CC BY
15
УДК 616.77
ИЗМЕНЕНИЕ ГЕМАТОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КРОВИ КРЫС ПОСЛЕ ИМПЛАНТАЦИИ ТИТАНОВЫХ ИЗДЕЛИЙ С АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫМ ЛЕКАРСТВЕННЫМ ПОКРЫТИЕМ
Е. С. Андреева1, А. Д. Кручинина2
1,2Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
[email protected] [email protected]
Аннотация. Отражены результаты исследования динамики изменения гематологических параметров крови крыс в рамках исследования биологической совместимости антибактериального полимерного покрытия медицинских изделий из титана. Объектом исследования выступают титановые блоки с нанесенным на их поверхность биоразлагаемым полимером, содержащим антибактериальный препарат. С точки зрения биосовместимости и влияния на гематологические параметры лабораторных животных были исследованы четыре типа антибактериальных покрытий, содержащих два полимера-носителя и антибиотик ванкомицин в различных концентрациях. Полученные в ходе исследования данные говорят о потенциально высокой биологической совместимости покрытия и возможном дальнейшем его использовании в биологии и медицине.
Ключевые слова: гематологические показатели, титановые импланты, биологическая совместимость, полимерный носитель, полилактид, полилактид-ко-гликолид, антибактериальный препарат, ванкомицин
Для цитирования: Андреева Е. С., Кручинина А. Д. Изменение гематологических показателей крови крыс после имплантации титановых изделий с антибактериальным лекарственным покрытием // Вестник Пензенского государственного университета. 2021. №2. С. 49-53.
Дегенеративные заболевания костной ткани и суставов являются одной из главных проблем современной ортопедии. Во многих случаях пациентам с такими заболеваниями необходимо эндопротезирование. С оперативным вмешательством при протезировании связана проблема инфицирования области вмешательства. Для ее предотвращения необходимо соблюдение всех мер асептики, а также применение антибактериальной профилактики, однако добиться достаточно высоких концентраций антибактериального препарата локально при его приеме внутрь непросто. Возможный вариант решения этой проблемы - нанесение полимерного покрытия с антибактериальным препаратом непосредственно на сам протез. Кроме того, что подобное покрытие обеспечивает адресную доставку лекарственного препарата непосредственно в зону оперативного вмешательства, оно позволяет регулировать сроки и скорость высвобождения антибиотика путем изменения состава полимера-носителя [1, с. 418]. Однако такое покрытие не должно оказывать отрицательного влияния на органы и ткани и не должно иметь токсического эффекта. Иными словами, данное покрытие должно быть максимально биологически совместимым.
Цель данного исследования заключается в изучении динамики изменений гематологических параметров крови крыс после имплантации титанового блока с нанесенным на его поверхность полимерным антибактериальным покрытием в рамках определения
© Андреева Е. С., Кручинина А. Д., 2021
биологической совместимости покрытий с различным составом полимерного носителя и разными концентрациями антибактериального препарата. В задачи исследования входит:
1. Нанесение антибактериального биоразлагаемого полимерного покрытия на титановые блоки.
2. Изучение динамики изменений гематологических параметров лабораторных животных после подкожной имплантации титановых блоков с различными покрытиями.
В качестве объекта исследования выступали образцы имплантов в виде титановых блоков высотой 1 мм и диаметром 6 мм. Нанесение антибактериального покрытия производилось методом ультразвукового напыления, после чего блоки подвергались сушке при комнатной температуре в течение 48 ч.
Предметом исследования является динамика изменений гематологических показателей крови животных на разных сроках после имплантации.
Для того, чтобы сравнить биологическую совместимость покрытий, в качестве носителя для антибактериального препарата применялись два полимера: полилактид-ко-гликолид (РЬОЛ) с содержанием сополимеров 50:50 и полилактид (РЬЛ). Вторым компонентом покрытия выступал антибактериальный препарат в двух различных концентрациях, в обоих случаях был использован ванкомицин. В соответствии с этим были сформированы четыре опытные группы для исследования возможных комбинаций матричного полимера и концентрации антибиотика:
1. Опытная группа 1 - РЬОЛ 50:50 с итоговым содержанием ванкомицина 30 ± 5 мкг/мм2.
2. Опытная группа 2 - РЬОЛ 50:50 с итоговым содержанием ванкомицина 60 ± 10 мкг/мм2.
3. Опытная группа 3 - РЬЛ с итоговым содержанием ванкомицина 30 ± 5 мкг/мм2.
4. Опытная группа 4 - РЬЛ с итоговым содержанием ванкомицина 60 ± 10 мкг/мм2.
Контрольной группе животных имплантировались титановые блоки того же размера, но не имеющие полимерного антибактериального покрытия.
Полилактид - полиэфир молочной кислоты, широко применяемый в биотехнологии и медицине благодаря своей нетоксичности, термопластичности и способности к быстрой биодеградации [2, с. 2].
Полилактид-ко-гликолид также является биоразлагаемым полимерным материалом. По своей структуре представляет собой сополимер полилактида с гликолидом -продуктом полимеризации лактида гликолевой кислоты. Волокна гликолида обладают высокой прочности, и, варьируя содержание сополимеров в РЬОЛ, можно добиться различной скорости деградации полимера в организме и высвобождения антибактериального препарата. Существует крупное семейство сополиэфиров, обладающих свойствами, варьирующими в определенном диапазоне [3, с. 30-31].
Так как согласно теоретическим данным полное разрушение биоразлагаемого полимерного покрытия в организме происходит за 4-9 недель, для исследования токсических эффектов был выбран период до трех месяцев после оперативного вмешательства с учетом возможного кумулятивного эффекта [4, с. 57]. В каждую группу вошло по 10 животных, 5 самцов и 5 самок. Это необходимо для проверки наличия или отсутствия различий в динамике показателей крови. Таким образом, всего в эксперименте принимало участие 50 белых беспородных крыс.
Ванкомицин - гликопептидный антибиотик трициклической группы. Активен в отношении грамположительных микроорганизмов, причем как аэробных, так и анаэробных. В то же время большая молекулярная масса препятствует его прохождению
сквозь клеточную стенку грамотрицательных микроорганизмов, а также грибов и простейших, в связи с чем ванкомицин не оказывает существенного влияния на эти группы организмов. Также неактивен в отношении вирусов. При длительном применении способен кумулироваться в тканях. Выводится из организма почками в неизменном виде [5].
В рамках исследования проводилась подкожная имплантация титановых блоков. Для этого вдоль средней линии спины формировались подкожные карманы, в которые вживлялись стерильные блоки. Все манипуляции проводились на предварительно акклиматизированных и прошедших карантин в течение 14 дней в виварии животных, с учетом правил асептики, под общей анестезией. Условия содержания животных и проведения всех необходимых процедур соответствуют ГОСТ Р ИСО 10993-2 «Требования к обращению с животными»1 и ГОСТ Р ИСО 10993-6 «Исследование местного действия после имплантации»2.
После оперативного вмешательства трижды производился забор крови посредством пункции хвостовой вены животного. Забор крови осуществлялся через одну неделю, через четыре недели и через три месяца после операции для сравнения результатов. Анализ крови производился также и до имплантации для того, чтобы убедиться в здоровье животных, и для использования полученных данных как образца для сравнения.
Исследуемые гематологические показатели: гемоглобин, гематокрит, протромби-новое время, АЧТВ, уровень тромбоцитов, эритроцитов, лейкоцитов (в том числе лимфоцитов, моноцитов, базофилов, нейтрофилов, эозинофилов).
Статистически значимой разницы между гематологическими показателями крови самцов и самок выявлено не было.
Как видно из табл. 1 и 2, большинство гематологических показателей после имплантации находятся в пределах нормы или лишь незначительно отклоняются от нее.
Таблица1
Гематологические показатели крыс до и после имплантации титановых блоков с антибактериальным покрытием на основе РЬОЛ (опытные группы 1 и 2)
Показатель, единицы измерения До имплантации После имплантации
Одна неделя Четыре недели Три месяца
Опытная группа 1 Опытная группа 2 Контрольная группа Опытная группа 1 Опытная группа 2 Контрольная группа Опытная группа 1 Опытная группа 2 Контрольная группа
Гемоглобин, г/л 118 ± 4 118 ± 3,2 119 ± 2,2 123 ± 3,8 117 ± 5,1 118±4,8 120 ± 3,8 118 ± 3,1 119 ± 3,3 118 ± 4
Гематокрит, % 40 ± 2 41 ± 3 40 ± 4 42 ± 2 40 ± 3 40±2 41 ± 2 40 ± 3 40 ± 2 40 ± 2
Протромбиновое время, с 22 ± 1 20 ± 1 21 ± 1 22 ± 1 21 ± 2 21±2 21 ± 1 22 ± 1 22 ± 1 23 ± 1
АЧТВ, с 19 ± 1 19 ± 1 21 ± 1 21 ± 1 18 ± 1 19±1 20 ± 1 19 ± 1 19 ± 1 19 ± 1
Тромбоциты, *109/л 562 ± 18 527 ± 21 539 ± 24 519 ± 18 537 ± 13 538±19 543 ± 16 559 ± 17 565 ± 18 560 ± 19
Эритроциты, *1012/л 8,3 ± 0,4 8,2 ± 0,5 8,3 ± 0,6 8,1 ± 0,5 8,1 ± 0,6 8,2±0,5 8,0 ± 0,7 8,3 ± 0,3 8,2 ± 0,3 8,3 ± 0,3
Лейкоциты, *109/л 7,1 ± 0,1 13,3 ± 0,7 13,8 ± 0,5 12,7 ± 0,7 7,7 ± 0,4 7,9±0,6 7,8 ± 0,5 7,1 ± 0,2 7,1 ± 0,1 7,2 ± 0,1
Лимфоциты, % 65 ± 0,5 51,7 ± 1,7 52,9 ± 1,8 51,2 ± 2,1 62,3 ± 0,5 63,1±0,8 63 ± 0,7 63,9 ± 0,5 65 ± 0,5 64 ± 0,4
Моноциты, % 6,5±0,3 4,1±0,4 4,0±0,5 3,9±0,5 4,7±0,4 5,1±0,3 4,9±0,4 6,5±0,3 6,2±0,4 6,4±0,3
Базофилы, % 0,7±0,1 0,9±0,1 0,8±0,1 0,8±0,1 0,8±0,1 0,7±0,1 0,7±0,1 0,7±0,1 0,7±0,1 0,6±0,1
Эозинофилы, % 2,0±0,1 2,1±0,2 2,2±0,1 2,2±0,2 2,1±0,2 2,1±0,1 2,2±0,1 2,0±0,1 2,1±0,1 2,0±0,1
Нейтрофилы, % 25,8±0,4 39,9±0,7 39,1±0,6 40,2±0,7 28,2±0,5 27,8±0,5 27±0,7 26,0±0,5 25,4±0,7 25,3±0,6
1 ГОСТ Р ИСО 10993-2-2011. Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Ч. 2. Требования к обращению с животными. М. : Стандартинформ, 2011. С. 8.
2 ГОСТ Р ИСО 10993-6-2011. Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Ч. 6. Исследование местного действия после имплантации. М. : Стандартинформ, 2011. С. 4-5.
Таблица 2
Гематологические показатели крыс до и после имплантации титановых блоков с антибактериальным покрытием на основе РЬЛ (опытные группы 3 и 4)
Показатель, единицы измерения До им-плантации После имплантации
Одна неделя Четыре недели Три месяца
Опытная группа 3 Опытная группа 4 Контрольная группа Опытная группа 3 Опытная группа 4 Контрольная группа Опытная группа 3 Опытная группа 4 Контрольная группа
Гемоглобин, г/л 118 ± 4 119 ± 3,4 118 ± 2,8 123 ± 3,8 117 ± 4,3 118 ± 3,9 120 ± 3,8 118 ± 3,8 118 ± 3 118 ± 4
Гематокрит, % 40 ± 2 41 ± 4 41 ± 3 42 ± 2 41±2 40 ± 2 41 ± 2 40 ± 1 40 ± 2 40 ± 2
Протромбиновое время, с 22 ± 1 21 ± 2 20 ± 1 22 ± 1 21±1 20 ± 2 21 ± 1 22 ± 1 23 ± 1 23 ± 1
АЧТВ, с 19 ± 1 18 ± 1 19 ± 1 21 ± 1 19±1 18 ± 1 20 ± 1 20 ± 1 19 ± 1 19 ± 1
Тромбоциты, *109/л 562 ± 18 531 ± 23 527 ± 25 519 ± 18 541±14 545 ± 17 543 ± 16 564 ± 13 561 ± 17 560 ± 19
Эритроциты, *1012/л 8,3 ± 0,4 8,2 ± 0,4 8,1 ± 0,6 8,1 ± 0,5 8,2±0,5 8,3 ± 0,5 8,0 ± 0,7 8,4 ± 0,3 8,3 ± 0,4 8,3 ± 0,3
Лейкоциты, *109/л 7,1 ± 0,1 12,9 ± 0,6 13,6 ± 0,3 12,7 ± 0,7 7,9±0,3 7,6 ± 0,7 7,8 ± 0,5 7,2 ± 0,1 7,1 ± 0,2 7,2 ± 0,1
Лимфоциты, % 65 ± 0,5 52,3 ± 1,5 50,8 ± 2,2 51,2 ± 2,1 61,9±0,8 63,3 ± 0,9 63 ± 0,7 66 ± 0,8 64,5 ± 0,6 64 ± 0,4
Моноциты, % 6,5 ± 0,3 4,0 ± 0,3 4,1 ± 0,5 3,9 ± 0,5 4,9±0,5 5,2 ± 0,4 4,9 ± 0,4 6,6 ± 0,3 6,3 ± 0,2 6,4 ± 0,3
Базофилы, % 0,7 ± 0,1 0,7 ± 0,3 0,8 ± 0,2 0,8 ± 0,1 0,7±0,1 0,8 ± 0,1 0,7 ± 0,1 0,7 ± 0,2 0,7 ± 0,1 0,6 ± 0,1
Эозинофилы, % 2,0 ± 0,1 2,1 ± 0,1 2,0 ± 0,2 2,2 ± 0,2 2,0±0,2 2,1 ± 0,2 2,2 ± 0,1 2,0 ± 0,2 2,1 ± 0,1 2,0 ± 0,1
Нейтрофилы, % 25,8 ± 0,4 40,3 ± 0,5 39,3 ± 0,7 40,2 ± 0,7 29,1±0,3 26,7 ± 0,5 27 ± 0,7 25,9 ± 0,5 25,8 ± 0,7 25,3 ± 0,6
Наибольшие колебания претерпевает уровень лейкоцитов - через одну неделю после операции он увеличился в среднем на 90 %. Лейкоцитоз развивается за счет увеличения количества нейтрофилов, что говорит о протекании реакций фагоцитоза и развитии воспаления в ответ на вживление инородного тела. Снижение уровня лейкоцитов до близкого к норме через месяц после имплантации свидетельствует об успешно протекающих регенеративных процессах (рис. 1, 2).
Лейкоциты
200 % 175 %
150 %
125 %
100 %
75 %
50 %
25 %
- Опытная группа 1
- Опытная группа 2
Опытная группа 3
Опытная группа 4
- Контрольная группа
до имплантации
одна неделя
четыре недели
три месяца
Рис. 1. Динамика колебаний общего уровня лейкоцитов в крови крыс после подкожной имплантации титановых блоков с антибактериальным покрытием
Нейтрофилы
200 % 175 %
150 % 125 % 100 % 75 % 50 % 25 % 0 %
- Опытная группа 1
- Опытная группа 2
Опытная группа 3
Опытная группа 4
- Контрольная группа
до имплантации
одна неделя
четыре недели
три месяца
Рис. 2. Динамика колебаний уровня нейтрофилов в крови крыс после подкожной имплантации титановых блоков с антибактериальным покрытием
Таким образом, можно сделать вывод о предположительно высокой биологической совместимости антибактериальных лекарственных покрытий как на основе PLGA, так и на основе PLA, вне зависимости от используемой концентрации ванкомицина. Изменения гематологических показателей в постимплантационный период свидетельствуют о естественной местной воспалительной реакции организма на нарушение целостности тканей и вживление инородного тела и носят адаптационный характер.
Список литературы
1. Клюшин Н. М., Ермаков А. М., Науменко З. С., Абабков Ю. В. Этиология острой перипро-тезной инфекции суставов и результаты ее хирургического лечения // Гений ортопедии. 2017. Т. 23, № 4. С. 417-422.
2. Тимченко Т. В., Щербакова Л. И., Компанцев В. А. Поли-й,1-лактид-ко-гликолид: методы получения, свойства и использование для разработки лекарственных препаратов со средствами микро- и нанодоставки // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 4. C. 1-11.
3. Кузнецова И. Г., Северин С. Е. Использование сополимера молочной и гликолевой кислот для получения наноразмерных лекарственных форм // Разработка и регистрация лекарственных средств. 2013. № 5. C. 30-38.
4. Любченко О. Д., Кручинина А. Д., Шатров А. Н. Кинетика деградации антипролифера-тивного полимерного покрытия стентов в условиях in vitro // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. 2015. № 2. С. 55-61.
5. Ванкомицин (Vancomycinum). URL: https://www.rlsnet.ru
Информация об авторах
Андреева Елена Сергеевна, студентка, Пензенский государственный университет.
Кручинина Анастасия Дмитриевна, кандидат биологических наук, доцент, доцент кафедры «Общая биология и биохимия», Пензенский государственный университет.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
