Введение к работе
Актуальность исследования. Развитие высоких медицинских технологий, направленных на повышение эффективности лечения и качества жизни населения, требует освоения новых препаратов и устройств высокой функциональности, включая конструирование систем, способных воспроизводить биологические функции органов и тканей (Sudeshetal., 2000; 2004; Biopolymers, 2002; Biotechnology of Biopolymers: From Synthesisto Patents, 2004; Biopolymers for Medicinal and Pharmaceutical Applications, 2005; Штильман, 2006; Хенч, Джонс, 2007; Биосовместимость, 2011).
Хирургия относится к тем медицинским наукам, которые испытывают наиболее острую потребность в новых высокотехнологичных средствах и технологиях. Прежде всего, эта потребность ощущается в реконструктивной хирургии, нуждающейся в функциональных материалах и изделиях нового поколения, таких, как шовный материал, эндопротезы, имплантаты, материалы для реконструкции дефектов поврежденных тканей. Улучшение результатов хирургических вмешательств в абдоминальной хирургии напрямую связано с внедрением новых материалов.
В мире выполняется более 20 млн. грыжесечений с частотой рецидивов 10–15 % (Федоров и др., 2000; Шляховский, Чекмазов, 2002). Для профилактики образования послеоперационных спаек разрабатываются новые методы с применением облегченных сетчатых эндопротезов типа «Vipro» и «Ultrapro» (за рубежом) и «Эсфил», «Унифлекс» (в РФ) (Klingeetal., 2002; Ярема, Магомедов, 2003; Суковатых и др., 2004; Дубова с савт., 2006; 2007; Суфияров, 2007). Применение эндопротезов из синтетических полимеров, главным образом, полипропилена, как показала клиническая практика, может сопровождаться эндопротез-ассоциированными осложнениями. Исследования, проводимые как в России, так и за рубежом, свидетельствуют о необходимости поиска новых материалов для повышения биосовместимости сетчатых эндопротезов.
В гепатохирургии, несмотря на значительный прогресс и внедрение большого количества высокотехнологичных диагностических и лечебных малоинвазивных методов, сохраняются ограничения, не позволяющие решить проблему лечения больных с механической желтухой. Большое значение имеют малоинвазивные эндобилиарные вмешательства, в частности, эндопротезирование желчевыводящих путей, при этом исход операции зачастую определяет выбор конструкции стента (Ferro et al., 1993; Harewood et al., 2002). Применяемые сегодня эндобилиарные стенты не лишены ряда недостатков. Поиск новых материалов для этих целей продолжается.
В хирургической практике в огромных количествах расходуется шовный материал. Поиск материалов для изготовления биосовместимых, механически прочных и биорезорбируемых шовных нитей является актуальной задачей материаловедения и хирургии (Воробьев, Бебуришвили, 2001; Воробьев, 2003; Сергеев с соавт., 2009 и др).
Реконструктивная хирургия испытывает большую потребность в биосовместимых материалах, необходимых для закрытия дефектов тканей, возникающих в результате травм или секвестрации. В настоящее время для реконструкции костных дефектов наиболее распространенными материалами являются искусственные и натуральные кальций-фосфатные соединения (гидроксилапатит, ди- и трифосфат кальция). Новым решением проблемы может стать создание гибридных материалов на основе гидроксиапатита и биосовместимых полимеров, способных к биодеградации (Mistry etal., 2007; Link etal., 2008).
Открытие и изучение полигидроксиалканоатов (ПГА) – биосовметимых и биоразрушаемых полимеров микробиологического происхождения, явилось значимым событием. Сфера применения ПГА потенциально широка, они могут включаться в восстановительную хирургию, клеточную и тканевую инженерию, трансплантологию, фармакологию и т.п. (Zhu et al., 2003; Liu et al., 2005, Yun et al., 2004; Balthasar et al., 2005; Nodaetal., 2005; Volova,2004; Hazer, Steinbuchel, 2007; Волова, Севастьянов, Шишацкая, 2006; Волова, Шишацкая, 2011). Исследование ПГА активно проводится, главным образом, за рубежом. В сфере коммерциализации ПГА - крупнейшие корпорации и компании: «Монсанто Ко», «Metabolix Inc.», «Tepha», «Procter&Gambel», «BerlinPackagingCorp.», «Merk», выпускающие ПГА под марками Biopol, MerelTM, TephaFLEXTM, DegraPol/btc, NodaxTM.Среди изделий, допущенных к применению FDA (США) в самые последние годы - шовный материал, сетчатые эндопротезы, мембранные изделия, производимые фирмой «Tepha». Несмотря на проводимые активные исследования, результаты биомедицинских, в особенности, клинических исследований, представлены в доступной литературе крайне ограниченно.
Таким образом, многие ключевые вопросы, без решения которых невозможно практическое применение ПГА, остаются открытыми. Остаются не изученными последствия взаимодействия ПГА с тканями различной структуры; мало данных, полученных в клинических условиях.
Учитывая вышеизложенное, потребности практики, малая изученность ряда ключевых вопросов, необходимых для применения ПГА, в сочетании с уникальными научными заделами в области биотехнологии ПГА и научно-практической базой, созданной при взаимодействии научных учреждений Красноярского научного центра СО РАН и Сибирского федерального университета, включающей первое в РФ опытное производство полимеров этого класса и изделий из них, послужили основанием для выполнения этой работы и развертывания клинических исследований.
Цель работы – экспериментально-клиническое исследование эффективности применения изделий из ПГА, и разработка научной основы для внедрения в клиническую практику высокотехнологичных изделий нового поколения и повышения эффективности лечения хирургических заболеваний.
Задачи исследования:
-
Изучить физико-химические, физико-механические свойства серии пионерных высокотехнологичных хирургических изделий из ПГА (модифицированных сетчатых эндопротезов, полностью резорбируемых эндобилиарных стентов, шовных волокон, материала для реконструктивного остеогенеза).
-
Исследовать биологическую совместимость ПГА в культурах клеток и экспериментах на животных, длительность функционирования in vivoпри взаимодействии с различными тканями.
-
В эксперименте изучить морфогистохимические особенности взаимодействия с тканями передней брюшной стенки сетчатых эндопротезов, модифицированных покрытием из ПГА, ближайшие и отдаленные результаты грыжесечений с применением разработанных эндопротезов при грыжах передней брюшной стенки.
-
Исследовать состоятельность рассасывающихся моножильных нитей из ПГА для ушивания мышечно-фасциальных ран, формирования кишечных анастомозов в эксперименте на животных и оценить эффективность их применения для ушивания ран передней брюшной стенки.
-
Экспериментально обосновать целесообразность применения полностью резорбируемых трубчатых эндопротезов из ПГА для протезирования внепеченочных желчных путей; изучить клинические результаты использования стентов у больных с непроходимостью внепеченочных желчных протоков различной этиологии.
-
В доклинических экспериментах исследовать возможность использования ПГА в виде имплантатов и пломбировочного материала для реконструкции дефектов костной ткани, в т.ч. инфицированных Staphylococcus aureus; оценить эффективность применения ПГА для закрытия костных дефектов травматической и инфекционной этиологии в клинике.
-
Провести анализ результатов экспериментально-клинических исследований и эффективности использования изделий из ПГА; разработать практические рекомендации на их применение в реконструктивной хирургии.
Научная новизна исследования.
Изучены физико-химические, физико-механические свойства, закономерности биодеструкции и прочностные характеристики опытных образцов высокотехнологичных изделий медицинского назначения из сополимера 3ПГБ/3ПГВ с включением гидроксивалерата (3-ГВ) от 5 до 25 мол. %. (модифицированные эндопротезы для герниопластики, рассасывающийся моножильный шовный материал, эндобилиарные стенты, объемные полимерные матриксы) in vitro и in vivo.
Получены новые данные об эффективности клинического применения эндопротезов, модифицированных ПГА-покрытием. Оценено влияние их применения на частоту возникновения ранних и поздних эндопротез-ассоциированных осложнений.
Исследованы морфогистохимические особенности реакции тканей организма экспериментальных животных, в частности, макрофагальной и гигантоклеточной реакции, формирования соединительной ткани, активности локального ангиогенеза (экспрессия фактора роста эндотелия сосудов (VEGF)), возникающей на имплантацию различных изделий медицинского назначения из ПГА, разработанных в рамках данного исследования, в сравнении с их аналогами, применяемыми в клинике.
Экспериментально обоснована возможность использования рассасывающейся монофиламентной нити из ПГА для формирования различных видов кишечных анастомозов, произведена сравнительная оценка выраженности спаечного процесса в брюшной полости в зависимости от выбора шовного материала. Впервые в клинической практике использован шовный материал из ПГА для ушивания послеоперационных ран передней брюшной стенки.
Доказана принципиальная возможность применения эндобилиарных стентов на основе ПГА для протезирования внепеченочных желчных протоков и клиническая эффективность их применения у пациентов с различной этиологией механической желтухи.
Впервые на экспериментальной модели хронического остеомиелита доказана эффективность и возможность применения материала ПГА для замещения дефектов костных полостей. Проведены пилотные клинические испытания нового биодеградируемого материала у пациентов с осложненными переломами верхних и нижних конечностей, в том числе, страдающих хроническим остеомиелитом.
В результате пилотных клинических исследований изделий медицинского назначения нового поколения из биополимеров класса полигидроксиалканоатов – сетчатых эндопротезов, модифицированных покрытием из ПГА, рассасывающихся шовных нитей, эндобилиарных стентов и объемных матриксов из этого же материала – выявлены преимущества последних в сравнении с традиционно применяемыми изделиями в клинической практике, что позволило снизить число послеоперационных осложнений, улучшить результаты хирургического лечения и рекомендовать их к дальнейшему применению и изучению.
Практическая значимость работы.
Доказано, что физико-химические и физико-механические свойства высокотехнологичных изделий медицинского назначения на основе ПГА (модифицированные эндопротезы для герниопластики, рассасывающийся моножильный шовный материал, эндобилиарные стенты, объемные полимерные матриксы) соответствуют необходимым требованиям, предъявляемым к медицинским изделиям, и могут быть использованы в хирургической практике.
Экспериментально обоснован и внедрен в клиническую практику принцип хирургического лечения грыж передней брюшной стенки, основанный на использовании сетчатых эндопротезов, покрытых ПГА, позволяющий улучшить клинические результаты хирургического лечения больных, перенесших герниопластику (снижение частоты послеоперационных осложнений, сокращение сроков временной нетрудоспособности).
В эксперименте доказаны преимущества деградируемой мононити из ПГА при ушивании мышечно-фасциальных ран, выполнении различных видов межкишечных анастомозов, в частности, энтероэнтеро-, гастроэнтеро- и холецистоэнтероанастомозов.
Впервые в клинической практике рассасывающаяся мононить из ПГА использована для послойного ушивания ран передней брюшной стенки.
Предложен и внедрен в клинику способ лечения механической желтухи с различным уровнем окклюзии внепеченочных желчных протоков с помощью эндобилиарных стентов на основе ПГА и доказана его клиническая эффективность.
Впервые на экспериментальной модели остеомиелита подтверждены костнопластические свойства объемных биодеградируемых имплантатов. Обоснована и клинически доказана эффективность использования матриксов на основе ПГА для лечения больных осложненными переломами верхних и нижних конечностей, в том числе хроническим остеомиелитом, что позволило улучшить результаты хирургического лечения.
Внедрение результатов в практическое здравоохранение.
Предложенные высокотехнологичные изделия медицинского назначения (модифицированные эндопротезы для герниопластики, рассасывающийся моножильный шовный материал, эндобилиарные стенты, объемные полимерные матриксы) используются в работе хирургических отделений МБУЗ ГКБ№7, Дорожной больницы на ст. Красноярск.
Основные положения работы, выносимые на защиту:
Эндопротезы, модифицированные покрытием на основе ПГА, обладают преимуществами в сравнении с коммерческими аналогами, их использование позволяет предотвратить развитие спаечного процесса в брюшной полости и улучшить результаты хирургического лечения грыж передней брюшной стенки.
Мононить из ПГА обладает удовлетворительными физико-механическими и биологическим свойствами, высокой биосовместимостью, пригодна для ушивания кожных и мышечно-фасциальных ран, формирования межкишечных анастомозов разных типов.
Эндобилиарные стенты на основе ПГА пригодны для длительного функционирования при установке во внепеченочные желчные протоки, не вызывают местных патологических реакций, обладают хорошими каркасными свойствами.
Биодеградируемые объемные имплантаты и пломбировочный материал на основе ПГА обладают остеоиндуктивными свойствами и могут быть использованы в качестве костнозамещающего препарата для заполнения костных полостей, в том числе, в условиях гнойной инфекции.
Апробация работы.
Основные положения работы представлены: на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука – третье тысячелетие», г. Красноярск, 2007 г.; на конференции молодых ученых им. акад. Б.С.Гракова «Актуальные вопросы медицины и новые технологии-2008», г. Красноярск, 2008 г.; на I Международной конференции "Современные технологии и возможности реконструктивно-восстановительной и эстетической хирургии", г. Москва, 2008 г.; на Российской научно-практической конференции «Актуальные вопросы современной хирургии», посвященной 60-летию со дня рождения профессора Юрия Семеновича Винника, г. Красноярск, 2008 г.; на юбилейном заседании Красноярского краевого научно-практического общества хирургов, посвященного 100-летию со дня рождения проф. А.М. Дыхно, г. Красноярск, 2009 г.; на заседании Красноярского краевого научно-практического общества хирургов, г. Красноярск, 2009, 2010, 2011 гг.; международной конференции Fundamental and applied researches in medicine and biology, ОАЭ, Дубаи, 2008 г.; на IV Европейском конгрессе по биополимерам, Турция, Кушадасы, 2007 г., на XVII Российском съезде хирургов-гепатологов, г. Екатеринбург, 2009 г., на XI съезде хирургов Российской Федерации, Россия, г. Волгоград, 2011 г., на международном семинаре «Биотехнологии и окружающая среда», г. Красноярск, 2012 г., на IV съезде хирургов Сибири и Дальнего востока, Россия, г. Якутск, 2012 г., Всероссийском симпозиуме молодых ученых «Современные проблемы хирургии и хирургической онкологии», г. Москва, 2012 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликованы 56 научных работ, опубликованных научных изданиях и журналах, в том числе 2 – в международной печати, 18 – в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов ВАК РФ. В 2008 году издана монография «Хирургия грыж передней брюшной стенки». Получено 2 патента РФ на изобретение, 2 патента на полезную модель.
Структура и объем работы.
Диссертация изложена на 380 страницах машинописи и состоит из введения, 7-ми глав собственных исследований, обсуждения результатов и заключения, выводов, практических рекомендаций, списка использованной литературы. В начале диссертации приводится список сокращений, используемых в работе. Библиография включает 285 источников, из них 130 – на русском и 155 – на иностранных языках. Текст иллюстрирован 58 рисунками и 68 таблицами.
Работа выполнена на базах кафедры общей хирургии Красноярского государственного медицинского университета имени проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого, на базе I и II хирургических отделений МБУЗ ГКБ №7 и Дорожной больницы на ст. Красноярск совместно с Институтом биофизики СО РАН и Сибирским федеральным университетом.
