микрофрактурирование. Это наиболее простая и доступная методика, которая может выполняться артроскопически. Микрофрактурирование позволяет получить хорошие результаты в большинстве клинических случаев [15, 16]. Однако полученный в результате регенерат не позволяет полноценно заместить зону дефекта и быстро лизируется [17, 18]. Это нашло подтверждение в проведенных нами исследованиях в 1-й экспериментальной группе. В доступной медицинской литературе описывается высокая результативность применения мозаичной аутохондропластики. Несмотря на положительные результаты ее применения, она отличается большей травматичностью, вероятностью развития болевого синдрома в донорской зоне сустава, как и прогрессированием дегенеративно-дистрофических процессов [19].

В настоящее время активно развиваются методики культивирования хондроцитов и имплантации их в зону дефекта на матрице либо под материал, отграничивающий зону дефекта от полости сустава. Один из таких методов — трансплантация аутологичных хондроцитов (Autologous Chondrocyte Implantation — АСІ) и индуцированный матрицей аутогенный хондрогенез (Autologous Matrix Induced Chondrogenesis — AMIC). Обе методики дают хорошие результаты. Однако применение АСІ требует выполнения двух оперативных вмешательств, а АМІС отличается высокой стоимостью, что снижает их востребованность [19, 20].

Несомненно, актуально развитие направления, связанного с использованием мезенхимальных стволовых клеток. Однако специалисты отмечают наряду с очевидными преимуществами ряд серьезных недостатков [21, 22].

В предлагаемом решении проблемы восполнения остеохондральных дефектов мы попытались объединить преимущества таких монотерапевтических средств, как ВКМ, плазма, обогащенная тромбоцитами, и аутопластики хрящевой ткани, минимизировав их негативные свойства. Предложенный метод выполняется в один этап в отличие от методики АСІ, а сама техника является менее агрессивной, чем мозаичная аутохондропластика, и не оставляет больших дефектов в донорской зоне (рис. 6).

 

Рис. 6. Микроскопическая картина после закрытия дефекта ВКМ в динамике, где: а — 1 мес; б — 3 мес; в — 6 мес. Увеличение ×40.

Fig. 6. The Microscopic picture after closure of the defect VCR in dynamics, where: a — 1 month; b — 3 months; c — in 6 months. Magnification ×40.

 

Результаты, полученные в 1-й группе, отражают неполноценность сформированного сгустка и его ранний лизис после микрофрактурирования. Во 2-й группе эксперимента показатели регенерации имели положительные отличия от таковых в 1-й группе, что связано с применением ВКМ. Наиболее оптимистичные результаты наблюдали в 3-й группе, в которой остеохондральный дефект максимально заполнен регенератом гиалиновоподобной хрящевой ткани с морфологически прослеженной архитектоникой (рис. 7,8). По мнению нашей исследовательской группы, это может свидетельствовать о хороших результатах сочетания микрофрактурирования и коллагенового матрикса со взвесью аутохондроцитов в плазме, обогащенной тромбоцитами, что позволяет рекомендовать методику к клиническому применению.

 

Рис. 7. Динамика макроскопической картины в третьей экспериментальной группе. Внешний вид дефекта: а — через 1 мес; б— через 3 мес; в — через 6 мес.

Fig. 7. Dynamics of the macroscopic picture in the third experimental group. Appearance of the defect: a — after 1 month; b — after 3 months; c — in after 6 months.

 

Рис. 8. Микроскопическая картина дефекта в динамике, где: а — 1 мес; б — 3 мес; в — 6 мес. Увеличение ×40.

Fig. 8. Microscopic picture of the defect in dynamics, where: a —1 month; b —3 months; c — in 6 months. Magnification ×40.

 

Заключение. Комбинированное сочетание малоинвазивных, доступных и простых в исполнении, недорогостоящих методик в отдаленные сроки экспериментального наблюдения показали высокую эффективность. Данная методика в условиях неограниченной нагрузки на оперированную конечность животного позволила добиться практически полного замещения дефекта и воссоздания локального регенерата с архитектоникой, свойственной нормальному гиалиновому хрящу. Экспериментальное обоснование оригинальной методики оперативного лечения не исключает его применения в клинической практике ортопедических отделений лечебно-профилактических учреждений.

About the authors

N. V. Zagorodniy

N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopaedics

Email: AirapetovGA@yandex.ru

d.m.s

Russian Federation, Moscow

A. A. Vorotnikov

Stavropol State Medical University

Email: Vorotnikovaa@mail.ru

.m.s., head of the department of traumatology and orthopedics, professor

Russian Federation, Stavropol

G. A. Airapetov

Stavropol State Medical University

Email: AirapetovGA@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7507-7772

PhD., docent of the department of traumatology and orthopedics

Russian Federation, Stavropol

G. A. Saneeva

Stavropol State Medical University

Author for correspondence.
Email: AirapetovGA@yandex.ru

PhD, docent of the department of endocrinology

Russian Federation, Stavropol

References

Supplementary files