СПЕЙСЕР ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА

Область техники.
Полезная модель относится к медицине, конкретно к травматологии-ортопедии и фтизиатрии, и предназначена для выполнения хирургических вмешательств в ходе лечения больных с деструктивными формами туберкулезных кокситов.
Уровень техники.
Туберкулез костно-суставной системы составляет примерно 5-10% всех случаев туберкулеза. Костный туберкулез имеет неспецифические клинические симптомы и длительный период лечения, продолжающийся от 6 до 18 месяцев, при этом частота рецидивов может достигать 25%, возникновение же лекарственно-устойчивых форм заболевания требует интенсивной химиотерапии в течение 2 лет.
При тяжелых формах инфекционной патологии тазобедренного сустава одноэтапное эндопротезирование позволяет восстановить движения в суставе, значительно снизить болевой синдром, что существенно улучшает качество жизни пациента, но при активных формах артрита имеет высокий риск рецидивирования инфекции. В настоящее время общепризнанным методом лечения инфекционных артритов является двухэтапное эндопротезирование, когда на первом этапе выполняется резекция сустава и установка цементного спейсера, насыщенного антибактериальными препаратами. (2015 Sep 14;16:254. doi: 10.1186/s12891-015-0704-1.Antibiotic-impregnated Cement Spacer as Definitive Management for Osteomyelitis Xu-Sheng Qiu 1, Xin Zheng 2, Hong-fei Shi 3, Yan-cheng Zhu 4, Xia Guo 5, Hai-jun Mao 6, Guang-yue Xu 7, Yi-xin Chen 8Affiliations expand PMID: 26370895 PMCID: PMC4570462 DOI: 10.1186/s12891-015-0704-1). Второй, окончательный этап лечения с установкой эндопротеза выполняется через несколько недель после определения достоверных признаков затихания воспалительного процесса. Применение на первом этапе спейсера позволяет:
1) сохранить анатомические взаимоотношения между резецированными суставными концами и обеспечить функциональную активность и удовлетворительное качество жизни пациента до установки основного импланта;
2) создать депо антибактериальных препаратов, что в значительной степени повышает эффективность лечения инфекционной составляющей заболевания, осуществляя локальное воздействие на патогенную микрофлору в области сустава.
Trials.
Локальное использование антибиотиков, имплантированных непосредственно в инфекционный очаг во время хирургического вмешательства с целью его санации, повышает их концентрацию в нем и позволяет сократить продолжительность системной антибактериальной терапии. ( 2019 Dec 9;20(1):693. doi: 10.1186/s13063-019-3832-3.Short or Long Antibiotic Regimes in Orthopaedics (SOLARIO): a randomised controlled open-label non-inferiority trial of duration of systemic antibiotics in adults with orthopaedic infection treated operatively with local antibiotic therapy. Dudareva M1, Kümin M2, Vach W3, Kaier K4, Ferguson J5, McNally M5, Scarborough M5.) Способы доставки антибактериальных препаратов в полость пораженного сустава вызывают дискуссию до настоящего времени, однако большинство авторов склоняются к применению смеси антибиотиков и костного цемента. Преимущества этого метода доставки антибактериальных препаратов заключаются в медленном и длительном вымывании их из цемента (Observational StudyBone Joint J 2019 Nov;101-B(11):1331-1347. Dudareva M, Kümin M, Vach W, Kaier K, Ferguson J, McNally M, Scarborough M doi: 10.1302/0301-620X.101B11.BJJ-2019-0196.R1. Antibiotic-loaded Bone Cement Is Associated With a Lower Risk of Revision Following Primary Cemented Total Knee Arthroplasty: An Analysis of 731,214 Cases Using National Joint Registry DataSimon S Jameson 1, Asaad Asaad 2, Marina Diament 2, Adetatyo Kasim 3, Theophile Bigirumurame 4, Paul Baker 1, James Mason 5, Paul Partington 6, Mike Reed 6 7Affiliations expand PMID: 31674244; DOI: 10.1302/0301-620X.101B11.BJJ-2019-0196.R1 J Arthroplasty. 2020 Mar;35(3):864-869.; doi: 10.1016/j.arth.2019.10.023. Epub 2019 Oct 16.; Does the Effectiveness and Mechanical Strength of Kanamycin-Loaded Bone Cement in Musculoskeletal Tuberculosis Compare to Vancomycin-Loaded Bone Cement Jae Hoo Lee 1, Sung Jae Shin 2, Sang-Nae Cho 2, Seung-Hun Baek 2, Do Hyun Kim 3, Kwan Kyu Park 3Affiliations expand PMID: 31708292]. Такой метод доставки антибактериальных препаратов упоминается в нескольких исследованиях и при лечении туберкулеза суставов, где авторы использовали нагруженный противотуберкулезными препаратами костный цемент для контроля инфекции и санации сустава (Леклер Л.Е., Сечриест В.Ф., 2-й, Холли К.Г., Цукаяма Д.Т. Туберкулезный артрит коленного сустава с двухэтапной тотальной артропластикой коленного сустава: история болезни. Surg Am. 2009; 91: 186-191. doi: 10.2106 / JBJS.G.01421; Масри Б.А., Дункан С.П., Джевессон П., Нгуи-Йен Дж., Смит Дж. Костный цемент, нагруженный стрептомицином при лечении туберкулезного остеомиелита: дополнение к традиционной терапии. 1995; 38: 64-68.) При туберкулезном коксите описаны методики двухэтапного лечения с применением в составе костного цемента противотуберкулезных препаратов первого ряда (рифампицина, стрептомицина, изониазида) (Han CD., Oh T., Cho SN., Yang JH., Park KK. Isoniasid could be used for antibionic-loaded bone cement for musculoskeletal tuberculosis: an in vitro study. Clin Ortho Relat Res. 2013 Jul; 471: 2400-2406. doi: 10.1007 / s11999-013-2899-5). При этом все авторы вышеуказанных публикаций отмечают, что при попытках создать более высокую концентрацию препарата (более одного-двух грамм на 40 г цемента) значительно страдают прочностные характеристики спейсера и увеличивается время полимеризации цемента, что не позволяет использовать эффективные лечебные концентрации. В этих исследованиях авторы при создании лечебных концентраций не использовали нагруженный противотуберкулезными препаратами костный цемент для изготовления артикулирующих спейсеров, а ограничивались применением неартикулирующих конструкций.
В то же время в работах, посвященных изучению характеристик элюции и антибактериальной активности костного цемента, содержащего противотуберкулезные препараты, было подтверждено, что ряд препаратов сохраняет свой антимикобактериальный эффект после реакции полимеризации в составе костного цемента (Clin Orthop Relat Res. 2017 Nov; 475(11): 2795-2804.Published online 2017 Aug 9. doi: 10.1007/s11999-017-5470-yPMCID: PMC5638744PMID: 28795294How Long Does Antimycobacterial Antibiotic-loaded Bone Cement Have In Vitro Activity for Musculoskeletal Tuberculosis? Jae Hoo Lee, MD,1 Chang Dong Han, MD, PhD,3 Sang-Nae Cho, DVM, PhD,2 Ick Hwan Yang, MD, PhD,1 Woo Suk Lee, MD, PhD,1 Seung-Hun Baek, PhD,2 Jae Won Shin, MD,1 Khalid Elfadil Ibrahim Husein, MD,4 and Kwan Kyu Park, MD).
В исследовании in vitro этими же авторами такие свойства в течение 30 дней определены у порошковой формы изониазида и стрептомицина, в течение недели у амоксициллина и клавуланата, в течение 30 дней композиций изониазида и рифампицина при использовании высоких доз рифампицина (4 г на 40 г цемента). Доказана эффективность для подавления активности микобактерий туберкулеза при концентрации изониазида 0.031 мкг/мл, рифампицина 0,016 мкг/мл, стрептомицина 0,156 мкг/мл, амоксициллина и клавуланата 2,5 мкг/мл. Таких концентраций с сохранением их в течение длительного срока по данным авторов можно достигать при замешивании с 40 г стандартной дозы костного цемента соответственно 2 г изониазида, 4 г рифампицина, 1,2 г амоксициллина и клавуланата. В исследованиях вновь подчеркивалось, что при создании таких и более высоких концентраций нагруженной препаратами цементной смеси отмечается значительное замедление реакции полимеризации, что делает невозможным ее использование для изготовления устойчивых к прочностным нагрузкам конструкций.
Известно, что максимальный выход антибиотика происходит с поверхности спейсера. Антибактериальные препараты из внутренних отделов спейсера за счет плотности структуры костного цемента практически не элюируют в окружающую среду. Таким образом, насыщение антибиотиками всего объема цемента для изготовления спейсера является неэффективным из-за снижения антимикробных и прочностных характеристик и экономически нецелесообразно. Исходя из данных исследований, для увеличения эффективности спейсера необходимо увеличить площадь его поверхности, содержащую антимикобактериальные препараты и обеспечить достаточные прочностные характеристики изделия.
Известны различные типы спейсеров, изготовленных заранее, или преформированных [патент RU110262, 2011; патент RU115652, 2011]. Недостатками преформированных спейсеров являются неэффективное антибактериальное воздействие, обусловленное использованием производителями ограниченного перечня антибактериальных препаратов (гентамицин, ванкомицин и тобрамицин) в низких концентрациях (до 2 г на 40 г цемента). Преформированные спейсеры, содержащие противотуберкулезные препараты в настоящее время пока не применяются.
Известно применение спейсеров, изготовленных интраоперационно. В этом случае в состав костного цемента механическим путем, как правило, вводят антибиотики с учетом определенной или предполагаемой чувствительности микрофлоры (Патент RU138603, 2014; патент RU135904, 2013; патент RU13852, 2014; патент RU110979, 2011). Однако их недостатком является невозможность достичь бактерицидной концентрации в очаге воспаления, т.к. при смешивании клинически значимых доз антибиотиков с цементом снижаются механические свойства имплантов.
Прототипом предложенной полезной модели является вариант тотального артикулирующего «Спейсера тазобедренного сустава» (Патент РФ на полезную модель №135905), бедренный компонент которого выполнен в виде металлической ножки, покрытой костным цементом с антибиотиком широкого спектра действия и тазового компонента, изготовленного из такого же костного цемента, причем на поверхностях тазового и бедренного компонентов выполнены насечки с целью увеличения поверхности, с которой происходит вымывание антибиотика широкого спектра действия в околосуставное пространство. Недостатком прототипа является отсутствие возможности использовать его для лечения туберкулезного коксита, так как при добавлении антимикробных препаратов с противотуберкулезной активностью в эффективных концентрациях к костному цементу нарушаются прочностные характеристики спейсера. Так, при попытках в эксперименте создать модель артикулирующего спейсера такого типа из цемента, нагруженного 2 г изониазида или более и 2 г рифампицина или более, что необходимо для подавления активности микобактерий туберкулеза, мы, как и цитируемые выше авторы, отмечали значительное замедление реакции полимеризации цемента, что является недопустимым фактором для использования устройства для имплантации.
Таким образом, недостатками как вышеперечисленных аналогов, так и прототипа, являются невозможность обеспечить на длительный срок в зоне оперативного вмешательства антимикробной концентрации противотуберкулезных препаратов при сохранении прочностных характеристик.
Одним из возможных конструктивных решений может являться создание спейсера тазобедренного сустава с внутренним каркасом из обычного официнального костного цемента с известными прочностными характеристиками и нанесенными прорезями и углублениями в неподверженных значительным нагрузкам зонах, которые заполняются цементной мантией, содержащей антимикробные препараты с противотуберкулезной активностью в необходимых, в т.ч. и высоких концентрациях в зависимости от индивидуальной чувствительности микробного агента.
Раскрытие полезной модели.
Техническим результатом применения модели является возможность увеличить объем используемых антимикробных препаратов с противотуберкулезной активностью, добавляемых к костному цементу для увеличения концентрации препарата, попадающего в окружающие сустав биологические субстраты с целью достижения бактерицидных/бактериостатических эффектов при сохранении прочностных характеристик спейсера. Использование предлагаемой модели спейсера позволяет осуществлять местное введение лекарственных препаратов, вызывающих гибель возбудителей туберкулеза непосредственно в очаге воспаления, что способствует повышению эффективности терапии, снижает риск прогрессирования и рецидива заболевания, сокращает сроки проведения системной химиотерапии до 4-6 месяцев вместо 6-18 месяцев, рекомендуемых в настоящее время.
Сущность заявляемого устройства в том, что оно состоит из ножки (бедренного компонента) и головки, выполненный из костного цемента и армированный по оси металлической арматурой. При этом на ножку спейсера нанесены прорези, а в нижней части головки - каналы, которые заполнены поверхностной мантией цемента, содержащей антимикробные препараты с противотуберкулезной активностью (Фиг.1, 2, 3, 4), а проксимальный конец металлической арматуры покрыт мантией, содержащей цемент и антимикробные препараты с противотуберкулезной активностью. В нижней части головки спейсера по кругу формируют 5 каналов с диаметром 8±1 мм глубиной 10±2 мм, отступая от края головки не менее 5±1 мм. Мантия цемента создается путем смешивания цемента с антимикробными препаратами, обладающими противотуберкулезной активностью, в массовом соотношении 10/1 с допустимой величиной погрешности, не превышающей 1%, при этом толщина мантии в области проксимального (верхнего) конца арматуры ножки спейсера составляет 10-15 мм. При этом продольные сужающиеся книзу ребра имеют следующие размеры - 12±2 мм в проксимальном конце и 5±1 мм в дистальном, длиной 100±5 мм и глубиной 3 мм. Головка сустава полушаровидной формы, изготавливается целиком из костного цемента в специальной пластиковой форме нескольких типоразмеров (диаметром 44 мм, 46 мм, 48 мм, 50 мм, 52 мм и 54 мм). В нижней части головки при помощи сверла диаметром 8±1 мм на стадии частичного отвердевания на 4 - 6 минуте по кругу формируют 5 каналов.
Краткое описание чертежей:
Фиг.1 - первый этап - изготовление ножки спейсера из официнального цемента (без смешивания с антибиотиками), где 1 - проксимальный конец металлической арматуры; 2 - цементная мантия; 3 - прорези в цементной мантии;
Фиг.2 - изготовление головки спейсера из официнального цемента, где 4 - каналы; 5 - цементная головка; 6 - пластиковая форма;
Фиг.3 - второй этап - готовый к использованию спейсер, отлитый с добавлением второго, насыщенного противотуберкулезными препаратами, слоя цемента, где 7 - цементная мантия; 8 - металлическая арматура;
Фиг.4 - схематичное изображение модели спейсера, где заштрихованные области - цементная мантия с противотуберкулезными препаратами.
Осуществление полезной модели.
Для создания конструкции был проведен ряд экспериментов для исследования элюционных характеристик антимикробных препаратов с противотуберкулезной активностью, нагруженных в спейсер.
Изучение динамики выделения введенных лекарственных препаратов из объема отвержденного костного цемента проводили в статических условиях in vitro. Для этого образцы спейсера заявляемой формы с препаратами (изониазид, рифампицин), помещали в физиологический раствор и инкубировали при 37°С. Соотношение объема образца и жидкой среды составляло 1 к 10. Замену физиологического раствора осуществляли через 1, 3, 7,14 и 28 дней, соответственно. Измеряя интенсивность поглощения при характерной длине волны (таблица 1) по предварительно построенным для каждого препарата зависимостям интенсивности поглощения от концентрации определяли его концентрацию.
Помимо этого, с целью подтверждения отсутствия значимых изменений в структуре лекарственных препаратов, способных сказаться на точности определения концентрации растворов, снимали спектры поглощения в интервале длин волн от 190 до времени выделения антимикробного препарата за счет замедления диффузии от центра к периферии.
Эти данные подтверждаются экспериментальными исследованиями южнокорейских ученых, которые достигали MIC (минимальную ингибирующую концентрацию) для бактерицидного действия антимикробного препарата при смешивании 4 г изониазида и рифампицина препаратов с 40 г костного цемента, то есть в концентрации 10% и сохраняли эту концентрацию в течение 30 суток. Исследование же элюатов из смеси 2 г изониазида и рифампицина с 40 г костного цемента показало, что следы изониазида не определялись уже через две недели, а рифампицина - на третий день. (Clin Orthop Relat Res. 2017 Nov; 475(11): 2795-2804.Published online 2017 Aug 9. doi: 10.1007/s 11999-017-5470-yPMCID: PMC5638744PMID: 28795294How Long Does Antimycobacterial Antibiotic-loaded Bone Cement Have In Vitro Activity for Musculoskeletal Tuberculosis? Jae Hoo Lee, Chang Dong Han, Sang-Nae Cho, Ick 11 wan Yang, Woo Suk Lee, Seung-Hun Baek, Jae Won Shin, Khalid Elfadil Ibrahim Husein, and Kwan Kyu Park).
Использование цементной смеси с 10% концентрацией изониазида и рифампицина для изготовления всего спейсера приведет к нарушению прочностных характеристик. То есть, необходимая бактерицидная концентрация с сохранением прочностных характеристик может быть достигнута только использованием 10% смеси в поверхностном слое спейсера.
Таким образом, предложенная полезная модель Спейсера тазобедренного сустава, нагруженного антимикробными препаратами с противотуберкулезной активностью, может быть использована для местного этиотропного воздействия на очаг воспаления при неизмененных прочностных характеристиках. В качестве антимикробного препарата с противотуберкулезной активностью могут быть использованы также стрептомицин, канамицин, циклосерин, виомицин (флоримицин).
Установка происходит следующим образом.
Боковым разрезом обнажают полость тазобедренного сустава. Вывихивают головку бедренной кости, резецируют ее, удаляют капсулу сустава, гнойное содержимое, некротические ткани. Производят механическую и антисептическую обработку полости резецированного сустава. В бедренной кости по аналогии с техникой эндопротезирования рашпилем минимального размера формируют канал. Ножку спейсера изготавливают методом литья в стерильной пластиковой пресс-форме, а по оси ножки располагают металлическую арматуру, обеспечивающую его прочность на сгибание. В верхней части ножки проксимальный конец металлической арматуры длиной 40 мм остается временно непокрытым цементной мантией до изгиба. Размер пластиковой пресс-формы и соответственно ножки соответствует нулевому размеру рашпиля системы ЭСИ по аналогии с методикой установки эндопротеза. Пресс-форма содержит специальные продольные сужающиеся книзу выступы для формирования ребер на каркасе спейсера размерами 12±2 мм в проксимальном конце и 5±1 мм в дистальном и длиной 100±5 мм и глубиной 3 мм. Головка - полушаровидной формы, изготавливается целиком из костного цемента в специальной пластиковой форме нескольких типоразмеров (диаметром 44 мм, 46 мм, 48 мм, 50 мм, 52 мм и 54 мм). Размер головки подбирается соответственно размерам удаленной головки бедренной кости и вертлужной впадины. Выступающий проксимальный конец металлической арматуры ножки в момент полимеризации погружается в головку на стадии загустевания цемента и удерживается до застывания. В нижней, ненагружаемой части головки при помощи сверла диаметром 8 мм на стадии частичного отвердевания (на 4-6 минуте) по кругу формируются 5 каналов глубиной 10+2 мм, отступая от края не менее 5±1 мм. После затвердевания образца изготавливается вторая смесь цемента, в состав которой механическим путем добавляются антимикробные препараты с противотуберкулезной активностью в необходимой концентрации. На ранней стадии полимеризации, до затвердевания, занимающей 8-10 минут, эта смесь наносится на ранее изготовленный образец, заполняя прорези между ребер на ножке, каналы в нижней части шаровидной головки и проксимальный конец металлической арматуры в области шейки спейсера в виде воротника толщиной до 10-15 мм со всех сторон. После адгезии наносимой смеси с первичным образцом спейсер можно использовать для имплантации. На фигурах 1 -4 представлены эскизные формы поэтапного изготовления спейсера.
Таким образом, спейсер, изготовленный по данной технологии состоит из двух компонентов: внутренний каркас состоит из цельного (официнального) цемента и обладает необходимыми прочностными характеристиками, может нести функциональную нагрузку; мантия, заполняющая прорези и каналы, обладает антимикробным эффектом. При этом, смесь цемента с антимикробным препаратом с противотуберкулезной активностью, заполняющая прорези и каналы, выполняет роль депо с постепенным высвобождением антимикробного препарата в течении 28 суток по данным нашего эксперимента и по данным авторов, использующих костный цемент, нагруженный антибиотиками широкого спектра действия (http://medregion31.ru/PALACOS%20MV+G.pdf). Каналы и прорези на каркасе спейсера заполняются смесью антимикробного препарата и костного цемента, достигая 10% концентрации. Изготовленный спейсер вводится в канал бедренной кости. Головку спейсера вправляют в вертлужную впадину. Рану ушивают послойно с установкой дренажной системы. Дозированная ходьба разрешается через 2-4 дня после операции.
(Руководство по хирургии тазобедренного сустава. Под редакцией P.M. Тихилова, И.И. Шубнякова//. РНИИТО им. P.P. Вредена, 2014 г.-368 c.ISBN 978-5-990489738).
Клинический пример №1: пациентка В., 36 лет, находилась в клинике с диагнозом: активный туберкулез правого тазобедренного сустава, осложненный параартикулярным абсцессом. Сопутствующее заболевание - хронический вирусный гепатит С. До поступления в ФГБУ «НМИЦ ФПИ» Минздрава России лечилась в ГКБ №20 г.Москвы, где выполнено дренирование сустава, абсцессотомия. В нашей клинике 05.03.2019 произведена операция в объеме резекции правого тазобедренного сустава, абсцессонекрэктомия, установки цементного спейсера предложенной конструкции. При приготовлении насыщенной антибиотиком цементной мантии использовано 4 г рифампицина на 40 г цемента соответственно индивидуальной чувствительности микробиологического агента. В операционном материале была обнаружена ДНК МВТ, средняя бактериальная нагрузка, и гистологическая картина соответствовала туберкулезному кокситу. Больная приступила к дозированной ходьбе на третьи сутки после операции. Послеоперационный период протекал без осложнений. Была выписана на амбулаторное лечение с рекомендациями продолжения противотуберкулезной химиотерапии по 1 режиму. В сентябре 2019 года повторно госпитализирована. После контрольных исследований на стерильность биологического материала, полученного при параартикулярных пункциях и получения результатов лабораторных данных, подтвердивших стойкое затихание воспалительного процесса, 08.10.2019 г. выполнена операция: удаление артикулирующего спейсера правого тазобедренного сустава, тотальное эндопротезирование системой «Zimmer». При осмотре удаленного спейсера отмечено, что форма его сохранена, механические свойства не нарушены. Послеоперационный период протекал гладко. Рана зажила первичным натяжением, швы сняты. ПЦР-РВ операционного материала: ДНК МБТ не обнаружена. Микроскопия операционного материала методом люминесценции: микобактерий не выявлено. Микробиологическое исследование операционного материала: роста микроорганизмов не получено.
Рентгенография тазобедренных суставов от 10.10.2019 г.: положение компонентов эндопротеза удовлетворительное.
Через сутки после операции пациентка активизирована, дозированная ходьба с костылями начата на четвертые сутки после операции. В удовлетворительном состоянии выписана из стационара. При контрольном осмотре через шесть месяцев после операции передвигается без костылей, боли в оперированном суставе не отмечает. Рентгенологически положение компонентов эндопротеза удовлетворительное. Признаков воспалительного процесса не выявлено. Данное наблюдение позволяет оценить высокую эффективность проведенного лечения с использованием заявляемого спейсера.
Клинический пример №2: пациентка Н., 1983 г.р. находилась на лечении в областном центре, в отделении внелегочного туберкулеза в 2015 году. Ей диагностировали Туберкулезный правосторонний коксит (подтвержденный гистологически). ВИЧ-инфекция. В марте 2015 года проведена резекция сустава с установкой цементного спейсера без добавления противотуберкулезных препаратов. Через 2 недели в области оперированного сустава образовался свищ с гнойным отделяемым. В мае 2015 года проведена повторная операция по поводу ревизии сустава и удаления спейсера, но свищ со скудным отделяемым сохранялся, несмотря на проводимую химиотерапию. В 2016 году повторно установлен спейсер без антибиотиков. На фоне продолжающейся химиотерапии через 3 месяца после операции вновь появилось гнойное отделяемое, спейсер удален. На протяжении 3-х лет после операции сохраняется гнойное отделяемое на фоне усиленной химиотерапии. Пациентка передвигается при помощи костылей. В настоящее время находится в ФГБУ «НМИЦ ФПИ» Минздрава России для проведения оперативного вмешательства и подбора терапии. На контрольных рентгенограммах очаги деструкции в проксимальном отделе бедренной кости и вертлужной впадины, «болтающийся» сустав.