Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 12
1.1. Современное состояние вопроса оперативного лечения больных с переломами костей при остеопении 12
1.2. Способы моделирования остеопении и остеопороза в эксперименте 21
Глава 2. Материалы и методы исследования .28
2.1. Общая характеристика объектов исследования .28
2.2 Методы обследования
2.2.1. Осмотр животных 30
2.2.2. Реовазография 32
2.2.3. Термография .33
2.2.4. Рентгенография 34
2.2.5. Рентгеновская денситометрия 35
2.2.6. Морфологическое исследование .36
2.2.7. Методы статистического анализа, математического моделирования и доказательной медицины 38
Глава 3. Новый способ моделирования локальной остеопении в эксперименте .. 43
3.1. Описание нового способа моделирования локальной остеопении .44
3.2. Результаты применения нового способа моделирования локальной остеопении 47
3.2.1. Результаты осмотра животных 47
3.2.2. Результаты инструментальных методов исследования 50
3.2.3. Результаты морфологического исследования 59
Глава 4. Новый металлофиксатор для остеосинтеза при локальной остеопении
4.1. Характеристика нового металлофиксатора.. 71
4.2. Способ выполнения остеосинтеза с применением нового металлофиксатора
4.3. Показания к применению нового металлофиксатора 77
4.4. Исследование механической прочности остеосинтеза новым металлофиксатором 78
4.5. Особенности выполнения остеосинтеза с применением нового металлофиксатора в эксперименте на животных .84
Глава 5. Сравнительный анализ результатов эксперимента .86
5.1. Сравнительный анализ результатов обследования животных. 87
5.2 Результаты инструментальных методов исследования .90
5.2.1. Сравнительный анализ результатов реовазографии .90
5.2.2. Сравнительный анализ результатов термографии 94
5.2.3. Результаты рентгенологических методов исследования. .97
5.3. Сравнительный анализ результатов морфологического исследования 105
5.3.1. Макроскопическая картина гребней подвздошных костей кроликов после выполнения остеосинтеза 109
5.3.2. Микроскопическая картина гребней подвздошных костей кроликов после выполнения остеосинтеза 113
5.4. Анализ неблагоприятных исходов экспериментального исследования 121
Глава 6. Математическое моделирование структурно функционального состояния задней конечности кролика с обоснованием эффективности применения нового металлофискатора с позиций доказательной медицины 125
Заключение .132
Выводы 143
Практические рекомендации 144
Перспективы дальнейшей разработки темы .145
Список обозначений и условных сокращений 146
Список литературы
- Способы моделирования остеопении и остеопороза в эксперименте
- Термография
- Результаты применения нового способа моделирования локальной остеопении
- Исследование механической прочности остеосинтеза новым металлофиксатором
Способы моделирования остеопении и остеопороза в эксперименте
В современном мире заболевания и повреждения опорно-двигательной системы приобретают всё более тяжёлый и сложный характер. Крупномасштабные достижения научно-технического прогресса в сочетании с ростом численности населения в XX и XXI веке привели к усилению процессов урбанизации, сопряженных с ростом частоты дорожно-транспортных происшествий и общего количества травм. Несмотря на определенные достижения науки, процент неудовлетворительных результатов лечения заболеваний и повреждений костей скелета, приводящих к таким осложнениям, как замедленная консолидация и несращение переломов, формирование ложных суставов, не имеет тенденции к уменьшению [78]. По данным разных авторов, он колеблется от 6 до 27 % [36, 41, 68, 59, 89, 107, 122, 146].
Регенерация кости — это сложный процесс, зависящий от системных и локальных факторов [2]. В последнем десятилетии активно проводятся исследования, посвященные изучению восстановления кости после повреждения [43]. Выявлено, что при переломе индуцируется последовательный каскад ответных реакций тканей, направленных на удаление мелких осколков кости и поврежденных тканей, реорганизацию, васкуляризацию и построение новой костной ткани, соединяющей костные отломки, и на формирование кости как органа [30, 67, 84, 125, 152].
Многие исследователи делят факторы, отрицательно влияющие на репаративный остеогенез после травматических повреждений кости, на общие и местные [71, 108, 131, 124, 107]. Общие факторы связаны с сопутствующей соматической патологией (сахарный диабет [92], остеопороз [106], анемия [117], несовершенный остеогенез и др.), проводимой медикаментозной терапией (глюкокортикоиды, некоторые нестероидные противовоспалительные средства, препараты, блокирующие транспорт кальция, бисфосфонаты, тетрациклин и т.д.)[128, 150], возрастом больного, вредными привычками (табакокурение, алкоголь) [112, 144, 142].
К местным факторам относят отсутствие надежной иммобилизации сегмента, неоднократные закрытые репозиции [148], неблагоприятные угловые остаточные смещения отломков; частые смены методов лечения [105], высокая травматичность оперативного вмешательства [100], чрезмерное скелетирование отломков, использование массивных металлических имплантатов, угнетающих процессы остеорепарации, что приводит к развитию локальной остеопении, металлоза с последующим формированием нестабильности в системе «кость — имплант» [28, 69, 83, 136].
Неблагоприятные исходы лечения переломов (ложный сустав, костный дефект, неправильно сросшийся перелом) по данным различных авторов составляют 10-25%, приводя к значительным нарушениям функции поврежденного сегмента и конечности [5, 11, 10]. Известно, что остеопороз или остеопения усугубляют течение основного заболевания и накладывают отпечаток на тактику проведения реконструктивно-пластических операций у пациентов с нарушенной регенерацией костной ткани [14, 25]. Остеопороз – это системное заболевание костей скелета, характеризующееся снижением костной массы в единице объема и нарушением микроархитектоники костной ткани, приводящими к повышенной хрупкости костей и увеличению риска их переломов [119]. Остеопения - это состояния костной ткани, характеризующееся снижением минеральной плотности. При этом степень снижения определяется по плотности рентгенологической тени (при стандартной рентгенографии костей) или методами количественной костной денситометрии [94]. В клинической практике степень снижения минеральной плотности костной ткани по результатам денситометрии и наличие патологических переломов типичной для остеопороза локализации определяет клинический диагноз [114].
Социально-экономическая и медицинская значимость проблемы остеопороза и остеопении занимает среди наиболее распространенных заболеваний современности четвертое место после рака, хронических респираторных заболеваний и болезней сердца [34, 46]. Возрастающий интерес к данной проблеме продиктован увеличением её распространённости за счет прироста количества больных, а так же за счет омоложения заболевания [35].
В основе клинической значимости остеопороза лежат переломы костей, возникающие на его фоне. Прочность кости отражает интеграцию двух главных характеристик: минеральной плотности костной ткани и ее качества [1]. В проведенных экспериментальных исследованиях прочности костей, в частности проксимального отдела бедренной кости [84] и тел позвонков [97], установлено, что минеральная плотность костной ткани определяет 66-74% ее прочности. Измерение данной характеристики кости, по мнению ряда авторов [151, 140], является практическим единственным достоверным способом диагностики остеопении и остеопороза, а так же предрасположенности к переломам.
Распространенность снижения минеральной плотности костной ткани в различных отделах скелета отличается в разных популяциях. [59, 138]. В США, по результатам крупномасштабного исследования, распространенность остеопении составила среди женщин в 47,5% случаях и среди мужчин в 30,4% [109]. У коренных жительниц Чили выявлена частота снижения минеральной плотности костной ткани тел позвонков составила 57,9 %, шейки бедра 17,9% [132]. Среди европейских стран наибольшая частота распространенности остеопении выявлена в Норвегии [143], Швеции [149], Великобритании [141].
Термография
В соответствии с международным биоэтическим нормам, проведение доклинической оценки является обязательным этапом разработки и внедрения новых способов лечения повреждений и заболеваний опорно-двигательной системы [88]. В частности, при доклинической оценке новых металлофиксаторов, устройств и имплантов для остеосинтеза, основой является изучение их физико-биологических свойств. Разностороннее изучение подобных аспектов возможно только в условиях эксперимента на животных. Для этого были проведены эксперименты на базе Института экспериментальной медицины и биотехнологий ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России. Объектом исследования являлись 42 кролика породы «Шиншилла». У 18 животных эксперимент проведен на двух нижних конечностях, поэтому число наблюдений составило 60 случаев. Возраст 1,5-3,0 года. Масса 3500-5000 гр. Кролики породы «Шиншилла» наиболее часто используются для изучения регенерации тканей. Накоплены большой опыт их использования, подробные данные об их анатомии и физиологии, особенностях ухода. Размер костей кроликов позволил выполнить им операции остеосинтеза. Эти факторы обусловили выбор животных для проведения экспериментального исследования.
В ходе работы придерживались основополагающих правил по проведению медико-биологических исследований с использованием животных в соответствии с международными рекомендациями. Всех животных содержали в условиях стационарного вивария. Им был обеспечен растительный витаминизированный рацион и свободный доступ к воде. Все кролики перед работой были дегельминтизированы. С момента начала и в течении всего срока эксперимента животные были обследованы на наличие интеркурентных заболеваний. При их наличии животное выводили из эксперимента. Все животные были пронумерованы по принципу их происхождения и расположения клеток, что значительно облегчило работу. Перед началом эксперимента были определены границы биологической нормы для всех тестируемых показателей у интактных животных (5 кроликов). Оперативные вмешательства проводили в стерильных условиях с соблюдением правил асептики и антисептики под общей анестезией (кроликам внутримышечно вводили раствор Rometar 2%-1,0 мл. и Zoletil 100 в дозе 25мг/кг.). Оперированных животных содержали по одиночке. Для выведения животных из эксперимента применяли одномоментное внутривенное введение летальной дозы тиопентала натрия.
Так как новый металлофиксатор предназначен для остеосинтеза на фоне остеопении, целесообразным являлось проведение доклинических испытаний только на костях со сниженной механической прочностью. У всех животных была создана экспериментальная модель локальной остеопении по разработанному способу (патент РФ на изобретение № 2615902 от 11.04.2017).
Животные были разделены на три группы. В I (контрольной) группе изучали протекающие процессы патологической потери костной массы после моделирования локальной остеопении – 14 кроликов (20 случаев). В II группе (сравнения) выполняли остеотомию бугра крыла подвздошной кости и остеосинтез винтом АО – 14 кроликов (20 случаев). В III (основной) группе выполняли остеотомию и остеосинтез новым металлофиксатором (20 случаев). У кроликов II и III групп оперативные вмешательства выполняли через 3 месяца после моделирования локальной остеопении в костях таза.
Всем животным основной группы и группы сравнения интраоперационно проводили остеотомию бугра крыла подвздошной кости, представленного губчатой костью, с последующим остеосинтезом. У животных, которым осуществляли операции на обеих задних конечностях, временной разрыв между хирургическими вмешательствами был не менее одного месяца. Остеосинтез у таких животных выполняли одним видом металлофиксатора на обеих задних конечностях. Анатомически подвздошная кость является частью пояса задних конечностей кролика и оказывает прямое влияние на их функциональное состояние. 2.2. Методы обследования
Обследование животных контрольной группы проводили до моделирования локальной остеопении и в динамике в сроки 2 недели, 1 месяц, 3 месяца и 6 месяцев после проведения моделирования. Обследование животных основной группы и группы сравнения проводили через 3 месяца после моделирования локальной остеопении – до операции и на следующие сутки после проведения оперативного вмешательства на крыле подвздошной кости, а так же в сроки 1 месяц, 3 месяца и 6 месяцев. Выбранные сроки наблюдения являются наиболее показательными для визуализации процессов, происходящих в костной ткани после моделирования локальной остеопении и при остеосинтезе анализируемыми имплантами. Обследовано 42 животных. У 18 животных эксперимент проведен на двух нижних конечностях, поэтому число наблюдений составило 60 случаев.
Нами был применен комплексный подход к обследованию животных, включающий в себя как биомеханические и функциональные методы исследования, так и морфологические методы обследования с математическим моделированием состояния задней конечности животного. Полученные результаты использовались для контроля эффективности применения нового металлофиксатора в условиях локальной остеопении с позиций доказательной медицины.
Результаты применения нового способа моделирования локальной остеопении
Разработан новый способ моделирования локальной остеопении у кроликов с возможностью контроля степени выраженности патологического процесса. Предложенный способ моделирования локальной остеопении реализуется путем внутрикостного введения раствора ортофосфорной кислоты с концентрацией от 0,2 М до 1,0 М объемом 0,5-1,0 мл в подлежащую моделированнию кость. Объем и концентрация применяемой кислоты зависит от размера кости и необходимой величины потери МПКТ, заданной в эксперименте.
Влияние раствора ортофосфорной кислоты на костную ткань описывается формулами её взаимодействия с неорганическими компонентами кости, которыми в основном являются соли Ca3(PO4)2 (более 78%), СаСО3 (более 15%) и Mg3(PO4)2 (около 2%). Это взаимодействие описано следующими химическими реакциями: Ca3(PO4)2 + 4H3PO4 = 3Ca(H2PO4)2 CaCO3 + 2H3PO4 = Ca(H2PO4)2 + H2O + CO2 Mg3(PO4)2 + 4H3PO4 = 3Mg(H2PO4)2 Наступление необходимой степени снижения показателя МПКТ, определенной задачами, стоящими перед экспериментом, контролировали при помощи рентгеновской абсорбационной двуэнергетической денситометрии, причём увеличение концентрации введенной ортофосфорной кислоты на 0,1 М обеспечивало снижение минеральной плотности костной ткани на 10%.
Положительным результатом применения предлагаемого способа стало снижение травматичности проводимых манипуляций за счет ограничения влияния вводимых препаратов только на подлежащий моделированию участок кости. Чрезкожный внутрикостный способ введения растворов позволяет снизить операционную травму у животных, что способствует их выживаемости. Сохраняются привычные условия содержания животных и ухода за ними. В послеоперационном периоде сохраняется возможность беспрепятственно оценивать функциональное состояния конечностей животных. Контролируемое введение растворов кислот позволяет изменять степень выраженности патологических процессов в костной ткани.
Нами было выполнено исследование на 42 кроликах породы «Шиншилла», которым моделировали локальную остеопению в подвздошных костях по разработанному способу.
Для практической реализации способа после соответствующей подготовки под внутримышечным наркозом раствором Rometar 2%-1,0 мл и Zoletil 100 в дозе 25мг/кг в условиях операционной выполняли чрезкожную трепанопункцию крыла подвздошной кости. При потягивании поршня шприца на себя получали густое геморрагическое отделяемое с вкраплениями жира – костный мозг (рис. 5). Осуществляли разнонаправленное равномерное введение 0,5 мл 0,2 М раствора H3PO4 в крыло подвздошной кости (рис. 6). Рис. 5. Трепанопункция правой подвздошной кости. В шприце костный мозг.
Рис. 6. Разнонаправленное введение раствора ортофосфорной кислоты. После чего заново устанавливали мандрен, извлекали иглу. Наложение асептической повязки не требовалось, так как кровотечения не наблюдали. Обрабатывали кожу в области пункции аэрозолем Террамицина.
В послеоперационном периоде условия содержания и качество жизни животного не изменились. Гнойно-септических осложнений не наблюдали.
Для объективизации результатов исследования выполняли комплекс методов исследования в соответствии с планом эксперимента. Контролем послужили данные результатов обследования животных до моделирования снижения минеральной плотности костной ткани. Контролем для оценки микроскопической картины изменений послужили участки подвздошных костей, 5 животных, у которых моделирование не проводили.
Анализ результатов моделирования локальной остеопении позволил нам определить динамику изменений, происходящих как в целом в организме животного, так и непосредственно в костной ткани, подлежащей воздействию. Что дало возможность судить об оптимальных сроках воссоздания патологического изменения костной ткани, эффективности и достоверности предложенного нами способа моделирования и определить рекомендации для его применения.
Для объективизации результатов осмотра животных использовали критерии оценки структурно-функционального состояния задней конечности кролика. Проводили анализ данных, полученных до моделирования локальной остеопении, через 2 недели, а также 1, 3 и 6 месяцев после моделирования. Контрольными значениями послужили данные, полученные до моделирования патологического процесса. Средние величины и их стандартное квадратическое отклонение представлены в таблице 2.
Сроки наблюдения Контрольноезначение,баллы Моделирование локальной остеопении, баллы Критерий Манна-Уитни-Уилкоксона Критерий Стьюдента Uзнач р Тзнач р 2 недели 23,7±0,47 22,3±0,44 45 0,01 6,8 0,01 1 месяц 23,7±0,47 23,1±0,72 102 0,05 2,6 0,05 3 месяца 23,7±0,47 23,4±0,51 99 0,05 1,4 0,05 6 месяцев 23,7±0,47 23,5±0,52 93 0,05 0,8 0,05 Контрольное значение до моделирования, то есть показатели здоровых животных, составило 23,7±0,1 балла – показатель среднестатистической нормы. Обследование животных спустя две недели после моделирования выявило наличие незначительной отечности и повышение локальной температуры менее чем на 1 подвздошной области. Мы не отметили явлений воспаления и гнойно септических осложнений после проведения вмешательства. Место трепанопункции подвздошной кости было безболезненным. С этим положительным явлением мы связываем нормальную двигательную активность животных, сохранение полной опороспособности задних конечностей и полного объёма движения в тазобедренном суставе. Место прокола кожных покровов визуально не отличалось от такового при выполнении рутинных внутримышечных инъекций и заживало в течении 7 дней под струпом. Вследствие перечисленных незначительных влияний проведенного вмешательства снижение среднестатистического показателя осмотра составило 22,3±0,2 балла. Обследование животных спустя один месяц после моделирования выявило постепенную регрессию локального повышения температуры, поэтому среднестатистический показатель составил 23,1±0,2 балла. В отдаленные сроки наблюдения (3 и 6 месяцев) осмотр выявил спадание отека подвздошной области на стороне вмешательства, при этом при помощи термографии отметили формирования очага гипотермии непосредственно над местом трепанопункции, Среднестатистический показатель осмотра составил соответственно 23,4±0,2 балла и 23,5±0,2 балла.
Исследование механической прочности остеосинтеза новым металлофиксатором
Оценка результатов экспериментального применения нового металлофиксатора является неотъемлемым этапом обоснования эффективности предложенных конструкторских решений. Сравнительный анализ проведенного эксперимента позволяет судить о соотношении протекающих процессов остеоинтеграции нового металлофиксатора, их влиянии на стабильность остеосинтеза на фоне снижения локальной остеопении и в целом на функциональное состояние задней конечности экспериментального животного.
В основу построения математической модели функционального состояния задней конечности животного легли данные оценки критериев осмотра, рентгенографии области оперативного вмешательства, реовазографии и термографии подвздошно-поясничной области. Для оценки гистологической картины были изучены макро- и микропрепараты участков подвздошной кости после проведенного остеосинтеза новым металлофиксатором и винтом АО. Анализ литературы по доклинической оценке новых металлоконструкций для остеосинтеза показал, что выбранные методы исследования являются наиболее информативными для объективизации результатов исследования.
Нами были изучены результаты 40 случаев остеосинтеза подвздошной кости в двух группах: в группе сравнения выполняли остеотомию бугра крыла подвздошной кости и остеосинтез винтом АО – 14 кроликов (20 случаев), в основной группе выполняли остеотомию и остеосинтез новым металлофиксатором (20 случаев). У кроликов основной группы и группы сравнения оперативные вмешательства выполняли через 3 месяца после моделирования локальной остеопении в костях таза. В послеоперационном периоде содержание животных не изменялось и было одинаковым, проводили стандартную антибиотикопрофилактику и перевязки. Сроки наблюдения: через 1 сутки, 1 месяц, 3 месяца и 6 месяцев, наиболее информативно отображают протекающие процессы репарации кости после проведенного остеосинтеза. Собранные данные методов исследования легли в основу обоснования эффективности применения нового металлофиксатора.
Для объективизации результатов осмотра животных нами были выделены основные критерии, характеризующие структурно-функциональное состояние задней конечности животного и зоны оперативного вмешательства. Проводили анализ данных, полученных до выполнения оперативного вмешательства и через 1 сутки после, а также через 1, 3 и 6 месяцев.
Так как за 3 месяца до выполнения оперативного вмешательства всем животным основной группы и группы сравнения выполняли моделирование локальной остеопении, то контрольное значение суммы критериев составило в этот временной промежуток 23,55±0,51 балла, что ниже чем у здоровых животных вследствие моделирования у них патологического процесса.
Обследование животных основной группы на следующие сутки после выполнения остеосинтеза выявило наличие умеренного болевого синдрома, снижение опороспособности задней конечности и объёма движений в тазобедренном суставе, умеренного отека и асимметрии подвздошно-поясничной области. Послеоперационная рана была сухая, швы состоятельные. Среднее значение результатов осмотра составило 13,3±0,03балла. В дальнейшем отмечали снижение интенсивности болевого синдрома, вследствие чего объем движений в тазобедренном суставе постепенно увеличивался, а степень опороспособности задней конечности возрастала. Послеоперационная рана заживала первичным натяжением, швы сняты на двенадцатые сутки. К 1 месяцу среднее значение результатов осмотра составило 19,9±3,9 балла. К 3 месяцу опороспособность задней конечности и объем движений в тазобедренном суставе восстанавливались до полного, однако отмечали умеренную асимметрию подвздошно-поясничной области вследствие гипотрофии ягодичных мышц и четырехглавой мышцы бедра. Среднее значение результатов осмотра составило 23,42±0,57 балла.
К 6 месяцу в основной группе гипотрофия мышц и асимметрия подвздошно-поясничной области была либо незначительная, либо не выявлена вообще. Среднее значение результатов осмотра через 6 месяцев после остеосинтеза составило 22,4±1,57 балла, и приближалось к контрольному значению перед операцией.
Обследование животных группы сравнения на следующие сутки после выполнения остеосинтеза выявило наличие выраженного болевого синдрома, снижение объёма движений в тазобедренном суставе, наличие отека и асимметрии подвздошно-поясничной области, при этом опора на заднюю конечность вследствие выраженного болевого синдрома была либо незначительная, либо невозможна. На следующие сутки после выполнения оперативного вмешательства в большинстве случаев послеоперационная рана была сухая, швы состоятельные. В 4 случаях отметили наличие геморрагического отделяемого, которое сохранялось в течение последующих 2-3 перевязок. В 6 случаях асимметрия подвздошной области была обусловлена не только отеком послеоперационной области, но смещением костных ориентиров подвздошной области. Среднее значение результатов осмотра составило 11,85±0,85 балла. В дальнейшем отмечали снижение интенсивности болевого синдрома, вследствие чего объем движений в тазобедренном суставе постепенно увеличивался, а степень опороспособности задней конечности возрастала.
Послеоперационная рана заживала первичным натяжением, швы сняты на двенадцатые сутки. К 1 месяцу среднее значение результатов осмотра составило 16,4±1,5 баллов. Однако в 2 случаях отметили развитие воспалительных явлений в области оперативного вмешательства, подробно рассмотренных в главе 5.4 «Осложнения». К 3 месяцу опороспособность задней конечности и объем движений в тазобедренном суставе возрастали. В 6 случаях смещение костных ориентиров – гребней подвздошной кости обуславливало сохранение отека и асимметрии подвздошно-поясничной области. Среднее значение результатов осмотра составило 18,2±2,7 баллов. К 6 месяцу в группе сравнения опороспособность задней конечности и объем движений в тазобедренном суставе либо восстанавливались полностью, либо оставались частично ограничены, что обуславливает сохранение гипотрофии мышц подвздошно-поясничной области. Среднее значение результатов осмотра через 6 месяцев после остеосинтеза составило 19,57±1,43 баллов и не достигало контрольных значений до выполнения операции. Средние значения результатов осмотра животных для удобства представлены в таблице 8 и графике (рис. 45).