Экспериментальный спондилодез с использованием костнопластического и биокомпозиционного материалов

Ардашев И.П., Черницов С.В., Разумов А.С., Афонин Е.А., Веретельникова И.Ю.

Кемеровская государственная медицинская академия,

г. Кемерово

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СПОНДИЛОДЕЗ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОСТНОПЛАСТИЧЕСКОГО И БИОКОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВ

В данном сообщении представлены экспериментальные исследования биоактивных материалов «Коллапан» и «Костма». Эксперименты проведены на 97 лабораторных крысах линии Wistar, на хвостовом отделе позвоночника. Прослеживалось изменение ре-паративного остеогенеза при проникающих переломах тел позвонков с пластикой био-композиционным и костнопластическим материалами, путем рентгенологического, морфологического, денситометрического методов исследований в динамике, которые показали, что материалы являются биосовместимыми, постепенно резорбируемыми матрицами, на поверхности которых формируется новообразованная кость.

Ключевые слова: позвоночник, переломы, регенерация, биоматериалы.

ARDASHEV I.P., CHERNITSOV S.V., RAZUMOV A.S., AFONIN E.A., VERETELNIKOVA Y.I.

Kemerovo State Medical Academy,

Kemerovo

EXPERIMENTAL SPONDYLOSYNDESIS WITH OSTEOPLASTIC AND BIOCOMPOSITE

MATERIALS USING

Experimental studies of «Kollapan» and «Kostma» materials are given in this article. Experiments involved 97 laboratory rats, Wistar line, tail segments of their spine. Reparative osteogenesis changes with penetrating fractures of vertebrae bodies by plastics with biocomposi-tional and bonyplastic materials were observed with the help of roentgenologic, morphologic, densitometeric methods of investigation in dynamics, that demonstrated that the materials are biocompatible, gradually resorptive matrixes, on the surface of which a new bone is formed.

Key words: spine, fractures, regeneration, biomaterials.

В последние годы в клинической практике широко используются трансплантаты для замещения и восстановления структурной целостности и повышения остеогенного потенциала костной ткани. Потребность для реконструкции скелета значительно увеличилась в связи с успехами в понимании биологических процессов при трансплантации кости (Омельяненко Н.П. с соавт., 2002). Идеальный костнопластический материал должен выполнять не только заместительную функцию, но и, постепенно интегрируясь в окружающую кость, поддерживать физиологический уровень остеобластной и остеок-ластной активности, способствуя формированию и

Корреспонденцию адресовать:

Черницов Сергей Викторович, E-mail: 1902SV@mail.ru

ремоделированию костной ткани (Лекишвили М.В. с соавт., 2002; Савельев В.И. с соавт., 1993).

В течение последних лет широкое распространение при замещении костных дефектов получил би-окомпозиционный материал «Коллапан» (ООО «Ин-термедапатит»). Однако гидроксиапатитная керамика, кроме очевидных плюсов, имеет недостатки, в частности, не содержит клеточных элементов и морфогенетического белка, который в норме содержится в костной ткани (Берченко Г.Н. с соавт., 2000, 2001; Tay B.K. et el., 1998; Grob D. et al., 1986.). В связи с этим, представлялось необходимым проведение сравнительного анализа эффективности биокомпо-зиционного препарата «Коллапан» и костнопластического материала «Костма» (Кирилова И.А. с соавт., 2004), который содержит клеточные элементы. При этом также учитывалось, что в литературе име-

ются данные о применении материала «Костма» только в стоматологической хирургии, тогда как работ, посвященных анализу применения его в вертебро-логии, нет.

Для достижения поставленной цели была разработана модель перелома тел позвонков у лабораторных животных (крысы линии Wistar), позволяющая создать передний спондилодез и в динамике оценивать влияние различных факторов на процессы ре-паративного остеогенеза.

Цель исследования — изучить регенерацию костной ткани при применении «Коллапана» и «Кос-тмы» в эксперименте на позвоночнике.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования проведены на 97 крысах самцах линии Wistar в возрасте 5-6 месяцев, массой 210 ± 30 г. Для опыта использовались животные, содержавшиеся в условиях вивария. Исследование проводилось натощак с 9:00 до 11:00 утра. Уход и содержание экспериментальных животных были стандартными, в соответствии с требованиями приказов «Санитарные правила по устройству, оборудованию и содержанию вивариев» от 06.04.1973 г. № 104573, а также № 1179 МЗ СССР от 10.10.1983 г., № 267 МЗ РФ от 19.06.2003 г. «Правилами проведения работ с использованием экспериментальных животных», «Правилами по обращению, содержанию, обезболиванию и умерщвлению экспериментальных животных», утвержденными МЗ СССР (1977) и МЗ

РСФСР (1977), принципами Европейской конвенции (Страсбург, 1986) и Хельсинской декларации Всемирной медицинской ассоциации о гуманном обращении с животными (1996). Крысы выращивались в условиях вивария Кемеровской государственной медицинской академии при 12-часовом периоде освещения, комнатной температуре 20 ± 2°С, влажности 50-70 %. Кормление животных осуществлялось согласно установленного рациона с применением комбикорма для лабораторных крыс и мышей «ПроКорм» производства акционерного общества «БиоПро» (заводской артикул Р-22; ГОСТ Р 50258-92) (Россия).

В качестве зоны вмешательства был выбран двигательный сегмент хвостового отдела позвоночника включающий 3 и 4 хвостовые позвонки и межпозвоночный диск.

В таблице 1 представлены данные о распределении животных на 3 серии.

В первой (контрольной) серии, при экспериментальном переломе позвоночника, биосовместимые материалы не применялись (п = 30).

Во второй серии в экспериментальный перелом позвоночника с целью оценки эффективности формирования спондилодеза укладывался биокомпози-ционный материал «Коллапан» (п = 32).

В третьей серии в экспериментальный перелом позвоночника с целью оценки эффективности формирования спондилодеза укладывался костнопластический материал «Костма» (п = 30).

Исследования проводились в динамике в сроки 15 суток, 1-й, 2-й, 3-й, 6-й месяцы после операции. При морфологическом и рентгенологическом мето-

Таблица 1

Количество животных по сериям и периодам наблюдений

Послеоперационный период

№ Серия 15 сутки 1 мес 2 мес 3 мес 6 мес Количество погибших животных Общее количество животных

1 Контроль 8* - - - - 2 10

2 Коллапан 8* - - - - 3 11

3 Костма 8* - - - - 2 10

4 Морфологическое Контроль 5 5 - 5 5 1 21

исследование Коллапан 5 5 - 5 5 3 23

Костма 5 5 - 5 5 2 22

Всего: 39 15 - 15 15 13 97

Примечание: * - 8 животных исследовались в динамике.

Сведения об авторах:

Ардашев Игорь Петрович, доктор мед. наук, профессор, зав. кафедрой травматологии, ортопедии и ВПХ ГОУ ВПО КемГМА Росздрава, г. Кемерово, Россия.

Черницов Сергей Викторович, врач травматолог-ортопед МУЗ Городская клиническая больница № 3 им. М.А. Подгорбунского, г. Кемерово, Россия. E-mail: 1902SV@mail.ru Разумов Александр Сергеевич, доктор мед. наук, зав. кафедрой биохимии ГОУ ВПО КемГМА Росздрава, г. Кемерово, Россия. E-mail: biochem@kemsma.ru

Афонин Евгений Александрович, врач травматолог-ортопед МУЗ Городская клиническая больница № 3 им. М.А. Подгорбунского, г. Кемерово, Россия. E-mail: afonin80@mail.ru Веретельникова Ирина Юрьевна, студентка 5 курса лечебного факультета ГОУ ВПО КемГМА Росздрава, г. Кемерово, Россия. E-mail: akihabara@list.ru

дах исследования наблюдение велось отдельно на 15 сутки, 1-й, 3-й, 6-й месяцы после операции (n = 5).

Оценка репаративного остеогенеза поврежденного позвонка и формирования переднего спондило-деза в эксперименте проводилась с учетом экспериментальных данных Рамиха Э.А. (1979).

Рентгенологические изменения в динамике прослеживались на аппарате АРД-2-125. Рентгенограммы выполнялись в сроки 15 суток, 1-й, 3-й, 6-й месяцы наблюдения. Фокусное расстояние равнялось 70 см при режиме 44-1 V и 22 тА. Время экспозиции составляло 0,04 с. Рентгенограммы маркировались фломастером с указанием номера животного и даты проведения рентгенографии.

Денситометрическое наблюдение проводилось на рентгеновском узкофокусном остеоденситометре Nor land Excell LXR-46. Исследование проводилось на 15 сутки, 1-й, 2-й, 3-й, 6-й месяцы. С целью повторного динамического наблюдения по срокам, после сканирования полученное изображение хвостового отдела позвоночника исследовалось так, чтобы участок сканирования (Area) совпадал с участком послеоперационного рубца.

В сроки 15 суток, 1-й, 3-й, 6-й месяцы препарат выделялся из хвостового отдела позвоночника с захватом неповрежденных проксимальных и дистальных тел позвонков. Препараты фиксировали в 15 % растворе нейтрального формалина в течение 2-3 дней. Затем декальцинировали путем помещения в 10 % раствор трилона-Б (ЭДТА) в течение 10-12 дней. Промывали, обезжиривали и заливали в целлоидин или парафин. Из целлоидиновых или парафинированных блоков готовили продольные и поперечные срезы регенерата. Для решения поставленных задач проводились общие морфологические методики, дающие представление о структуре исследуемых тканей (окраска гематоксилин-эозином, по Ван-Гизону, увеличение 40, 100, 200, 400). Процесс репаратив-ного остеогенеза в области перелома изучали под световым микроскопом МБС-2, МБИ-6.

Статистическая обработка полученных результатов проводилась с использованием сертифицированной медико-биологической программы InStat (Sigma). Результаты изучаемых показателей представлены в виде средней (М) и ее стандартной ошибки (m) изучаемых показателей. Определение различий исследуемых параметров между группами наблюдений в группах осуществлялось посредством вычисления непараметрического рангового критерия Уилкоксона для парных групп наблюдений. Различия между исследуемыми группами считались достоверными при величине достигнутого уровня статистической значимости (P) менее 0,05 (P < 0,05).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Динамика рентгенологических и морфологических изменений при формировании переднего спон-дилодеза в контрольной серии. В сформированном

дефекте тел позвонков и межпозвонкового диска, без заполнения трансплантатом, развивается процесс дистрофических изменений, который рентгенологически проявляется в формировании кифотичес-кой деформации и сужении межпозвонкового диска, что способствует уменьшению дефекта. На 6-й месяц исследования в области межпозвонкового диска и смежных позвонков формируются остеофиты, костный блок отсутствует (рис. 1).

Рисунок 1 6 месяцев. Масштаб 10 : 1

При морфологическом исследовании процессы остеогенеза выражены незначительно. В зоне дефекта межпозвонкового диска наблюдается пролиферация хрящевой ткани из зоны роста и соединительной ткани межпозвонкового диска. Формирование костного блока не происходит. На 6-й месяц в теле позвонка сохраняется дефект костной ткани (рис. 2).

Динамика рентгенологических и морфологических изменений при формировании переднего спон-дилодеза в серии с применением «Коллапана». При формировании дефекта тел позвонков и межпозвонкового диска с заполнением дефекта биокомпозици-онным материалом «Коллапан» рентгенологически на срок 3 месяца прослеживается формирование умеренной кифотической деформации, которая сохраняется без изменений в динамике, наблюдается процесс очагового остеогенеза. К 6-ти месяцам появляется усиление боковых разрастаний, формируется фиброзный блок (рис. 3).

Рисунок 2

6 месяцев, окраска гематоксилин-эозин, увеличение х200

Рисунок 3 6 месяцев. Масштаб 10 : 1

При морфологическом исследовании через 3 месяца гранулы «Коллапана» окружаются соединитель-но-тканными структурами с выраженной макрофа-гальной реакцией. Процесс остеогенеза практически не выражен. Через 6 месяцев композиционный материал все еще окружен соединительно-тканной капсулой с незначительной остеогенной реакцией со стороны материнского ложа. Прослеживается формирование фиброзного блока (рис. 4).

Динамика рентгенологических и морфологических изменений при формировании переднего спон-дилодеза в серии с применением «Костмы». При формировании дефекта тел позвонков и межпозвонкового диска с заполнением дефекта костно-пластическим материалом «Костма» отмечаются процессы остеогенеза и хондрогенеза. Рентгенологически в сроки 1-3 месяца прослеживается трансформация трансплантата, краевые контуры трансплантата становятся разреженными, нечеткими, появляется умеренная кифотическая деформация, которая в динамике не изменяется. На 3-й месяц формируются фиброзные разрастания. На 6-й месяц исследования прослеживается формирование костного блока (рис. 5).

При морфологическом исследовании в сроки наблюдения 15 суток и 1 месяц фрагменты костнопластического материала «Костма» местами окружены грубоволокнистой костной тканью, местами хрящевой тканью. Соединительно-тканные прослойки наблюдаются в межпозвонковом диске, здесь же видны сформированные примитивные костные балки. Костно-пластический материал «Костма» полностью резорбируется в сроки наблюдения от 3 до 6 месяцев. Дефект заполняется костными балками разной степени зрелости с элементами миелоидного костного мозга в межбалочных промежутках. Костная ткань в состоянии перестройки. Сформированный регенерат представлен костной, хрящевой и, в межпозвонковом диске, соединительной тканью. К сроку наблюдения 6 месяцев формируется костный блок (рис. 6).

Денситометрические изменения в тканях поврежденного позвоночника. Проведенное исследование

Рисунок 4

6 месяцев, окраска гематоксилин-эозин, увеличение х400

прооперированного участка позвоночника (хвоста крысы), с замещением костного дефекта материалами «Коллапан» и «Костма», а также без замещения костного дефекта в послеоперационные сроки 15 сутки, 1-й, 2-й, 3-й, 6-й месяцы показало, что уже с первых дней после операции костная плотность в группах различается.

На каждую серию исследования приходилось по 8 животных, наблюдение велось в динамике (табл. 2). Изменения минеральной плотности кости (BMD) про-

исходят с различном степенью выраженности: в контрольной серии BMD увеличивается со второго месяца после операции; в сериях с применением «Коллапана» и «Костмы» увеличение происходит постепенно с первого месяца. Значимое различие между биоком-позиционным и костнопластическим материалами наблюдается на сроках 2 месяца и 3 месяца (P < 0,05), в дальнейшем BMD выравнивается.

Анализ результатов денситометрического исследования позволил выявить достоверные различия влияния биокомпозиционного и костнопластического материалов на степень минерализации формирующегося костного блока. Установлено, что к 6-му месяцу минеральная плотность костной ткани поврежденных позвонков при применении материала «Костма» превышает таковую при применении материала «Коллапан».

Биокомпозиционный («Коллапан») и костнопластический («Костма») материалы, используемые как трансплантаты для замещения костных дефектов, различаются по своему остеогенному потенциалу.

При использовании биокомпозиционного материала «Коллапан» не происходит его непосредственного вовлечения в процессы восстановительного остеогенеза, в результате чего к 6-му месяцу после перелома позвоночника формируется фиброзный блок.

При использовании костнопластического материала «Костма» происходит его биотрансформация и формирование костного блока в течение 6-ти месяцев после формирования дефекта позвоночника, за счет непосредственного включения трансплантата в процессы восстановительного остеогенеза как вокруг него, так и со стороны материнского ложа.

Денситометрическое определение минеральной плотности костной ткани в динамике послеоперационного периода при экспериментальных переломах позвоночника позволяет повысить объективность и информативность оценки эффективности процессов репаративного остеогенеза и формирования костного блока.

З

4

Таблица 2

Средняя величина минеральной плотности костной ткани в сериях, г/см2

Сроки наблюдения Контрольная серия Серия с применением Коллапана Серия с применением Костмы

15 суток G,G985 ± G,GG2 G,1G67 ± G,GGG4* G,1G18 ± G,GG3*,**

1 месяц G,G93G ± G,GG5 G,1G81 ± G,GGG7* G,1G78 ± G,GG3*

2 месяца G,1139 ± G,GGG2 G,1183 ± G,GG31* G,1142 ± G,GG3**

3 месяца G,1217 ± G,GG12 G,1272 ± G,GG1 G,12G3 ± G,GG3**

6 месяцев G,1293 ± G,GG1 G,1334 ± G,GG2* G,1336 ± G,GG2*

Примечание: * - Р < 0,05 по сравнению с контрольной серией,

** - Р < 0,05 по сравнению с серией при применении "Коллапана".

ЛИТЕРАТУРА:

1. Берченко, Г.Н. Использование комплексного биоактивного гидроксиапатит-содержащего препарата коллапан при замещении инфицированных дефектов костной ткани /Г.Н. Берченко, Р.З. Уразгильдеев //Современные медицинские технологии и перспективы развития военной травматологии и ортопедии: матер. конф. - СПб., 2000. - С. 134-135.

2. Берченко, Г.Н. Экспериментально-морфологическое и клиническое обоснование использования синтетического гидроксиапатит-содержащего препарата «Коллапан» в комплексном лечении длинных костей /Г.Н. Берченко, Г.А. Кесян //Биоимплантология на пороге XXI века: сб. тез. симп. по пробл. тканевых банков с междунар. участием. -М., 2001. - С. 40-42.

3. Кирилова, И.А. Способ приготовления биоактивного костного трансплантата. Патент РФ на изобретение № 2223104 /И.А. Кирилова //Изобретения, полезные модели. - 2004. -№ 4(3). - С. 464.

4. Лекишвили, М.В. Лучевая стерилизация деминерализованных костных трансплантатов в свете профилактики инфицирования гепатитом В и С /М.В. Лекишвили, Е.И. Исаева,

B.Н. Пономарев //Вестн. травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. - 2002. - № 1. -

C. 75-77.

5. Омельяненко, Н.П. Современные возможности оптимизации репаративной регенерации костной ткани /Н.П. Омельяненко, С.П. Миронов, Ю.И. Денисов-Никольский //Вестн. травматологии и ортопедии. - 2002. - №4. - С. 85-88.

6. Савельев, В. И. Остеоиндуктивная активность деминерализованных костных трансплантатов при комбинированном лечении с ретаболилом и кальцитрином в эксперименте /В.И. Савельев, Д.Е. Иванкин, Ю.В. Этитейн //Деминерализованный костный трансплантат и его применение. - СПб., 1993. - С. 49-53.

7. Grob, D. Probleme can der Entnahmestelle bei autologer Knochentransplantation /D. Grob //Unfallchirurgie. - 1986. - V. 89, N 8. - P. 339-345.

8. Use of a collagen-hydroxyapatite matrix in spinal fusion: a rabbit model /B.K. Tay, A.X. Le, M. Heilman et al. //Spine. - 1998. - Vol. 23. - P. 2276-2281.

If

КОФЕ СПАСАЕТ МОЗГ

Одно лишь вдыхание запаха кофе помогает мозгу справиться с последствиями стресса, вызванными нехваткой сна. Об этом говорят результаты исследования, опубликованного в Journal of Agricultural and Food Chemistry.

Ученые из Южной Кореи, Германии и Японии в экспериментах на крысах показали, что запах жареных кофейных зерен приводит к таким изменениям в работе ряда генов и производстве белков в мозге, которые помогают снизить последствия стресса из-за лишения сна.

В ходе эксперимента ученые выделили четыре группы крыс. Первая - контрольная, вторая - группа, полностью лишенная возможности сна, третья - вдыхала запах кофе, но ее не ограничивали в сне, а крысы четвертой группы вдыхали запах кофе и были лишены сна. Исследователи установили, что у крыс, вдыхавших запах кофе, иначе «работают» 17 генов. При этом у крыс, лишенных сна, и у крыс с «бессонницей» и с запахом кофе различалась активность 13 из них. В частности, запах кофе способствовал выделению белков, обладающих антиоксидантными свойствами, защищающими нервные клетки от повреждений, связанных со стрессом.

Авторы отмечают, что прежде проводилось много исследований, посвященных влиянию на организм различных компонентов кофейного напитка. «Это исследование - первый шаг в изучении воздействия запаха кофейных зерен на вызванный нехваткой сна стресс», - говорит Хан-Сок Со, один из авторов исследования Сеульского национального университета.

Источник: MIGnews.com