Артро-медуллярное шунтирование при лечении дефектов суставного хряща у животных
advertisement
ОРТОПЕДИЯ УДК 619:617.3 Артро-медуллярное шунтирование при лечении дефектов суставного хряща у животных И.Б. Самошкин, В.Г. Булгаков, Н.С. Гаврюшенко, И.И. Самошкин, А.П. Курпяков, А.А. Зверев, А.В. Голубев, Центр травматологии животных ГУ «Мосветобъединение», ФГУ ЦИТО им. Н.Н. Приорова (Москва) Ключевые слова: антиоксиданты, артро-медуллярный имплантат, дефекты хряща, костный жир, костный мозгостеоартроз, остеоперфорации, суставы Сокращения: ИЛ — интерлейкин, ОА — остеоартроз Введение В настоящее время дегенеративно-дистрофические заболевания суставов являются вызовом для медицины животных и человека, что делает актуальной разработку современных методов их терапевтической и хирургической коррекции [2, 5]. Согласно литературным источникам, для лечения локальных дефектов хряща при травмах и заболеваниях суставов можно выполнять перфорации субхондральной костной пластинки [6, 23]. С этой целью используют ряд хирургических манипуляций: туннелизацию, микропереломы, абразивную обработку дна дефекта хряща. Внутрикостное содержимое, в состав которого входят стволовые клетки костного мозга, заполняет дефект хряща, образуя фибриновый сгусток. В дальнейшем сгусток замещается репаративной тканью, которая по своим свойствам не соответствуют в полной мере гиалиновому хрящу [9, 12]. Остеоперфоративные операции в этом случае направлены на использование внутрикостного содержимого дефектных участков хряща для стимуляции их заживления [11]. В исследованиях выявлено также, что уже на ранних стадиях дегенеративно-дистрофических заболеваний суставов ухудшается трибомеханическая ситуация в сочленении, усиливаются негативные свободнорадикальные реакции в хряще и синовиальной жидкости [13, 22]. В частности, в хрящевой ткани задолго до рентгенологических и клинических проявлений ОА начинается интенсификация переокисления липидов, в ходе которой образуются их токсичные соединения. Они реагируют с коллагеном второго типа, в результате чего усиливается гидролиз последнего матричными металлопротеиназами, что нарушает нормальный метаболизм хрящевой ткани [16]. Значительную часть внутрикостного содержимого составляет желтый костный мозг, одним из компонентов которого является костный жир, жидкий при температуре тела. Он состоит главным образом из триглицеридов и включает в свой состав большое количество жирорастворимых антиоксидантов [4]. Костный жир обладает выраженным лубрикационным эффектом и способен, благодаря наличию антиоксидантов, ингибировать свободнорадикальные реакции [3, 4]. Жидкое состояние, биохимический и антиоксидантный состав костного жира позволяют улучшить сма- 22 зывание суставных поверхностей и корректировать нарушения метаболизма хрящевой ткани при развитии ОА. В этой связи представляется перспективным применение оригинального имплантата, обеспечивающего поступление внутрикостного содержимого в полость пораженных суставов. Цель исследования Определить содержание антиоксидантов в костном жире собак и овец; оценить стабильность и функциональные характеристики оригинального артро-медуллярного имплантата, используемого для поступления собственного костного жира при лечении индуцированных дефектов суставного хряща у животных. Материалы и методы Характеристика имплантата. Сообщение суставной полости с внутрикостным пространством обеспечивалось использованием артро-медуллярного имплантата (артро-медуллярного шунта), представляющего собой перфорированную трубку из титанового сплава ВТ6 (рис. 1) длиной 50…120 мм. Имплантаты имеют винтовую и перфорированную части со сквозным каналом. Винтовая часть имплантата диаметром 9, снабжена приспособлением под инструмент для ввинчивания, а также съемной пробкой. В перфорированной части в зависимости от ее длины расположены два или более овальных боковых отверстия. Артро-медуллярный имплантат разработан ООО «ЦИТОпроект» (г. Москва) и изготовлен в соответствии с ТУ 9398001-95504921-2009 (регистрационное удостоверение № ФСР 2010/08726 от 30 августа 2010 г.). Техника операции. Для исследования отобрали по принципу аналогов 5 собак в возрасте 2…3 лет и 2 овцы в возрасте 1,5…2 года. Собак оперировали под общей анестезией, в положении животного на спине с разогнутой в коленном суставе конечностью. После двукратной обработки операционного поля по Филончикову область сустава широко вскрывали S-образным парапателлярным а б Рис. 1. Артро-медуллярный имплантат: а — в сборе с пробкой внутреннего канала; б — со снятой пробкой Артро-медуллярное шунтирование при лечении дефектов суставного хряща у животных а) б) в) Рис. 2. Этап операции. Коленный сустав собаки (а) и овцы (б, в) с индуцированным повреждением хряща и введенными артромедуллярными имплантатами В ходе экспериментальной апробации предложенного имплантата исследовали содержание антиоксидантов в костном жире беспородных собак и овец. Способ выделения из внутрикостного содержимого костного жира и определение содержание в нем антиоксидантов представлен ранее [4]. Результаты В ходе операции при формировании канала в кости брали внутрикостное содержимое, из которого отделяли центрифугированием костный жир и определяли в нем количество антиоксидантов. Было установлено, что в костном жире беспородных собак (5 животных) содержание антиоксидантов составляет в среднем 0,67 ммоль/л, в костном жире овец — 0,33 ммоль/л. Чтобы имплантат надежно функционировал, необходимо обеспечить его стабильное положение, исключающее контакт с противолежащим хрящом или миграцию ниже хрящевой пластинки. Положение имплантата контролировали рентгенологически в разные сроки после операции. На снимке коленного сустава собаки, выполненным в день оперативного вмешательства (рис. 3а), в области дистального эпифиза и метаэпифиза правой бедренной кости визуализируется имплантат в медуллярном канале. Проксимальный конец имплантата вследствие несколько ошибочного выбора его необходимой длины в первых опытах упирается в эндоост и слегка изогнут по оси. Профиль резьбы артро-медуллярного шунта плотно окружен губчатой костью, визуализируются эллипсовидные боковые отверстия шунта, предназначенные для поступления внутрикостного содержимого в полость коленного сустава. На этапной рентгенограмме через 1 мес после оперативного вмешательства положение артро-медуллярного шунта прежнее (рис. 3б). Четко контурируются боковые отверстия шунта и профиль его резьбы, их просвет свободен от костного содержимого. Признаки асептической нестабильности конструкции отсутствуют. Через 4 мес после операции на этапной рентгенограмме, выполненной в боковой проекции, нет признаков изменения положения имплантата и его асептической нестабильности (рис. 3в). Следует 23 РВЖ • МДЖ • № 3/2011 доступом Пайра. Вывихивали коленную чашку латерально. С помощью хирургической дрели в медиальном мыщелке бедренной кости формировали канал диаметром 3 мм, перфорируя суставной хрящ до субхондральной кости. Далее с помощью долота и травматологического молотка с латерального мыщелка бедренной кости «сбивали» хрящевую пластинку размером 0,5x1,0 см, не повреждая субхондральной кости. Затем с помощью дрели формировали интрамедуллярно канал в межмыщелковой ямке диаметром 6 мм. В канал ввинчивали имплантат таким образом, чтобы его винтовая часть с выходным отверстием располагалась вровень или была несколько ниже поверхности суставного хряща (рис. 2а). В опытах на овцах имплантат вводили под спинальной анестезией. Парапателлярным разрезом вдоль собственной связки надколенника выполняли доступ к межмыщелковой ямке и медиальному мыщелку бедра. Сверлом 6 мм формировали канал в межмыщелковой ямке бедренной кости краниальнее места прикрепления каудальной крестообразной связки. Чтобы избежать контакта с передней крестообразной связкой при полном разгибании сочленения, имплантат вводили в канал с углублением 1 мм (рис. 2б). На нагружаемой поверхности медиального мыщелка бедра, после отграничения зоны дефекта фрезой диаметром 5 мм, индуцировали дефект суставного хряща. Маленькой ложкой Фолькмана выскабливали хрящ из дефекта до обнажения субхондральной костной пластинки. При создании дефекта суставного хряща медиального мыщелка эвакуировали весь неминерализованный хрящ с частичным удалением минерализованного хряща, граничащего с субхондральной костной пластинкой, без повреждения субхондральной кости. При артротомии было установлено, что края дефекта ровные. Дно образовавшейся впадины белесого цвета без выраженного рельефа (рис. 2в). Полость суставов тщательно промывали и ушивали послойно наглухо с восстановлением связочного аппарата надколенника. Чтобы определить положение имплантата и в дальнейшем оценить его стабильность, выполняли этапные рентгеновские снимки суставов с имплантированным устройством. И.Б. Самошкин, В.Г. Булгаков, Н.С. Гаврюшенко, И.И. Самошкин, А.П. Курпяков, А.А. Зверев, А.В. Голубев а) б) в) Рис. 3. Рентгенограмма коленного сустава собаки с имплантатом в день операции (а), через 1 мес (б) и через 4 мес (в) после нее а) б) Рис. 4. Рентгенограмма коленного сустава собаки с имплантатом через 7 мес после операции в прямой (а) и боковой проекции (б) 24 отметить, что какие-либо признаки деформирующего артроза также не визуализируются. На заключительной рентгенограмме через 7 мес, выполненной в кранио-каудальной проекции, артромедуллярный шунт проецируется на медуллярный канал правой бедренной кости (рис. 4а). Разряжения костной ткани по периметру имплантата не отмечено. Латерально относительно шунта визуализируется надколенник. Признаки ОА, а также нестабильности имплантата отсутствуют. На рентгенограмме в боковой проекции имплантат также проецируется на медуллярный канал правой бедренной кости в области дистального эпифиза (рис. 4б). Рарефикация кортикального слоя отсутствует. Признаки, характерные для ОА, не визуализируются. Также нами был проведен анализ рентгенологической семиотики и стабильности имплантатов, введенных в коленный сустав овцы. На рентгенограмме, выполненной в день оперативного вмешательства, в боковой проекции визуализируется металлический имплантат, находящийся в канале бедренной кости (рис. 5а). Дистальная часть имплантата находится в межмыщелковой ямке бедренной кости краниальнее места инсерции каудальной крестообразной связки. Имплантат визуализируется в интрамедуллярном канале бедренной кости и в проксимальной части верхним концом прилежит к эндосту области мета-эпифиза. Спустя 7 мес на рентгенограмме в боковой проекции, выполненной после выведения овцы из эксперимента, имплантат стабилен, вокруг дистальной части резорбция не отмечена (рис. 5б). Проксимальная часть имплантата визуализируется в канале бедренной кости. Боковые отверстия проксимальной части имплантата четко визуализируется. Артро-медуллярное шунтирование при лечении дефектов суставного хряща у животных а) б) Рис. 5. Рентгенограмма коленного сустава овцы с имплантатом в день операции (а) и через 7 мес после нее (б) На соприкасающейся поверхности плато большеберцовой кости повреждений не выявлено, внутренний мениск не поврежден. Выходное отверстие артро-медуллярного шунта плотно прикрыто соединительной тканью. При ее иссечении выявлено заполнение внутреннего канала имплантата соединительнотканным тяжом. При извлечении тяжа четко визуализируется выходное отверстие имплантата. В других отделах сустава патологических изменений не выявлено. Обсуждение Хирургическое лечение локальных травматических и дегенеративных дефектов суставного хряща путем остеоперфораций подлежащей к дефекту субхондральной кости направлено на мобилизацию стволовых клеток костного мозга. В настоящее время специалисты продолжают выяснять преимущества различных остео- Рис. 6. Свободное выходное отверстие шунта, окружающий хрящ и мыщелки коленного сустава собаки через 7 мес после операции 25 РВЖ • МДЖ • № 3/2011 По результатам макроскопической оценки оперированных суставов было установлено следующее. В суставе собаки выполненный без повреждения субхондральной кости дефект хрящевой пластинки латерального мыщелка бедренной кости размером 0,5x1,0 см не визуализируется. Перфорационный дефект суставного хряща с повреждением субхондральной кости медиального мыщелка бедренной кости заполнен тканью, упругой при нажатии инструментом (рис. 6). Визуально вновь образованная ткань не отличалась от окружающего гиалинового хряща, однако отмечена некоторая неровность заполнения дефекта по окружности прилегающего хряща (до 2 мм). На плато большеберцовой кости повреждений не выявлено, внутренний мениск не поврежден. В межмыщелковой ямке определяется выходное отверстие внутреннего канала артро-медуллярного шунта, заполненного жидким содержимым. Артромедуллярный шунт плотно фиксирован в межмыщелковой ямке, присутствие соединительнотканной капсулы вокруг видимой выходной части артро-медуллярного шунта не выявлено. Края выходного отверстия шунта не выступают за уровень окружающего хряща. Через 7…10 мес после имплантации артро-медуллярного шунта из эксперимента были выведены 2 овцы. На рисунке 7 представлена макрофотография оперированного сустава экспериментального животного. Индуцированный дефект суставной поверхности четко визуализируется. Размер дефекта не изменился, края сглажены за счет истончения прилегающего хряща. Дно дефекта закрыто тонким слоем светлой (возможно, соединительной) ткани, упругой при нажатии инструментом. И.Б. Самошкин, В.Г. Булгаков, Н.С. Гаврюшенко, И.И. Самошкин, А.П. Курпяков, А.А. Зверев, А.В. Голубев а) б) Рис. 7. Макропрепарат коленного сустава овцы с имплантатом через 7 мес после имплантации шунта: а — покрытое соединительной тканью место выходного отверстия имплантата; б — извлечение мягкотканого тяжа из канала имплантата перфоративных методов. Полученные данные противоречивы. Среди достоинств метода микропереломов (микрофрактурирования) отмечают простоту его выполнения, недорогое хирургическое оборудование, лучшую сохранность субхондральной костной пластинки, отсутствие негативного теплового воздействия на ткани [21]. В тоже время в эксперименте при оценке через 1 сут результатов применения методов микропереломов или туннелизации с охлаждением установлены преимущества второго способа. Они заключались в большей сохранности костной ткани, прилегающей к каналам, лучшей доступности через сформированные каналы внутрикостного содержимого, отсутствии негативного воздействия на костные клетки тепла, выделяющегося во время сверления кости [10]. Вместе с тем, выполнение микрофрактурирования с введением в дефект матрикса из коллагена II типа улучшает качество заполнение дефекта по сравнению с использованием только микрофрактурирования [8]. К настоящему времени установлено, что развитие ОА сопровождается выраженными негативными структурными и метаболическими изменениями в подлежащей к дефектам хряща субходральной и губчатой кости [1, 7]. В ней выявляют участки отека костного мозга, регистрируют повышенную секрецию провоспалительных цитокинов, других воспалительных медиаторов [17, 20]. Важно отметить, что в опытах in vitro установлено ингибирующее действие провоспалительного цитокина ИЛ-1 на процессы пролиферации и дифференцировки мезенхимальных стволовых клеток костного мозга [14]. Изложенные литературные данные свидетельствуют в пользу применения при лечении ОА внутрикостного содержимого из здоровых, неповрежденных участков суставного хряща, возможно, с параллельным выполнением остеоперфораций в дефектных участках хряща. Именно эту цель преследует использование артромедуллярного шунта. Он предназначен для фиксации в редко поражаемой области хряща — межмыщелковой ямке бедренной кости и обеспечения достаточно длительного поступления в полость сустава внутрикостного содержимого, в т. ч. костного жира. Проведенный 26 анализ выявил высокое содержание антиоксидантов в костном жире животных: у собак их количество в костном мозге выше примерно в 20 раз, чем в плазме крови [19]. При таком значительном содержании антиоксидантов костный жир при его поступлении в суставную полость способен существенно ингибировать негативные свободнорадикальные реакции в тканях сустава. Что касается надежности фиксации имплантатов, то, независимо от вида животных, в течение всего имплантационного периода миграция отсутствовала. Опыты на собаках и овцах выявили различные результаты в плане облитерации канала. Если в опытах на овцах отмечено полное закрытие выходного отверстия канала через 7 мес нахождения устройства в суставе, то имплантат, установленный в коленный сустав экспериментальной собаки, через такой же срок имел свободное выходное отверстие. Причиной этого различия может быть более глубокая установка имплантата относительно суставной поверхности в опытах на овцах, не препятствующая последующему соединительнотканному покрытию выходного отверстия устройства. Однако причиной могут быть видовые особенности: различная пролиферативная способность стволовых клеток этих видов животных. Например, показано, что для оптимальной пролиферации и скорости роста in vitro для стволовых клеток костного мозга 5 линий мышей требуются различные по составу культуральные среды [18]. Мезенхимальные стволовые клетки человека, овцы и кролика, выделенные из жировой ткани, обнаружили видовые различия в пролиферативной активности и способности к дифференциации в хондроцитарном направлении [15]. Точные причины обнаруженного различия в тканевой реакции экспериментальных животных на имплантированное устройство нуждаются в дальнейшем изучении. Заключение Разработанные артро-медулярные имплантаты (50…120 мм) благодаря своим конструктивным особенностям и размерам пригодны для фиксации в коленном суставе собак, овец и других животных. Проксимальная часть имплантата располагается в костномозговом канале бедренной кости, обеспечивая через выходное Артро-медуллярное шунтирование при лечении дефектов суставного хряща у животных отверстие дистальной резьбовой части сообщение внутрикостного пространства и суставной полости. Рентгенологически установлена стабильность имплантата в течение 7 мес, без признаков ОА и разряжения костной ткани по периметру имплантата. Выявлены раз- личия в продолжительности функционирования проводящего канала имплантата вследствие его облитерации при установке в коленные суставы собак и овец, что позволяет конкретизировать показания к его применению в ветеринарной практике. Библиография 12. Frisbie D.D., Oxford J.T., Southwood L., Trotter G.W., Rodkey W.G., Steadman J.R., Goodnight J.L., McIlwraith C.W. Early events in cartilage repair after subchondral bone microfracture. // Clin Orthop Relat Res., 2003; (407): 215—227. 13. Hills B.A., Monds M.K. Deficiency of lubricating surfactant lining the articular surfaces of replaced hips and knees // Br J Rheumatol., 1998; 37(2):143—147. 14. Lange J., Sapozhnikova A., Lu C., Hu D., Li X., Miclau T3rd, Marcucio R.S. Action of IL-1beta during fracture healing // J Orthop Res. 2010; 28(6): 778—784. 15. Martinez-Lorenzo M.J., Royo-Canas M., Alegre-Aguaron E., Desportes P., Castiella T., Garcia-Alvarez F., Larrad L. Phenotype and chondrogenic differentiation of mesenchymal cells from adipose tissue of different species. // J Orthop Res. 2009; 27(11): 1499—1507 16. Morquette B., Shi Q., Lavigne P., Ranger P., Fernandes J.C., Benderdour M. Production of lipid peroxidation products in osteoarthritic tissues: new evidence linking 4-hydroxynonenal to cartilage degradation // Arthritis Rheum., 2006; 54(1): 271-281. 17. Ogino S., Sasho T., Nakagawa K., Suzuki M., Yamaguchi S., Higashi M., Takahashi K., Moriya H. Detection of pain-related molecules in the subchondral bone of osteoarthritic knees // Clin Rheumatol., 2009; 28(12): 1395—1402. 18. Peister A., Mellad J.A., Larson B.L., Hall B.M., Gibson L.F., Prockop D.J. Adult stem cells from bone marrow (MSCs) isolated from different strains of inbred mice vary in surface epitopes, rates of proliferation, and differentiation potential. // Blood, 2004; 103(5):1662— 1668. 19. Qureshi A.A., Karpen C.W., Qureshi N., Papasian C.J., Morrison D.C., Folts J.D. Tocotrienols-induced inhibition of platelet thrombus formation and platelet aggregation in stenosed canine coronary arteries. // Lipids in Health and Disease, 2011; 10(1): 58. 20. Schett G. Bone marrow edema // Ann N Y Acad Sci., 2009; 1154: 35—40. 21. Sledge S.L. Microfracture techniques in the treatment of osteochondral injuries. // Clin Sports Med., 2001; 20(2): 365-377. 22. Spreng D., Sigrist N., Jungi T., Busato A., Lang J., Pfister H., Schawalder P. Nitric oxide metabolite production in the cranial cruciate ligament, synovial membrane, and articular cartilage of dogs with cranial cruciate ligament rupture // Am J Vet Res., 2000; 61(5):530—536. 23. Steinwachs M.R., Guggi Th., Kreuz P.C. Marrow stimulation techniques. // Injury, 2008; 1: S26—S31. SUMMARY I.B. Samoshkin, V.G. Bulgakov, N.S. Gavrushenko, I.I. Samoshkin, A.P. Kurpyakov, A.A. Zverev, A.V. Golubev. Arthromedullary bypass at treatment of articular cartilage defects at animals. Developed arthro6medullary implants thanks to the design and the sizes are suitable for installation in a knee joint of dog, sheep and other ani6 mals. The proximal part of an implant is established in the medullary canal of a femur, providing through a distal outlet the connection of intraosseous space and an articular cavity and inflow bone fat. The analysis has revealed the high content of antioxidants in bone fat of animals. The X6ray analysis has confirmed implant stability in 7 months after operation without signs of ОА and bone rarefication. Distinctions in an obliteration of the inner canal implant are revealed at implantation in knee joints of dogs and sheep that allows giving indications to its application in vet6 erinary practice. 27 РВЖ • МДЖ • № 3/2011 1. Алексеева Л.И., Зайцева Е.М. Субхондральная кость при остеоартрозе: новые возможности терапии // Русский медицинский журнал, 2004; 12 (20): 1133—1336. 2. Берглезов М.А., Андреева Т.М. Остеоартроз (этиология, патогенез) // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова, 2006; 4: 79—86. 3. Булгаков В.Г., Ильина В.К., Гаврюшенко Н.С., Омельяненко Н.П., Цепалов В.Ф. Антипролиферативное действие радикалообразующих и инертных частиц износа ортопедических материалов и его ингибирование костным жиром // Перспективные материалы, 2004; 6: 36—42. 4. Гаврюшенко Н.С., Булгаков В.Г. Выявление и оценка роли артро-медуллярной связи в функционировании суставов человека (экспериментальное исследование) // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова, 2001; 2: 72—75. 5. Самошкин И.Б. Индуцированный гонартроз у собак и его морфологическая характеристика // Мат-лы научной учебно-методической конференции, МГАВМиБ им. К.И. Скрябина, 2004. 6. Эйсмонт О.Л., Борисов А.Б., Малюк Б.И., Букач Д.В. Артроскопическая диагностика и лечение локальных повреждений хряща коленного сустава // Ортопедия, травматология и протезирование, 2007; 3: 111—116. 7. Beuf O., Ghosh S., Newitt D.C., Link T.M., Steinbach L., Ries M., Lane N., Majumdar S. Magnetic resonance imaging of normal and osteoarthritic trabecular bone structure in the human knee. // Arthritis Rheum., 2002; 46(2): 385—393. 8. Breinan H.A., Martin S.D., Hsu H.P., Spector M. Healing of canine articular cartilage defects treated with microfracture, a type-II collagen matrix, or cultured autologous chondrocytes // J Orthop Res., 2000; 18(5): 781—789. 9. Buckwalter J.A., Martin J.A., Olmstead M., Athanasiou K.A., Rosenwasser M.P., Mow V.C. Osteochondral repair of primate knee femoral and patellar articular surfaces: implications for preventing post-traumatic osteoarthritis. // Iowa Orthop J., 2003; 23: 66—74. 10. Chen H., Sun J., Hoemann C.D., Lascau-Coman V., Ouyang W., McKee M.D., Shive M.S., Buschmann M.D. Drilling and microfracture lead to different bone structure and necrosis during bone-marrow stimulation for cartilage repair. // J Orthop Res., 2009; 27(11): 1432—1438. 11. Elvenes J., Knutsen G., Johansen O., Moe B.T., Martinez I. Development of a new method to harvest chondroprogenitor cells from underneath cartilage defects in the knees // J Orthop Sci., 2009; 14(4): 410—417.
