Comparative analysis of changes in the desmal and chondral structures of spinal motion segment at various methods for posterior spine fixation in experiment

Full Text

Введение. Боль в нижней части спины является наиболее распространенным симптомом при пора- жении позвоночного столба, который испытывают от 54 до 80% людей, преимущественно трудоспособ- ного возраста. Хирургическое лечение дегенератив- ных заболеваний поясничного отдела позвоночника для цитирования: Кривошеин А.Е., Конев В.П., Колесов С.В., Бывальцев В.А., Казьмин А.И. Сравнительный анализ изме- нений десмальных и хрящевых структур позвоночно-двигательного сегмента при различных способах задней фиксации позвоночника в эксперименте. Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2017; 4: 25-30. Cite as: Krivoshein A.E., Konev V.P., Kolesov S.V., Byval’tsev V.A., Kaz’min A.I. Comparative analysis of changes in the desmal and chondral structures of spinal motion segment at various methods for posterior spine fixation in experiment. Vestnik trava- mologii i ortopedii im. N.N. Priorova. 2017; 4: 25-30. заключается в декомпрессивно-стабилизирующих операциях на позвоночнике. Несмотря на длитель- ное изучение вопросов патогенеза, развития сим- птомов этого тяжелого заболевания, показатели успешности оперативного лечения варьируются в значительном диапазоне от 57 до 96% [1, 2]. Особую заинтересованность проявляют к хи- рургическим технологиям, позволяющим сохра- нить подвижность оперированного сегмента. Такие конструкции позволяют разгрузить фасеточные суставы и задние отделы межпозвонкового диска, тем самым сохраняя физиологический диапазон движений в позвоночно-двигательном сегменте (ПДС), а также обеспечивая профилактику разви- тия синдрома смежного диска в позднем послеопе- рационном периоде [3-5]. За последние годы возрос интерес к исполь- зованию новых отечественных сплавов, одним из которых является нитинол. Нитинол - уникаль- ный сплав никеля (55%) и титана (45%), облада- ющий такими свойствами, как память формы и сверхупругость, которые проявляются в условиях температуры окружающих тканей, и способный изменять свою ось при динамических нагрузках. Эффективный модуль упругости нитинола ра- вен 15-20 ГПа, что практически равно модулю упругости кортикальной кости (18 ГПа). По своим характеристикам он в 8 раз пластичнее титана. По данным М.Ю. Коллерова и соавт. [6], кристал- лическая решетка материала обладает боль- шой устойчивостью к динамическим нагрузкам и стержни из нитинола выдерживают до 16 млн нагрузочных циклов без усталостных переломов. Описанные свойства нитинола обусловливают перспективность его использования для динами- ческой транспедикулярной стабилизации пояс- нично-крестцового отдела позвоночника по техно- логии «nofusion» (без спондилодеза). В доступной нам литературе мы не нашли на- учных публикаций, посвященных рентгенологиче- скому и морфологическому анализу структур ПДС при различных способах задней фиксации позво- ночника в эксперименте. Цель исследования: по результатам сравни- тельного рентгенологического и морфологическо- го анализа разработать критерии, позволяющие оценить степень дегенерации элементов ПДС при различных способах задней фиксации позвоноч- ника в эксперименте. МаТериаЛЫ и МеТодЫ Эксперимент проведен на базе института ве- теринарной медицины и биотехнологии ОмГАУ им. П.А. Столыпина в период с октября 2013 г. по октябрь 2015 г. Объектом исследования являлись 10 беспородных собак массой тела 12±1,5 кг в воз- расте 21±3 мес, которые были разделены на две группы. Животным проводили транспедикуляр- ную фиксацию поясничного отдела позвоночни- ка на двух уровнях с использованием ригидных стержней из сплава титана (1-я группа, n=5) или динамических стержней из нитинола (2-я группа, n=5). В соответствии с требованиями эксперимен- та в заводских условиях изменены стандартные температурные условия стержней из нитинола с 36° до 39-40° (температуры тела собаки). Опера- тивные вмешательства выполняли с соблюде- нием правил асептики и антисептики согласно правилам «Европейской конвенции о защите по- звоночных животных, которые используются для экспериментальных и научных целей». Техника операции не отличалась от стандартной, исполь- зуемой у человека. Рентгенологический контроль оперированного позвоночника осуществляли в боковой и прямой проекциях в нейтральных положениях позвоноч- ника, а также при функциональных пробах до и после оперативного вмешательства в боковой про- екции. Рентгенографию выполняли на аппарате «Арман» с использованием пленочных технологий и периодичностью 3, 6, 12, 18 и 24 мес. С целью функциональной оценки состояния позвоночника при различных способах задней транспедикулярной фиксации позвоночника у экс- периментальных животных нами были сформули- рованы следующие рентгенологические критерии: • ось позвоночника до и после фиксации в ней- тральном положении; • объем движений в исследуемом сегменте при функциональном исследовании (по методу Cobb); • высота диска в фиксированном сегменте позво- ночника, выше и ниже уровня фиксации; • высота суставной щели дугоотросчатых суста- вов при функциональном исследовании на уровне фиксации, а также выше и ниже его. Кроме рентгенограмм для более информатив- ной оценки состояния структурных элементов ПДС каждому животному в те же сроки проводили муль- тиспиральную компьютерную томографию (МСКТ) на аппарате Aquilion-64 («Toshiba», Япония). На то- мограммах оценивали следующие параметры: • высоту суставной щели дугоотросчатых су- ставов на уровне фиксации, а также выше и ниже уровня стабилизации; • высоту диска в фиксированном сегменте позво- ночника, а также выше и ниже его; наличие скле- роза суставных поверхностей дугоотросчатых су- ставов на вышеописанных уровнях как одного из признаков дегенеративно-дистрофических изме- нений; • признаки обызвествления передней продольной связки. В течение всего эксперимента животные содер- жались в одинаковых условиях и вели активный образ жизни. В установленные сроки (3, 6, 12, 18 и 24 мес.) в каждой группе из эксперимента выводили по 1 животному путем передозировки внутривенного наркоза (кетамин). После прекращения витальных функций осуществляли вскрытие с выделением зоны фиксированного ПДС поясничного отдела по- звоночника. Для морфологического исследования, исполь- зуя сепарационный диск, вырезали кусочки су- ставных поверхностей суставов на уровне фикса- ции и вне зоны фиксации, т.е. смежные с уровнем фиксации, а также части межпозвонковых дис- ков. Материал фиксировали в 10% нейтральном формалине. В дальнейшем материал подвергали декальцинации в 0,1 н. растворе соляной кисло- ты на физиологическом растворе. После декаль- цинации осуществляли стационарную проводку материала по спиртам восходящей плотности и заливку в парафин. Парафиновые срезы окраши- вали гематоксилином и эозином, пикрофуксином по Ван-Гизону, отдельные среды - реактивом Шиффа (ШИК-реакция) и альциановым синим. Осуществляли световую микроскопию и цифро- вое микрофотографирование. Статистическую обработку данных проводи- ли с использованием программных пакетов ана- лиза Microsoft Excel, Statistica 10,0 (StatSoft Inc., США) [7, 8]. реЗУЛЬТаТЫ Объем движений в оперированном сегменте позвоночника до операции при функциональном исследовании в обеих группах составлял 18±1,2°. В 1-й группе с ригидной фиксацией после опера- тивного вмешательства (3 мес) объем движений со- ставил 0±0,03° (рис. 1). Во 2-й группе с динамиче- ской фиксацией у всех животных объем движений в ПДС сохранялся на всем протяжении экспери- мента и в среднем равнялся 15±1,3°, что составило 78,9% от исходного объема (рис. 2). Показатель высоты диска на уровне фиксации, а также выше и ниже фиксированного ПДС в обеих группах до оперативного вмешательства составил 0,3±0,02 см, после фиксации ПДС - 0,3±0,003 см и сохранялся на этом уровня на всем протяжении эксперимента, что свидетельствует об отсутствии влияния различных видов задней фиксации по- звоночника на функцию фиксированных межпоз- вонковых дисков в раннем послеоперационном пе- риоде. Функцию в ПДС оценивали не только путем определения объема движений по методу Cobb, но и оценивая изменение высоты суставной щели дугоотросчатых суставов. До операции данный по- казатель в фиксированном сегменте у всех живот- ных составил в среднем 0,3±0,002 см. В группе ди- намической фиксации этот параметр не менялся на всем протяжении эксперимента, тогда как в группе ригидной фиксации высота суставной щели со вре- менем уменьшалась, что особенно отчетливо про- явилось на сроке 18 мес, когда показатель составил 0,2±0,003 см. Данный факт, по-видимому, можно объяснить началом дистрофических изменений в дугоотросчатых суставах на уровне ригидной фиксации ПДС. Отмечено, что высота суставной щели у животных 1-й группы ниже уровня фикса- ции в отдаленном периоде (24 мес) изменилась на 0,05±0,0004 см. Кроме того, было отмечено усиле- ние склероза суставных поверхностей дугоотрос- чатых суставов - свидетельство дегенеративных изменений в суставах. Во 2-й группе изменений высоты суставной щели дугоотросчатых суставов выше и ниже уровня фиксации ПДС, а также уси- ления склероза суставных поверхностей в течение всего периода наблюдения выявлено не было. Согласно данным МСКТ высота диска на уровне фиксации ПДС в обеих группах была одинаковой и составляла в среднем 0,3±0,002 см на всем протя- жении эксперимента. Однако на 24-м месяце была зарегистрирована разница высоты диска выше и ниже уровня фиксации ПДС, не выявленная на рентгенограммах. В 1-й группе животных этот по- казатель снизился до 0,1±0,002 см (рис. 3). В то же время во 2-й группе высота смежных дисков не менялась на всем протяжении исследования и со- ставляла 0,3±0,001 см (рис. 4). В 1-й группе с 18-го месяца исследования определялись четкие призна- ки дегенерации суставов как на уровне фиксации, так и вне этой зоны (см. рис. 3), тогда как в группе динамической фиксации склеротических изме- нений суставных поверхностей выявлено не было (см. рис. 4). За весь ход эксперимента ни у одного животного не получено ни рентгенологических, ни МСКТ данных, указывающих на патологическую пе- рестройку костной ткани в перипротезных участках. В 1-й группе животных восстановление (со- хранение) межпозвонковых соединений после хи- рургического вмешательства происходило крайне неравномерно. Дугоотросчатые суставы представ- ляют собой сложную и многокомпонентную систе- му, которая сохраняет свою функциональность исключительно за счет раздельного функцио- нирования соединительнотканных компонентов. В условиях ригидной фиксации подвижность значительно снижается, что ведет к изменениям структуры основного вещества соединительной ткани. Прежде всего увеличивалась альцианофи- лия основного вещества и в тканях сустава изме- нялось соотношение альцианофильных и ШИК- позитивных веществ. Такой вариант изменений в конечном итоге приводит к запуску цепочки ме- зенхимальных расстройств, при котором суста- вы достигают полной неподвижности (завершающейся в конечном итоге ги- алинозом; рис. 5). Компоненты соеди- нительной ткани сустава изменялись в сторону малодифференцированных форм соединительной ткани (рыхлой неоформленной соединительной тка- ни). Также было отмечено усиление склероза суставных поверхностей ду- гоотросчатых суставов, что указывало на наличие дегенеративных измене- ний в суставах. Определенным изменениям под- вергался и собственно диск. В нем были выявлены увеличение деструктивных зон в поверхностных участках диска, уменьшение или отсутствие признаков кровоизлияний и наличие форменных элементов крови. Особенно отчетли- во данные признаки определялись в смежных дисках, которые испытывали повышенные нагрузки. По мере уве- личения срока фиксации развивался гиалиноз соединительной ткани, ко- торый еще больше ограничивает под- вижность межпозвонковых суставов и способствует дальнейшей дегенерации. При имплантации стержней из ни- тинола изменения в большей степени имели место во внутренних отделах фиброзного кольца и студенистом ядре межпоз- вонковых дисков, при этом отмечалась тенденция к увеличению диаметра фиброзного кольца как в зоне фиксации, так и вне ее, что указывает на бо- лее равномерное распределение нагрузки на ПДС. Пролиферативные процессы в хрящевых струк- турах были выражены незначительно, выявлялась умеренная активность хондроцитов (рис. 6). В соб- ственно хрящевой ткани визуально увеличивалось количество хондральных клеток (в основном за счет слоя колонок в упорядоченной части гиалино- вого хряща). В ходе умеренной клеточной пролиферации хряща при имплантации нитиноловых стержней сохранялась структура суставных поверхностей и синхондрозов. Хрящ при этом оставался активным, в поле зрения наблюдалось значительное количе- ство изогенных групп, в которых присутствова- ло не менее 3-5 хондроцитов или хондробластов. Основное вещество хряща продолжало наполнять- ся при постепенном наращивании хрящеобразую- щих коллагеновых волокон. Исходя из изложенного, можно полагать, что ди- намическая фиксация влечет за собой менее выра- женные по активности пролиферативные процессы различных компонентов диска и хрящевой ткани, что создает условия для сохранения структуры, а значит и свойства ПДС в последующем. оБСУждение Полученные в ходе настоящего эксперимен- тального исследования данные свидетельствуют о том, что установка ригидных систем фиксации со временем приводит к «выключению» фикси- рованного ПДС из движения. Данный факт ведет к дегенеративным изменениям как в зоне фикса- ции ПДС, так и в смежных сегментах. В результа- те компенсаторно-приспособительных процессов в первую очередь начинают подвергаться пере- грузке смежные диски и суставы. Аналогичные данные получены рядом авторов, изучавших анатомические препараты позвоночника, ста- билизированного с помощью ригидных систем фиксации [9, 10]. Уменьшение высоты смежных дисков приводит к смещению суставных поверх- ностей дугоотросчатых суставов с последующей их дегенерацией. В группе динамической фиксации ПДС нити- нолом рентгенологическая картина свидетель- ствовала об отсутствии изменений и дегенерации суставных отростков в сегментах ПДС, а также о сохранении высоты дисков в смежных сегментах. Данный факт, вероятно, объясняется равномерным распределением нагрузки на ПДС позвоночника. Рентгенфункциональные исследования показыва- ли сохранение движений в ПДС в объеме 78,9% от исходного. Согласно данным морфологического исследова- ния при ригидной фиксации идет активный про- цесс клеточной пролиферации как хрящевых, так десмальных структур, что особенно ярко было вы- ражено в смежных элементах ПДС, другими сло- вами происходило перераспределение нагрузки. Получены свидетельства необратимых процессов дезорганизации в хрящевых структурах и диске, что свидетельствовало о начале дегенеративно- дистрофических процессов. В то же время в груп- пе динамической фиксации констатировали менее выраженные по активности пролиферативные процессы в различных компонентах ПДС. ВЫВодЫ 1. В группе динамической фиксации на всем протяжении эксперимента (24 мес) отсутствовали дегенеративные изменения в смежных ПДС и со- хранялись движения в оперированном сегменте в объеме 78,9% от исходного. 2. Данные рентгенологических и морфологи- ческих исследований свидетельствуют о том, что задняя динамическая фиксация позвоночника по- зволяет более равномерно распределить нагрузку на опорные элементы конструкции, уменьшить или предупредить развитие дегенерации смежных сег- ментов, что обеспечивает состояние фиксированно- го участка, близкое к физиологическому. 3. Полученные в ходе исследования данные по- зволили сформулировать критерии оценки сте- пени дегенерации фасеточных суставов и диска: плотность замыкательных пластинок тел позвон- ков, плотность кортикального слоя фасеточных суставов, плотность кости губчатого слоя фасе- точных суставов, высота суставной щели фасе- точных суставов, наличие костных разрастаний фасеточных суставов, наличие признаков уплот- нения передней и задней продольных связок. На основании этих критериев представляется воз- можным оценивать степень дегенерации структур ПДС и прогнозировать действия в рамках хирур- гической коррекции. Конфликт интересов: не заявлен.

About the authors

Artyom E. Krivoshein

Omsk State Medical university

Email: artem.vertebra@rambler.ru
Cand. med. sci., assistant, chair traumatology and orthopaedics, OmSMU Russia

V. P Konev

Omsk State Medical university

Russia

S. V Kolesov

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

Russia

V. A Byval’tsev

Irkutsk State Medical university

Russia

A. I Kaz’min

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

Russia

References

Supplementary files