CC BY
22
УДК 616.728.2-002-089.22-089.844-092.9
О РЕПАРАТИВНОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ КОСТНЫХ СТРУКТУР В УСЛОВИЯХ ГНОЙНОГО ДЕСТРУКТИВНОГО КОКСИТА (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ)
Герман Григорьевич ДЗЮБА, Владимир Павлович КОНЕВ, Леонид Борисович РЕЗНИК, Сергей Александрович ЕРОФЕЕВ
ГБОУ ВПО Омский государственный медицинский университет Минздрава России 644099, г. Омск, ул. Ленина,12
Цель исследования - изучить репаративную регенерацию костной ткани в условиях деструктивного гнойного коксита при санации с использованием антибактериального спейсера. Материал и методы. Эксперименты выполнены на 15 беспородных собаках, метод исследования - световая микроскопия гистотопограмм. Результаты и обсуждение. Прослежена динамика репаративных процессов костной ткани на модели деструктивного гнойного коксита при санации воспалительного процесса с использованием артикулирующего антибактериального спейсера. Санация пораженных гнойным процессом костных структур завершается их гипертрофической остеорепарацией и окончательной перестройкой кости через 90-120 суток.
Ключевые слова: репаративная регенерация, гнойный деструктивный коксит, артикулирующий антибактериальный спейсер.
В последнее десятилетие потребность в эн-допротезировании, в связи с дегенеративно-дистрофическими заболеваниями крупных суставов, постоянно растет. Несмотря на эффективность и высокие реабилитационные возможности тотального эндопротезирования, сохраняется достаточно высокий риск послеоперационных осложнении. Если не считать летальности от легочной эмболии, то инфекция после тотального эндопро-тезирования представляет собой самое тяжелое осложнение этой операции [10] и составляет от 1,4 до 5,9 % [4, 13], а само присутствие инородного тела (эндопротеза) является условием для прогрессирования инфекционного, а значит, и деструктивного процесса. При гематогенной форме хронического остеомиелитического процесса длинных костей доказан факт возобновления репаративных процессов костных структур [5]. Однако к настоящему времени отсутствуют морфологические данные, позволяющие объективно оценить баланс воспалительных и репаративных процессов в костных структурах тазобедренного сустава при лечении хирургической инфекции различной этиологии.
Предпочтительным вариантом ортопедического лечения инфекции эндопротезированно-го тазобедренного сустава является применение
антибактериальных спейсеров, необходимость которых в подавлении инфекции в достаточной мере исследована и доказана [9, 11, 12]. При этом неизученным является эффективность применения спейсеров при других вариантах хирургической инфекции тазобедренного сустава с точки зрения общебиологических закономерностей, открытых Г.А. Илизаровым, и широко изученных при консолидации открытых травматических переломов трубчатых и плоских костей, лечении инфицированных ложных суставов и дефектов костей в условиях компрессионно-дистракцион-ного остеосинтеза [3, 8].
Основной гипотезой исследования является предположение о том, что применение антибактериального артикулирующего спейсера обеспечивает купирование инфекционного процесса и превалирование восстановительных и регенеративных процессов над деструктивными. Создание доказательной экспериментальной базы выдвинутого предположения представляет принципиальный интерес, является новым и актуальным.
Цель исследования - оценить возможности и изучить особенности репаративной регенерации вертлужной впадины и проксимального отдела бедренной кости в условиях деструктивного
Дзюба Г.Г. - к.м.н., доцент кафедры травматологии и ортопедии, e-mail: [email protected] Конев В.П. - д.м.н., проф., зав. кафедрой судебной медицины с курсом правоведения Резник Л.Б. - д.м.н., проф., зав. кафедрой травматологии и ортопедии, e-mail: [email protected] Ерофеев С.А. - д.м.н., проф., проф. кафедры травматологии и ортопедии
гнойного коксита при санации воспалительного процесса с использованием артикулирующего антибактериального спейсера.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Выполнена серия экспериментов на 15 беспородных собаках обоих полов. У всех животных получена разработанная нами экспериментальная модель гнойного коксита [6] с верифицированной клинически, лабораторно и рентгенологически деструкцией костных структур вертлужной впадины, головки и шейки бедренной кости, затем выполнялось оперативное лечение в объеме артротомии, санации проксимального отдела бедренной кости путем ее резекции на уровне базального отдела шейки, вертлужной впадины -экономной резекцией инфицированной кости с помощью остеотомов и костных фрез. Замещение удаленных костных структур выполнялось артикулирующим антибактериальным цементным спейсером [7]. Последний изготавливался интра-операционно из полиметилметакрилата (костного цемента), содержащего антибиотик (гента-мицин), армировался предизогнутым стержнем типа Богданова и устанавливался в костно-мозго-вой канал бедренной кости цементным способом фиксации. Собаки выводились из эксперимента на 14-, 30-, 60-, 90- и 120-е сутки после санирующей операции. Исследования выполнялись с соблюдением принципов гуманности, изложенных в директивах Европейского сообщества (86/609/ ЕЕС) и Хельсинкской декларации Всемирной Медицинской ассоциации 2000 г., в соответствии с «Правилами проведения работ с использованием экспериментальных животных». Для гистологического исследования из вертлужной впадины и проксимального отдела бедренной кости по общепринятой методике изготавливали гистото-пографические срезы толщиной 20-25 мкм, которые окрашивались гематоксилином и эозином и по Ван-Гизону.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При морфологическом исследовании через три недели после моделирования деструктивного коксита в костных структурах вертлужной впадины, головки бедренной кости отмечались очаги некроза костной ткани с выраженными воспалительными инфильтратами, преимущественно мононуклеарно-лейкоцитарными.
На 14-е сутки после санирующей операции гистологическая картина у всех животных была практически идентичной. В области локализации основного патологического инфекционного
процесса, а именно дне вертлужной впадины, компактная костная пластинка теряла монолитность и была представлена отдельными костными фрагментами, промежутки между которыми заполнялись соединительной тканью (рис. 1, а). Обнаруженные множественные костные секвестры площадью 1-2 мм2 локализовались преимущественно в области постостеомиелитического дефекта (рис. 1, в). На фоне выраженной деструктивной реакции регенераторные процессы в этой области не определялись. В области костного дефекта дна вертлужной впадины гиалиновый хрящ был полностью замещен волокнистой слабо вас-куляризированной соединительной тканью с неорганизованными беспорядочно ориентированными пучками волокон, в которой наблюдались очаги лейкоцитарной инфильтрации и некрозов. Особенностью гистологической картины являлась слабая васкуляризация соединительной ткани на фоне общего относительно значительного ее объема. В большом количестве определялись лишенные интимы сосуды малого калибра с атрофированным мышечным слоем и гипертрофированной адвентицией. Ряд сосудов был тромбиро-ван. В связи с недостаточностью кровоснабжения даже в участках, находящихся в непосредственной близости от сосудов, были обнаружены не-кротизированные участки ткани (рис. 1, г). Гисто-топографическая картина проксимального отдела бедренной кости в целом соответствовала таковой в вертлужной впадине. Порозная и утолщенная кортикальная пластинка состояла из средне-ячеистой губчатой кости, в ее межтрабекулярных промежутках отмечались пустотелые полости и желатинозный костный мозг, который замещала соединительная ткань с элементами воспалительного инфильтрата (рис. 1, б). Все это указывало на угасающую воспалительную реакцию, соответствующую фазе очищения костной раны, с очень скудными и неэффективными признаками репаративной регенерации утраченных структур.
На гистотопограммах через тридцать суток после установки спейсера в области дорсальной поверхности крыши вертлужной впадины определялись наслоения периостально образованной губчатой костной ткани и сформированная компактная пластинка. В ней на фоне выраженных цементирующих линий и суженных костных каналов визуализировались в окружении рыхлой соединительной ткани полнокровные новообразованные сосуды, между которыми происходило формирование анастомозов микроциркулятор-ного русла. Пластинчатые трабекулы губчатой костной ткани образовывали крупнопетлистую сеть с кроветворно-жировым костным мозгом. На их поверхности определялись множествен-
б
Рис. 1. Гистотопографическая и морфологическая картина костных структур на 14-е сутки после санирующей операции: сканограмма гистотопографического препарата вертлужной впадины (аксиальный срез) (а) и проксимального отдела бедренной кости (поперечный срез) (б), фрагменты компактной пластинки дна вертлужной впадины с костными секвестрами и разрастанием соединительной ткани (в), патологически измененные сосуды разных калибров, очаги периваскулярных некрозов (г); а, б - скано-граммы гистотопографических целлоидиновых срезов, окраска по Ван-Гизону, ув. 1,5х; в, г - целлоидиновый срез, окраска гематоксилином и эозином, об. 10х, ок. 10х
ные остеобласты. Гиалиновый хрящ в суставной выстилке на значительном протяжении был замещен соединительной тканью. На препаратах проксимального отдела бедренной кости к этому сроку отмечалось истончение кортикальной пластинки, представленной крупноячеистой трабе-кулярной сетью обычного строения. Изменения в надкостнице свидетельствовали об активации регенеративных процессов. Она была значительно утолщена, на отдельных участках отмечалось не только утолщение наружного фиброзного слоя, но и многорядное строение камбиального. В наружном слое наблюдалось увеличение содержания сосудов микроциркуляторного типа.
К 60-м суткам эксперимента процессы репа-ративного остеогенеза проявлялись все отчетливей. В средней части вертлужной впадины определялось ее типическое строение. В дорсальном и вентральном отделах впадины располагалось губчатое костное вещество. На месте дефекта дна вертлужной впадины наблюдалась новообразованная костная ткань крупноячеистой формации с утолщенной наружной и истонченной внутренней кортикальной пластинками (рис. 2, а). В нагружаемых контактных со спейсером отделах (дно и крыша) отмечался оживленный остеоге-нез. Пластинчатые костные трабекулы были покрыты слоем активных остеобластов, формирую-
Рис. 2. Гистотопографическая и морфологическая картина костных структур на 60-е сутки после санирующей операции: сканограмма гистотопографического препарата вертлужной впадины (аксиальный срез) и проксимального отдела бедренной кости (поперечный срез) (а), пучковая костная ткань в составе новообразованной трабекулы (б, в), трехслойная структура кортикальной пластинки (г); а - сканограммы гистотопографических целлоидиновых срезов, окраска по Ван-Гизону, ув. 1,5х; б, в - целлоидиновый срез, окраска гематоксилином и эозином, об. 40х, ок. 10х; г - целлоидиновый срез, окраска гематоксилином и эозином, об. 10х, ок. 10х
щих новообразованную костную ткань (рис. 2, б). Вместе с тем в отдельных областях наблюдались процессы ремоделирования с активизацией клеток остеокластического ряда. Достоверным подтверждением активизации остеорепаративных процессов явилось обнаружение в новообразованных экзофитах крыши вертлужной впадины множественных пучковых трабекул, из-за чего кость приобретала неровный фестончатый контур (рис. 2, в). Возникновение подобных трабе-кул главным образом характерно для незрелой костной ткани, формируемой индуцибельными и детерминированными остеогенными стромаль-ными клетками и встречается в эмбриональном развитии костной ткани и при дистракционном остеогенезе [1, 2].
Кровоснабжение регенерирующих структур поддерживалось на прежнем высоком уровне,
кровенаполнение синусоидов костного мозга уже в эти сроки практически не отличалось от нормы. В проксимальной (вертельной области) и особенно в области диафиза бедренной кости отмечали значительное увеличение толщины кортикальной пластинки. При средних и больших увеличениях визуализировалось трехслойное строение корковой пластинки. Первый слой, приближенный к эндостальной поверхности, состоял из компактно организованной кости, имеющей остеон-ное строение и сформированной в основном из пластинчатой костной ткани. Второй слой, приближенный к наружной поверхности, выглядел как тонкий слой компактизирующейся губчатой кости мелкоячеистого строения, образующийся клетками надкостницы. И, наконец, третий слой, занимающий между ними промежуточное положение, был образован сетью костных трабекул
Рис. 3. Гистотопографическая и морфологическая картина костных структур на 120-е сутки после санирующей операции: сканограммы гистотопографических препаратов вертлужной впадины (аксиальный срез) (а) и проксимального отдела бедренной кости (поперечный срез) (б), пластинчатая костная тра-бекула с уплощенными неактивными остеобластами и единичными остеокластами (в), остеонное строение компактной костной ткани дна вертлужной впадины с сосудистыми каналами и тонкостенными микрососудами (г); а, б - сканограммы гистотопографических целлоидиновых срезов, окраска по Ван-Гизону, ув. 1,5х; в, г - целлоидиновый срез, окраска гематоксилином и эозином, об. 10х, ок. 10х
с содержанием желатинозного костного мозга в межтрабекулярных промежутках. Такое строение характерно для кортикальной пластинки в период ремиссии остеомиелита длинных костей (рис. 2, г).
Через 90 суток вновь образованные и предшествующие структуры вертлужной впадины имели очень близкое, практически одинаковое строение и плотность. Массивные пластинчатые трабе-кулы формировали мелкопетлистую сеть, на их поверхности продолжали обнаруживаться очаги активного остеогенеза и остеокластической резорбции. Увеличение массы костных трабекул свидетельствовало о преобладании остеорепара-тивных процессов преимущественно в наиболее
нагружаемых отделах крыши вертлужной впадины. В области дна вертлужной впадины обнаруживались участки, образованные компактной костной тканью типичного остеонного строения. Узкие сосудистые каналы содержали рыхлую соединительную ткань с 1-2 микрососудами. На фоне уменьшения малодифференцированных структур соединительной ткани в некоторых отделах дна вертлужной впадины суставную выстилку формировал спаянный с окружающей тканью волокнистый хрящ. Проксимальный отдел бедренной кости выглядел необычно гипертрофированным. Кортикальная пластинка, представленная разреженной трабекулярной сетью, была значительно утолщена за счет активного форми-
рования костной ткани со стороны периоста, что объяснялось повышенной остеогенной активностью ее камбиального слоя.
Гистологическая картина костных структур вертлужной впадины и проксимального отдела бедренной кости к 120-м суткам после установки спейсера в целом характеризовалась завершением остеорепаративных процессов. Суставная ямка была заполнена новообразованной трабе-кулярной костной тканью (рис. 3, а). Массивные пластинчатые костные трабекулы образовали крупнопетлистую сеть с жировым костным мозгом в межтрабекулярных промежутках. Новообразованная трабекулярная сеть была уплотнена в медиальной части и разрежена в латеральной порции костного вещества. Компактная костная пластинка дна вертлужной впадины спонгизиро-валась, на ее периостальной поверхности были резорбционные лакуны и прикрепленные остеокласты. На поверхности костных трабекул располагались единичные остеокласты и уплощенные остеобласты, что свидетельствовало о завершении перестроечного процесса (рис. 3, в). К этому сроку структурировалось кровообращение новообразованных костных тканей: кровенаполнение синусоидов, сосудов артериального и венозного типов возвратилось в пределы функциональной нормы. Оболочки артерий приобрели обычный характер, хотя некоторые оставались утолщенными (рис. 3, г). На поперечных срезах бедренной кости были отмечены увеличение толщины и разреженность костного вещества корковой пластинки, которая имела фестончатый край со стороны периоста (рис. 3, б). Периостальная поверхность коркового слоя бедренной кости была представлена редкой трабекулярной сетью тонких трабе-кул сфероидальной формы. Межтрабекулярные промежутки заполнял в основном кроветворно-жировой костный мозг.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ полученной морфологической картины структур вертлужной впадины и проксимального отдела бедренной кости, деструктивно измененных вследствие гнойного коксита, позволяет сделать ряд выводов о стадийности заключительного (репаративного) периода инфекционного процесса при лечении с использованием артикулирующих спейсеров. В первые две недели после санирующей операции наблюдался регресс инфекционного процесса, без выраженных лейкоцитарных инфильтратов. Никаких признаков репаративного остеогенеза и хондрогенеза в эти сроки обнаружено не было. Сформированные
костные полости были заполнены рыхлой неорганизованной соединительной тканью. Суставной хрящ почти на всей площади был утрачен и замещался волокнистой соединительной тканью с неорганизованными беспорядочно ориентированными пучками волокон. Специфичностью соединительнотканных структур явилась их слабая васкуляризация, что расценивалось как проявление заключительной стадии очищения костной раны.
К 30-м суткам морфологическая картина претерпевала существенные изменения, которые можно было характеризовать двумя основными особенностями: полным купированием признаков инфекционного процесса в вертлужной впадине и проксимальном отделе бедренной кости; восстановлением и даже улучшением кровоснабжения в зоне постостеомиелитических дефектов во всех исследуемых тканях. В соединительной ткани, заполняющей большинство костных дефектов, формировалась обширная сосудистая сеть, состоящая из разнокалиберных сосудов, с формированием многочисленных микроанастомозов, в связи с чем соединительная ткань начинала перестраиваться и структурироваться. Наблюдались восстановление кровенаполнения синусоидов костного мозга, инвазия капиллярных сосудов в зону остеохондрального соединения, появлялась системная васкуляризация надкостницы, в компактной костной ткани визуализировались новообразованные сосуды микроциркуля-торного русла. Следствием такой динамики роста микроциркуляторного звена явилась активизация репаративных процессов, выражающаяся в миграции и появлении на поверхности костных тра-бекул множества активных остеобластов, начинающемся восстановлении компактной костной пластинки в области дна вертлужной впадины и периостальном новообразовании губчатой кости.
Еще более оживленный остеогенез выявлялся на 60-е сутки после санирующей операции: пластинчатые костные трабекулы вертлужной впадины были покрыты слоем активных остеобластов, вместе с тем появление клеток остеокластическо-го ряда знаменовало начало перехода к процессу ремоделирования костных структур. В эти сроки уже наблюдалось восстановление утраченных элементов вертлужной впадины и кортикальных элементов проксимального отдела бедренной кости. Выявление в составе новообразованных трабекул пучковой костной ткани сближало обнаруженные процессы с эмбриональным и дистрак-ционным остеогенезом, но с совершенно иным индуктором этого процесса. Вероятным механизмом стимуляции дифференциации мезенхималь-
ных клеток в остеобластическом направлении являлись механическое раздражение и возникающая компрессия между спейсером и вертлужной впадиной на фоне повышенной вследствие активного ангиогенеза концентрации кислорода.
В трехмесячный срок после санации гистото-пографически вертлужная впадина приобретала необычно гипертрофическую форму со значительным увеличением массива новообразованной трабекулярной костной ткани, что убедительно свидетельствовало о преобладании репаративных процессов. Гистологически вновь образованные и предшествующие структуры приобретали очень близкое, практически одинаковые строение и плотность, что указывало на завершение процесса ремоделирования кости. Еще более гипертрофированными выглядели структуры проксимального отдела бедренной кости, наружный диаметр которой был увеличен в 1,5-2 раза. Дополнительной причиной этого феномена являлся развивающийся в эти сроки синдром stress-shielding.
К 120-м суткам репаративные процессы стихали, что объяснялось окончательным структурированием микрососудистого русла. Костные ткани приобретали типичное остеонное строение, в суставной выстилке вертлужной впадины соединительная ткань замещалась волокнистым хрящом, организованным более примитивно, чем гиалиновый.
ВЫВОДЫ
1. Результатом изучения динамики остеогене-за в условиях деструктивного гнойного коксита при санации инфекционного очага с применением артикулирующего антибактериального спей-сера являются новые знания о течении репаратив-ных процессов.
2. Особенностью течения инфекционного процесса в костных структурах при применении артикулирующего спейсера является этапность, заключающаяся в неизбежном прохождении стадий резорбции, васкуляризации, репаративной регенерации и окончательной перестройки кости. Благоприятным завершением инфекционного процесса является органотипическое восстановление вертлужной впадины в срок 90-120 суток после санирующей операции.
3. Одним из главных условий санации и индуктором репарации может являться внешний раздражитель, обеспечивающий артикуляцию и оптимальное распределение нагрузки на верт-лужную впадину. В качестве такого индуктора может служить артикулирующий антибактериальный спейсер, его применение является обо-
снованным и с точки зрения эффективной санации скомпроментированных костных структур, и с точки зрения оптимизации и «правильного» завершения течения раневого процесса.
4. Полученные экспериментальные данные указывают, что обоснованным сроком выполнения следующего ортопедического этапа лечения - окончательного ревизионного эндопротези-рования - можно считать период от 90-х до 120-х суток после санирующей операции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гололобов В.Г., Деев Р.В. Стволовые стро-мальные клетки и остеобластический клеточный дифферон // Морфология. 2003. 123. (1). 9-19.
2. Ирьянов Ю.М. Репаративное костеобразо-вание в условиях дистракционного остеосинтеза: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. Иркутск, 1996.
3. Клюшин Н.М., Аранович А.М., Шляхов В.И. и др. Новые технологии лечения больных хроническим остеомиелитом - итог 40-летнего опыта применения метода чрескостного остеосинтеза // Гений ортопедии. 2011. (2). 32-38.
4. Лю Бо, Тихилов Р.М., Шубняков И.И. и др. Эффективность первого этапа двухэтапной ревизии при параэндопротезной инфекции тазобедренного сустава // Травматология и ортопедия России. 2014. (3). 5-14.
5. Никитин Г.Д., Рак А.В., Линник С.А. и др. Хирургическое лечение остеомиелита. СПб., 2000. 288 с.
6. Пат. № 2494468 РФ. Способ моделирования острого гнойного деструктивного коксита у лабораторных животных / Г.Г. Дзюба, С.А. Ерофеев, Ю.В. Чернигов и др.; опубл. 27.09.2013.
7. Пат. № 138352 РФ. Однокомпонентный цементный антибактериальный спейсер тазобедренного сустава / Ю.В. Чернигов, С.Ю. Чернигов, С.В. Чернигова и др.; опубл. 10.03.2014.
8. Шевцов В.И., Макушин В.Д., Куфтырев Л.М. Дефекты костей нижней конечности. Чрескостный остеосинтез по методикам Российского научного центра «ВТО» им. академика Г.А. Илизарова. Курган, 1996. 504 с.
9. Ben-Lulu O., Farno A., Gross A.E. et al. A modified cement spacer technique for infected total hip arthroplasties with significant bone loss // J. Arthroplasty. 2012. 27. (4). 613-619.
10. Dale H., Hallan G., Espehaug B. et al. Increasing risk of revision due to deep infection after hip arthroplasty // Acta Orthop. 2009. 80. (6). 639-645.
11. Hsieh P.H., Huang K.C., Tai C.L. Liquid gentamicin in bone cement spacers: in vivo antibiotic release and systemic safety in two-stage revision of infected hip arthroplasty // J. Trauma. 2009. 66. (3). 804-808.
12. Parvizi J., Saleh K.J., Ragland P.S. et al. Efficacy of antibiotic-impregnated cement in total hip replacement // Acta Orthop. 2008. 79. 335-341.
13. Phillips J.E., Crane T.P., Noy M. et al. The incidence of deep prosthetic infections in a specialist orthopaedic hospital: a 15-year prospective survey // J. Bone Joint Surg. 2006. 88. 943-948.
ON REPARATIVE REGENERATION OF BONE STRUCTURES IN CONDITIONS OF PURULENT DESTRUCTIVE COXITIS (EXPERIMENTAL STUDY)
German Grigor'evich DZYUBA, Vladimir Pavlovich KONEV, Leonid Borisovich REZNIK, Sergey Aleksandrovich EROFEEV
Omsk State Medical University 644099, Omsk, Lenin str., 12
Aim: to study the reparative regeneration of bone tissue in conditions of destructive purulent coxitis in rehabilitation with the use of antibacterial spacer. Material and methods. The experiments were performed on 15 mongrel dogs, research method was the light microscopy of histotopography. Results and discussion. The dynamics of reparative processes of osseous tissue has been observed in the model of destructive purulent coxitis at inflammatory process sanitation using articulating antibiotic spacer. The rehabilitation of the osseous structures affected by purulent process is completed with their hypertrophic osteoreparation and final bone restructuring through 90-120 days.
Key words: reparative regeneration, purulent destructive coxitis, articulating antibiotic spacer.
Dzyuba G.G. - candidate of medical science, assistant professor of traumatology and orthopedy, e-mail: germanort@mail
Konev V.P. - doctor of medical sciences, professor, head of the department offorensic medicine with jurisprudence course
Resnik L.B. - doctor of medical Sciences, professor, head of the department of traumatology and orthopedy, e-mail: [email protected]
Erofeev S.A. - doctor of medical sciences, professor, professor of the department of traumatology and orthopedy
