Автореферат и диссертация по медицине (14.00.22) на тему:ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ И РЕПАРАЦИИ СУСТАВНОГО ХРЯЩА СИНОВИАЛЬНЫХ СУСТАВОВ (Экспериментальное исследование).

'

На правах рукописи

КУРПЯКОВ Антон Павлович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ Д ЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВРЕЖД ЕНИЯ И РЕПАРАЦИИ СУСТАВНОГО ХРЯЩА СИНОВИАЛЬНЫХ СУСТАВОВ.

(Экспериментальное исследование)

14.00.22 - травматология и ортопедия;

03.00.25 - гистология, цитология, клеточная биология.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

2 6 НОЯ 2009

Москва - 2009

003485053

Работа выполнена в ФГУ Центральном научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии им. H.H. Приорова Росмедтехнологий.

Научные руководители:

доктор медицинских наук, профессор Троценко Виктор Владимирович доктор медицинских наук, профессор Омельяненко Николай Петрович

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук Кожевников Олег

Ведущая организация Московская медицинская академия им. И.М. Сеченова Защита состоится «_25_»_декабря_2009г. в _13_ ч.

На заседании совета по защите докторских й кандидатских диссертаций Д .208.112.01 в ФГУ Центральном научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии им. H.H. Приорова Росмедтехнологий. (Москва, 127299, ул. Приорова, 10).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУ ЦИТО им. H.H. Приорова Росмедтехнологий.

Автореферат разослан « "fZ » £_2009г.

Всеволодович

доктор медицинских наук, профессор

Яцковский Александр Никодимович

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

Михайлова Л.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Деструктивно-дегенеративные изменения суставов имеют широкое распространение во всем мире. Одной из наиболее часто встречающихся патологий является остеоартроз (деформирующий артроз, остеоартрит). Распространенность остеоартроза в популяции (6,43%) коррелирует с возрастом и достигает максимальных показателей (13,9%) у лиц старше 45 лет (Цветкова Е.С.,1997), он составляет до 55% среди всех нозологических форм патологии суставов. В период 1990-2020 годов ожидается удвоение числа пациентов, страдающих дегенеративно-дистрофическими заболеваниями суставов в возрастной группе старше 50 лет. Важна социальная роль этих заболеваний. Они приводят к потере трудоспособности и инвалидности, в основном из-за ограничения объема движений в суставах, у 20-30% заболевших. Одной из часто встречающихся причин развития подобных изменений является травма. В настоящее время, в клинике используется ряд методов консервативного и оперативного лечения данной патологии (разгрузка суставов, хондропротекторы, озон-кислородные инъекции, хондропластика, мозаикпластика, эндопротезирование), которые уменьшают болевой синдром, связанный в основном с воспалением синовиальной оболочки сустава, увеличивают подвижность сустава, но значимых результатов по восстановлению суставного хряща этими методами не достигается [Altman R. D. Et all. 1990; Lewandrowski K.U. et all. 1996; Koepp H.E. et all. 2004]. Остаётся не вполне раскрытым этиопатогенез посттравматических изменений суставного хряща и субхондральной кости, а также степень влияния различных факторов на проявление данной патологии [Smith М.М. et all. 1997; Lozada С J. et all. 1999; Kessler S. 2002; Oakley S.P. et all. 2004] В связи с вышеуказанным, проводятся исследования на различных моделях для выявления закономерностей течения этого процесса и поиска

возможностей влияния на него. Предложенные на сегодняшний день модели по механизму его развития дегенеративных изменений делят на:

1 спонтанный OA (генетическая предрасположенность, возраст, дисплазия);

2 химически индуцированные дегенеративные изменения (введение папаина, химопапаина, коллагеназы, гипертонического pacTBOpa)[Salter R.B. 1967];

3 травматически индуцированные дегенеративные изменения (пересечение ПКС [Vilensky J.A. et all. 1997], менискэктомия [Smith М.М. et all. 2008], миоэктомия, посттравматические состояния [Boyd S.K. et all. 2005], нанесение дефектов хряща и субхондральной кости [Wakitani S. et all. 1997]). Модели посправматических дегенеративных изменений крупных суставов у животных удобны для исследования развития структурных изменений в суставных тканях для выяснения того, как различные факторы риска их инициируют или способствуют появлению этих изменений, а также для оценки применяемых терапевтических мер и эффективности используемых оперативных методик. Они позволяют изучать полученные изменения тканевых компонентов сустава при данной патолоши не только с использованием неинвазивных клинических методов (рентгенография, КТ, МРТ и т.д.), но и используя инвазивные методы (гистологический, гистохимический, электронно-микроскопический), что невозможно в клинической практике [Mow V.C. et all. 1991; Boyd S.K. et all. 2005].

Экспериментальные исследования дегенеративных изменений хряща, в основном, проводятся на собаках и кроликах путем введения в полость сустава витамина А, глюкокортикоидов, талька и т.д. [Trumble Т et all. 2004] Однако, этиологические факторы остеоартроза в вышеуказанных моделях не являются таковыми для остеоартроза человека [Brandt K.D. 2002, 2006]. Кроме этого, дегенеративные изменения, возникающие у человека чаще всего при неадекватной нагрузке, невозможно получить в эксперименте у собак и кроликов, так как их суставной хрящ и субхондральная костная пластинка обладают высокой амортизационной способностью.

Особенностью представленных в литературе моделей деструктивно-дегенеративных изменений является то, что при их использовании в эксперименте невозможно устранить действие фактора, вызвавшего патологические изменения, и, следовательно, остановить дальнейшее развитие патологического процесса. Очевидно, что в таких условиях непосредственный перенос различных методов лечения из экспериментов в клинику может оказаться не адекватным и малоэффективным. Кроме этого, малый размер суставов у наиболее часто используемых экспериментальных животных (у крыс, цыплят, кроликов) делает невозможным отработку и модификацию многих оперативных методик лечения, используемых на сегодняшний день в клинической практике. Например, невозможно выполнить хондропластику на мышиной модели деструктивных изменений суставного хряща, так как его толщина у этих животных составляет 0,3 мм.

В связи с этим имеется необходимость совершенствования и стандартизации существующих, а также разработки новых методик экспериментального моделирования деструктивно-дегенеративных изменений, где имелась бы возможность исключения фактора, вызвавшего это заболевание у данной модели, суставы животного были достаточного размера, и имелось максимальное сходство гистологической характеристики тканевых компонентов сустава животного с таковыми характеристиками сустава человека. Кроме того, необходимы дополнительные знания об особенностях анатомического и гистологического строения компонентов суставов экспериментальных животных в норме.

В связи с этим целью исследования являлась разработка адекватной модели деструктивно-дегенеративных изменений для исследования закономерностей развития репаративной регенерации тканевых компонентов крупных суставов экспериментальных животных после травматического повреждения суставного хряща и субхондральной кости, при дегенеративных изменениях, а также адаптация данной модели для разработки

патогенетически обоснованных методов оптимизации репаративного процесса.

Задачи исследования:

1 Изучение анатомо-гистологической (морфологической) характеристики компонентов тазобедренного и коленного суставов овец в норме.

2 Разработка малотравматичных оперативных доступов при операциях на коленном суставе овцы.

3 Морфологическое исследование посттравматических изменений суставного хряща и субхондральной костной пластинки после нанесения отличающихся по глубине дефектов, расположенных на нагружаемой поверхности мыщелков бедра коленного сустава овцы, выполненное на различных сроках наблюдения.

4 Исследование структурных изменений тканевых компонентов тазобедренного сустава у овец при их длительной перегрузке.

Новизна

1 Получена анатомическая и морфологическая характеристика тканевых компонентов крупных суставов овцы в норме, при вызванных в эксперименте перегрузках, и при нанесении травматических повреждений суставного хряща и субхондральной кости нагружаемой поверхности мыщелков бедра, различных по глубине на различных сроках наблюдения.

2 Предложена схема выполнения экспериментальных повреждений коленного сустава овцы для стандартизации проводимых исследований с возможностью сравнения получаемых от различных методик результатов.

3 Разработаны малотравматичные оперативные доступы к мыщелкам бедренной кости коленного сустава овец для проведения экспериментальных оперативных вмешательств по моделированию посттравматических изменений хряща и субхондральной костной пластинки.

4 Определены локализация, размеры, глубина наносимых дефектов, а также сроки наблюдения для обеспечения повторяемости результатов эксперимента при моделировании посттравматических изменений хряща и субхондральной костной пластинки.

На основании полученных результатов и их сопоставления с литературными данными предложена экспериментальная модель деструктивно-дегенеративых изменений тканевых компонентов крупных суставов у овец, которая могла бы использоваться для отработки некоторых методик лечения посттравматически измененных крупных суставов.

Практическая значимость работы заключается в получении модели деструктивно-дегенеративных изменений крупных суставов, которая дала возможность изучить пути развития дегенеративно-дистрофических процессов, что в свою очередь позволит разработать патогенетические методы воздействия на процессы репарации, а также модифицировать имеющиеся или разработать новые методики консервативного и оперативного лечения последствий травматического повреждения суставного хряща и субхондральной костной пластинки. Стандартизация проведения экспериментальных оперативных вмешательств и данные по восстановлению различных повреждений в разных временных промежутках позволили получить высокую повторяемость результатов эксперимента и, соответственно, уменьшить финансовые и временные затраты на проведение экспериментальных работ по изучению посттравматических изменений хряща и субхондральной костной пластинки крупных суставов, а также методов влияния на них. Полученные результаты позволили на доклиническом этапе отработать применение новых материалов для заполнения дефектов хряща и субхондральной кости, и методов влияния на репаративный процесс в крупных суставах после травмы и при дегенеративных изменениях.

Положения, выносимые на защиту.

1 Оптимальным местом для нанесения экспериментальных повреждений суставного хряща и субхондральной кости коленного сустава овцы является нагружаемая поверхность (задняя треть) медиального мыщелка бедренной кости с доступом к ней по передней поверхности сустава с использованием медиальной миниартротомии вдоль собственной связки надколенника.

2 Дефекты, нанесенные на мыщелках бедра коленного сустава овцы при одинаковом диаметре повреждения, но различающиеся по глубине, имеют свои особенности восстановления: в разной степени восстанавливается субхондральная костная пластинка, ткани, закрывающие дефект, имеют различную толщину и содержат разное количество клеточных элементов, различающихся в свою очередь по морфологическим признакам.

3 Морфологическая динамика изменений и исход заживления одинаково поврежденных суставных хрящей и субхондральной кости латерального и медиального мыщелков бедра коленного сустава овцы имеют существенные различия, обусловленные особенностями анатомического строения и разницей в функциональной нагрузке мыщелков бедра.

4 Длительная перегрузка суставов овец дополнительным (плюс 30% от массы тела) весом или вызванная перераспределением нагрузки за счет однополюсного эндопротезирования тазобедренного сустава приводит к развитию дегенеративных изменений суставных компонентов, аналогичных изменениям при остеоартрозе у человека.

Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано пять статей, тезисы. Материалы доложены: на VIII съезде травматологов-ортопедов России «Травматология и ортопедия XXI века», Самара, 6-8 июня, 2006 г.; заседании ученого совета ЦИТО им. Н.Н.Приорова, Москва, 28 ноября 2008г.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 141 страницах, содержит 92 рисунка. Состоит из введения, обзора литературы, 3 глав, заключения, выводов и списка использованной литературы (17 отечественных и 102 иностранных источников).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ Обоснование выбора овец в качестве экспериментальных животных.

В работе использовали экспериментальных животных - овцы в количестве 30 особей, в возрасте от 0,5 до 2 лет, весом от 20 до 35 кг, курдючной и романовской пород. Выбор овец в качестве экспериментальных животных для создания модели постгравматического остеоартроза обусловлен:

1 Соответствием условий эксперимента и условий возможного возникновения остеоартроза у человека, т.е. отсутствие адекватной амортизации ударных нагрузок суставно-связочным аппаратом конечностей овцы.

2 Наиболее приближенным к человеку анатомическим соотношением (вес - объем суставов) по сравнению с другими животными, что подтверждается рядом авторов (Smith MM; Little СВ; Rodgers К; Grosh Р, 1997).

3 Размер сустава позволяет проводить отработку различных оперативных методик (в том числе - артроскопии, что невозможно на мелких суставах).

4 Размер исследуемых образцов достаточен для проведения гистохомического анализа компонентов сустава.

5 Хондроциты поверхностного слоя хряща' человека по своим свойствам очень близки хондроцитам хряща овцы [Павлова М.Н., 1979; Davies et al., 1962; Ghadially, Roy, 1969; Ruttner, Spycher, 1968; Silberberg, Hasler, 1968; Weiss et al., 1968; Zelander, 1959].

6 Овцы не относятся к категории особей с высокоорганизованной центральной нервной системой (приматы, собаки, кошки, дельфины) и могут быть использованы в качестве экспериментальных животных на территории России [Закон «О защите животных от жестокого обращения», от 01.12.1999 г., Статья 9, пункт 4].

7 Овцы хорошо переносят анестезиологическое пособие, хорошо адаптированы к климату средней полосы России, неприхотливы в пище.

Экспериментальные группы животных.

В работе провели две серии экспериментов:

Серия I - Экспериментальное моделирование травматического повреждения суставного хряща и субхондральной костной пластинки и последующих посттравматических изменений компонентов сустава. 16 животных были разделены на 4 экспериментальные группы по 4 особи:

1 Животные с созданным не полнослойным дефектом неминерализованной части гиалинового суставного хряща до его глубокой трети диаметром 5 мм на нагружаемой поверхности внутреннего мыщелка бедра.

2 Животные с созданным дефектом суставного хряща до субхондральной кости диаметром 5мм на нагружаемой поверхности внутреннего мыщелка бедра.

3 Животные с созданным остеохондральным дефектом диаметром 5мм и глубиной 5мм на нагружаемой поверхности внутреннего мыщелка бедра.

4 Животные с созданным дефектом суставного хряща до субхондральной кости диаметром 5мм на ненагружаемой части наружного мыщелка бедра под бедро-берцовой связкой.

Серия II - Экспериментальное моделирование дегенеративных изменений суставного хряща и субхондральной костной пластинки, возникшие в результате перегрузки суставов.

12 овец разделены на три группы (по 4 особи в каждой):

1 В первой опытной группе овцам надевали на спину специально закрепленные жилеты с металлическими пластинами (10 кг), увеличивающие вес каждого животного соответственно на 1/3. Этим создавалась дополнительная нагрузка на все суставы.

2 Во второй опытной группе животным были выполнены операции эндопротезирования одного тазобедренного сустава, для перераспределения массы животного на не оперированную заднюю конечность.

3 В третьей контрольной (интактной) группе овцы оставались в естественном состоянии. 2 животных были использованы для отработки операционного доступа и анестезиологического пособия. Методика проведения оперативных вмешательств. Все оперативные вмешательства проводили в операционной вивария ЦИТО. Из оборудования использовали: операционный стол с ремнями для фиксации животного, стерильные простыни для ограничения области операции, стандартный хирургический набор, дополненный специальным инструментарием (фрезы, мини-кюретки, набор для установки эндопротеза), фиксирующие деревянные шины, стерильный и нестерильный перевязочный материал.

Для анестезии использовали: Кетонал 1,0 в/м, 0,5 мл 2% раствора Рометара в/м и местную интраартикулярную анестезию 0,5% р-ром Лидокаина. Впоследствии была отработана и внедрена перидуральная люмбальная анестезия 1% р-ром Лидокаина 5 мл. Проводилась инъекция в области пояснично-крестцового отдела (Б), игла проводилась до перидурального пространства, куда инъецировалось 5 мл р-ра Лидокаина. Объем Лидокаина рассчитывали по формуле: длина животного от затылка до корня хвоста в сантиметрах, делённая на 10 [Лукьяновский В.А. и соавт., 2004г.]. Производили миниартротомию медиальнее собственной связки надколенника (при работе на наружном мыщелке - модель деструктивных изменений, группа №4 - по наружной поверхности, кнаружи от собственной связки надколенника), с учетом анатомии тупо и остро производили доступ к внутреннему мыщелку бедра. Специальной фрезой диаметром 5 мм делали отграничение зоны дефекта и извлекали хрящ на соответствующую глубину кюреткой (группа №1 - на 0,5 толщины хряща, группа №2 - до минерализованной зоны хряща, группа №3 - с разрушением субхондральной костной пластинки сверлом диаметром 5 мм на глубину 5-6 мм.). Сустав

промывали 0,9% р-ром NaCl и послойно ушивали с восстановлением поврежденных анатомических образований.

Для эндопротезирования тазобедренных суставов овец использовали модифицированные экспериментальные эндопротезы K.M. Сиваша для тазобедренных суставов собак. Чашка вновь модифицированного эндопротеза для овец имела воротник для опоры на наружные края вертлужной впадины и толстую ножку, т.к. у данного вида животных мелкая вертлужная впадина и толстая бедренная кость с тонкими стенками диафиза. Наружный диаметр чашки составил 24 мм, ножки по верхнему краю 14 мм.

Операцию эндопротезирования проводили под внутривенным кетаминовым наркозом. Боковым доступом обнажали область тазобедренного сустава, отсекали и удаляли большой вертел. Рассекали капсулу сустава и удаляли проксимальный отдел бедренной кости, включающий головку, шейку и межвертельную область, выполняя остеотомию на уровне малого вертела. Резецировали хрящ и углубляли вертлужную впадину, затем удаляли костный мозг из полости бедренной кости. Производили гемостаз и высушивание костных полостей, затем вводили в костномозговой канал бедра костный цемент и устанавливали ножку. Чашку протеза устанавливали на цемент и дополнительно фиксировали костными винтами. Производили пластику мышц и гемостаз. Делали рентгенологический контроль установки эндопротеза. Из наркоза овцы выходили через 30 минут после операции, а на следующий день стояли и осторожно ходили, слегка приступая на оперированную ногу. Послеоперационный период протекал без осложнений, раны заживали первичным натяжением.

Содержание и поведение овец после оперативного вмешательства. Всех овец содержали в виварии, обеспечивали соответствующим полноценным питанием с учетом времени года, двигательной активности и питательного состава кормов. Выдерживался режим дозированной двигательной активности — большой вольер для прогулок, кроме того

животных выгуливали в течение нескольких часов в природных условиях. Животные контрольной группы и первой опытной группы (с дополнительной нагрузкой) вели себя естественно без признаков дискомфорта. Оперированные животные в группе с перегрузкой суставов путем протезирования головки бедра первые два месяца ходили, выражено прихрамывая на оперированную ногу, при этом на другую заднюю конечность, приходилась большая нагрузка. В последующие месяцы хромота уменьшилась и полностью исчезла к 11 месяцу от момента проведения операции. Овцы 1, 2 и 4 групп с дефектами мыщелков бедра -начинали приступать на оперированную конечность сразу после операции, а в группе 3 - щадили оперированную конечность в течение 5-7 дней. Через 2 года овцы с моделированной перегрузкой суставов были выведены из эксперимента путем передозировки наркоза. Животные с нанесенными дефектами мыщелков бедра выводились из эксперимента путем передозировки наркотических препаратов на сроках 1,3 и 6 месяцев с момента вмешательства.

Методы изучения полученного экспериментального материала.

Изучение полученного в эксперименте материала проводили с помощью рентгеновского и морфологического методов (световая микроскопия), а также морфометрического метода и клинического обследования экспериментальных животных.

Выделенные тазобедренные и коленные суставы с фрагментами бедренных и болыиеберцовых костей исследовали визуально и рентгенологически. Производилась фотосъемка объектов на цифровую фотокамеру NIKON D90 с макрообъективом. Компоненты сустава: головку бедренной кости, синовиальную оболочку, связку головки бедренной кости, суставную капсулу изучали морфологическими методами с использованием светооптической и сканирующей электронной микроскопии.

Для гистологического исследования материал фиксировали 10% нейтральным формалином, затем костную ткань декальцинировали в

растворе 12% азотной кислоты, обезвоживали в спиртах возрастающей концентрации, заключали в целлоидин. Для световой микроскопии срезы, полученные на санном микротоме, окрашивали гематоксилином и эозином, заключали на предметные стёкла. Изучение материала проводили на световом микроскопе NICON ECLIPSE Ti с цифровой фотокамерой и блоком захвата, с использованием объективов х2, х4, х10, х20, х40.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ.

Анатомия тазобедренного и коленного суставов овец. Техника анатомически обоснованного малотравматичного оперативного доступа.

Благодаря детальному изучению анатомического строения суставов овец удалось разработать малотравматичный оперативный доступ, определить зоны нагрузки на хрящ сустава, особенности строения и биомеханики сустава, влияющие на результаты экспериментов. Медиальная миниартротомия по внутренней поверхности собственной связки надколенника позволила обойти крупные сосуды и, не повреждая связочный аппарата сустава, осуществить доступ к нагружаемой поверхности хряща внутреннего мыщелка бедра. Экспериментально доказано, что оперативный доступ по Пайру, активно использующийся в ветеринарной практике, приводит к выраженному нарушению биомеханики сустава. Необходимо учитывать, что у овцы, в отличие от собаки или кошки поднадколенниковый мыщелок более выражен, смещён проксимально и берет на себя очень большую нагрузку, т.к. в покое угол сгибания в коленном суставе овцы составляет 45 градусов.

Благодаря изучению анатомического строения тазобедренного сустава овцы удалось модифицировать чашку эндопротеза для достижения его стабильности, т.к. вертлужная впадина у овец гораздо меньше впадин у собак, для которых подобный экспериментальный протез был рассчитан.

Результаты морфологического исследования мыщелков бедра коленного сустава овцы при моделировании посттравматических изменений.

Разработка модели травматических повреждений компонентов суставов предусматривает, прежде всего, возможность определения роли или значения этих компонентов в биомеханике сустава и последствий их повреждений или утраты.

Учитывая, что основной функцией суставного хряща является биомеханическая: амортизация и распределение нагрузки равномерно по площади контакта, перемещение (скольжение) смежных мыщелков относительно друг друга благодаря перераспределению жидкости между фибриллами хрящевой ткани, разная степень нарушения структуры последней приводит к различным исходам заживления и нарушения функции сустава.

Так при частичном (не полнослойном) повреждении суставного хряща на нагружаемой части мыщелка (группа №1), при котором не повреждается субхондральная кость, происходит ее гипертрофия, т.е. утолщение субхондральной костной пластинки. Можно предположить, что частичная утрата амортизационной функции частично поврежденного хряща приводит к увеличению нагрузки на субхондральную кость и вызывает её микроповреждения которые в свою очередь являются стимулом последующей гипертрофии и увеличением ее толщины. Однако при этом суставной хрящ восстанавливается только частично (примерно до 1А толщины от исходного). Поэтому, несмотря на гипертрофию субхондральной кости в области поврежденного хряща, его анатомические границы не восстанавливаются, т.е. сохраняется углубление и, следовательно, не достигается конгруэнтности суставных поверхностей мыщелков. Морфология хондроцитов во вновь образованном хряще указывает на их происхождении из сохраненного минерализованного слоя хряща. При такой степени повреждения суставного хряща можно предположить, что для его полноценного восстановления целесообразно снизить нагрузку на

травмированный сустав. Кроме того, имеет смысл с помощью, скажем, артроскопии заполнить дефект, т.е. закрыть поврежденный хрящ каким-либо биосовместимым резорбируемым материалом для временной компенсации утраченной амортизационной функции. Последующая резорбция поверхностной защитной матрицы могла бы служить дополнительной стимуляцией процессов репарации.

Более выраженные тканевые изменения происходят при полнослойном повреждении (дефекте) суставного хряща на нагружаемой части внутреннего мыщелка бедренной кости (группа №2). При этом удаляется весь неминерализованный хрящ с частичным удалением минерализованного хряща, граничащего с субхондральной костной пластинкой. Так как граница между ними, обозначенная базофильной линией при окрашивании гистологических срезов гематоксилином и эозином, неровная и имеет волнистый характер, граница между минерализованным хрящом и субхондральной костной пластинкой неровная и имеет выраженный вертикальный рельеф. При удалении минерализованного слоя открываются каналы, соединяющие межбалочные пространства субхондральной кости с суставной полостью в области дефекта. Очевидно, проникновение компонентов синовиальной жидкости в межбалочные пространства субхондральной костной пластинки может вызвать асептическое воспаление в подлежащей субхондральной кости и ее дальнейшую резорбцию.

В этом случае, оставшийся минерализованный хрящ и подлежащая под ним субхондральная костная пластинка остаются без амортизирующей защиты, осуществляемой в норме гиалиновым суставным хрящом. Повышенной нагрузке подвергается также и сохранившийся суставной хрящ особенно по краям дефекта. В связи с этим уже через месяц (возможно даже раньше) края суставного хряща в зоне дефекта становятся сглаженными в связи с чем, впадина, возникшая в результате повреждения, расширяется. На поверхности суставного хряща вблизи дефекта появляется четко выраженный рельеф не характерный для суставной поверхности этих

участков. Дно дефекта покрыто волокнистой соединительной тканью, через которую просвечивают сосуды. Это связано с резорбцией слоя минерализованного хряща и субхондральной костной пластинки как результат асептического воспаления и повышенной (относительно) нагрузки на данный участок. В созданный дефект открывается доступ соединительнотканных клеток костного мозга. Среди этих клеток есть и стволовые соединительнотканные клетки, которые при завершении воспаления, пролиферируя, заполняют часть дефекта волокнистой соединительной тканью, изолируя с помощью ее остальные подлежащие ткани от возможного негативного действия синовиальной жидкости. В этой соединительной ткани имеется большое количество сосудов. Она служит микросредой, где начинается и протекает репаративная костная регенерация, проявлением которой является формирования остеоида — костной ткани на стадии формирования, предшествующей минерализации. Он образуется также вокруг старых костных балок, окруженных соединительной тканью и находящихся в зоне дефекта. Костная ткань образуется и в соединительной ткани, заполняющей межбалочные пространства. В результате формируется новая субхондральная костная пластинка, соединенная с костными балками старой субхондральной кости. Происходит восстановление целостности всей субхондральной костной пластинки мыщелка. Однако она деформирована. Волокнистая соединительная ткань может служить также средой для образования суставного хряща. Вначале формируется волокнистый хрящ, который значительно тоньше интактного гиалинового хряща и естественно имеет другую структурную организацию, не в полной мере приспособленную к выполнению амортизационной (демпфирующей) функции. Очевидно, именно поэтому со временем происходит постепенное ремоделирование структуры новообразованного суставного хряща и к 6-ти месяцам после повреждения часть его структуры становится гиалиноподобной. В связи с этим, в целом новообразованный хрящ приобретает мозаичный, волокнисто-гиалиновый вид. Возможно, что

дальнейшее ремоделирование под воздействием биомеханических факторов и синовиальной среды сустава сделает структуру этого хряща полностью гиалиноподобной. Однако толщина новообразованного хряща с 3-го по 6-й месяц наблюдения не меняется. Образование слоя минерализованного хряща, вероятно, ограничивает доступ питательных веществ и соединительнотканных клеток-предшественников к неминерализованной части новообразованного хряща, что затрудняет его рост. Эти факты следует учитывать при разработке патогенетической терапии посттравматических остеоартрозов.

При травматических дефектах суставного хряща глубиной до минерализованного слоя хряща и субхондральной костной пластинки поврежденные ткани восстанавливаются не более чем на 1/3 от исходной толщины хряща и в основном за счет клеточных элементов, идущих от дна дефекта, при этом краевая регенерация (прилегающего к зоне дефекта суставного хряща) не очень выражена. Следует также обратить внимание на то, что избыточное шейвирование до субхондральной кости в клинике неизбежно приведет к усугублению деформирующего артроза. В связи с этим, при использовании шейвирования имеет смысл удалять только отслоившиеся нежизнеспособные хрящевые фрагменты.

При свежих глубоких дефектах суставного хряща (вплоть до субхондральной костной пластинки) при наличии хотя бы небольшого количество минерализованного хряща на дне дефекта, возможно, не следует его уничтожать, проводя перфорации субхондральной кости, которые, вызывая асептическое воспаление, в последствии приводят к выраженному остеогенезу и, соответственно, к последующему утолщению субхондральной костной пластинки в зоне дефекта. В случае, когда повреждение хряща не острое, и изменения, а именно, склерозирование с утолщением, субхондральной кости уже произошли - возможно, стоит не перфорировать субхондральную кость, вызывая дальнейшее склерозирование, а уменьшить её толщину за счет послойного истончения (например, артроскопическим

бором). Это позволит не только открыть множество микроканалов, соединяющих губчатое вещество мыщелка с полостью сустава, через которые клетки стромы костного мозга попадают в зону дефекта, но и при адекватном послеоперационном ведении (исключение нагрузки на мыщелок, использовании пассивных движений без нагрузки и т.д.) не допустить её быстрого дальнейшего утолщения, т.к. со временем, как показано в эксперименте, субхондральная костная пластинка сама разрушается и заново формируется на месте дефекта. В момент восстановления кости доступ клеток стромы костного мозга также сильно не ограничен. При полном разрушении субхондральной костной пластинки и субхондральной кости на глубину соответствующую диаметру дефекта (группа №3) имеются условия для более массивного выхода клеток стромы костного мозга в зону дефекта, но полноценного восстановления поврежденной субхондральной кости и субхондральной костной пластинки не происходит. Это можно связать с отсутствием необходимого количества резорбируемого материала, т.е. частиц разрушенной кости, соответствующего массе губчатой костной ткани субхондральной кости иссеченной при создании дефекта. На начальном этапе восстановления на дне и по краям дефекта происходит краевая резорбция кости, при которой выделяются факторы запускающие (индуцирующие) и в дальнейшем стимулирующие процесс остеогенеза.

Очевидно, что в основе методов лечения таких повреждений должна лежать стимуляция остеогенеза компонентами костной ткани или факторами, выделенными из нее. Однако собрать и сбалансировать эти отдельные факторы в оптимальном количестве для стимуляции остеогенеза в очаге регенерации достаточно сложно, если вообще возможно. Данные, полученные в группе №4 (полнослойный дефект до субхондральной костной пластинки на наружном мыщелке бедра) свидетельствуют о большой разнице результатов между применением одинаковой техники выполнения дефектов при одинаковых условиях на наружном и внутреннем

мыщелках бедра коленного сустава овцы. К этому мыщелку у животного прилежит особая бедро-берцовая связка, идущая через полость сустава и при ходьбе изменяющая своё натяжение и, соответственно, степень прижатия к поверхности мыщелка. Ширина в прижатом к хрящу мыщелка состоянии - 78 мм., что полностью перекрывает дефект, и при давлении на эту зону происходит своеобразный гидродинамический удар находящейся в дефекте синовиальной жидкостью по дну и краям дефекта. Это явление позволило объяснить отсутствие изменений в зоне дефекта на 1-м месяце наблюдения, когда животное ограничивало движения в коленном суставе, а затем резкое увеличение глубины дефекта на шестом месяце с полным разрушением субхондральной костной пластинки (на этом сроке животное давало полную нагрузку на сустав).

Сформировавшиеся постравматические структуры в суставном хряще и субхондральной кости мыщелков бедра коленного сустава оперированных овец являются постоянными и могут рассматриваться как признаки посттравматического деформирующего остеоартроза. По глубине вовлеченных хрящевой и костной тканей можно выделить 3 степени явлений посправматического остеоартроза, при каждой из которых пораженный сустав может быть использован в качестве модели при подборе адекватной терапии.

Хондральный (поверхностный) посттравматический остеоартроз (первая степень) - имеется утонченный гиалиноподобный суставной хрящ и утолщенная гипертрофированная субхондральная костная пластинка. Хондрооссальный постгравматический остеоартроз (вторая степень) -имеется гиалино-волокнистый суставной хрящ и репаративно ремоделированная субхондральная костная пластинка. Остеохондральный посттравматический остеоартроз (третья степень) -имеется волокнистый хрящ и дефект субхондральной кости.

Анализ морфологических изменений тканевых компонентов тазобедренных суставов у овец под действием перегрузки при моделировании дегенеративных изменений.

Оценивая результаты экспериментов с перегрузкой суставов, можно уверенно сказать, что длительная перегрузка суставов у овец, вызванная созданным отягощением равным 1\3 их естественного веса или перераспределением веса тела при одностороннем эндопротезировании. В течение 2-х лет это привело к значительному нарушению структуры суставного гиалинового хряща головок бедренных костей и вертлужной впадины на нагружаемых участках. Выявлены реактивные изменения костной ткани стенки вертлужной впадины по нагружаемой поверхности в виде репаративного остеогенеза с ее утолщением, частичная трансформация жировой ткани губчатой кости в волокнистую соединительную ткань. Следовательно, в жизнедеятельности и функционировании суставов в условиях повышенной механической нагрузки можно условно выделить два одновременно протекающих процесса: деструктивный и репаративный. На преобладание первого (хотя и медленно протекающего) в суставах подопытных животных указывает наличие в одном суставе нескольких степеней деструкции суставных хрящей на на1ружаемых участках. В тоже время большая часть ненагружаемых или мало нагружаемых участков суставных хрящей головок бедренных костей и суставных впадин, а также другие тканевые компоненты суставов остается сохранными. Кроме этого, в зоне повреждения значительная часть отдельных хондроцитов или их изогенных групп, окруженных небольшим количеством матрикса в мелких и крупных фрагментах, а также в неразрушенном матриксе сохраняют свою структуру без дегенеративно-дистрофических признаков, что указывает на их жизнеспособность даже при распаде хряща. Это может свидетельствовать о сохраненной синовиальной среде сустава. О длительной жизнеспособности хрящевых фрагментов в суставной полости известно из литературы. Имеются данные об образовании в полости сустава из отколовшихся кусочков

суставного хряща больших шарообразных внутрисуставных тел, состоящих из собственного гиалинового хряща и субхондральной губчатой кости [Миронов С.П., Омельяненко Н.П., Орлецкий А.К., 1994]. Наряду с пролиферативными потенциями хондроцитов в частично разрушенном хряще и их возможностями автономно существовать в небольших фрагментах межклеточного матрикса в суставной полости вне основного хрящевого массива также наблюдается активизация остеогенеза в надкостнице кости таза, образующей стенку вертлужной впадины. Очевидно, это связано с микроповреждениями в костной стенке на поверхности суставной впадины, возникающими под воздействием головки бедренной кости при ходьбе с нагрузкой.

Обнаруженные в тазобедренных суставах экспериментальных животных изменения можно оценивать как признаки развивающегося остеоартроза и считать их результатом неадекватной механической нагрузки. Учитывая характер реактивных изменений тканевых компонентов суставов и степень деструкции суставного хряща, а также пролиферативные возможности хондроцитов, можно предположить, что устранение дополнительной (нефизиологической) нагрузки или ее компенсация приведет к частичному восстановлению поврежденного суставного хряща. Репаративному процессу будут способствовать сохранившиеся тканевые компоненты суставов. В условиях адекватной механической нагрузки возможен также процесс костного ремоделирования с восстановлением нормальной структуры субхондральной кости. К сожалению, временной промежуток, необходимый для репаративной регенерации поврежденного хряща и субхондральной кости продолжительный, и может достигать нескольких лет.

Перегрузка суставов может быть создана перераспределением массы тела, которое возникает при оперативном вмешательстве на одной из нижних конечностей или при ее травме. Это было показано на экспериментальных животных в настоящей работе. Хотя при операции эндопротезирования на одной (задней) конечности масса животного частично перераспределялась на

три оставшиеся конечности, тем не менее, в суставных хрящах головки бедренной кости и вертлужной впадины противоположной конечности появлялись разрушения аналогичные таковым у овец носившим в течение 2-х лет отягощение. Полученные экспериментальные данные указывают на необходимость создания дополнительных буферных систем, как на оперированную (эндопротезирование), так и на не оперированную конечность у человека с целью компенсации утраченного естественного суставного соединения с одной стороны, и нивелирования воздействия перераспределенного избыточного веса с другой стороны. В клинике для этого используется дополнительная опора - вполне обоснованная лечебная процедура.

ВЫВОДЫ

1. Разработаны модели посттравматических и дегенеративных изменений компонентов крупных суставов, которые позволяют изучать самопроизвольное заживление поврежденных тканей суставов, а также в условиях различных воздействий на репаративный процесс.

2. Наиболее подходящим животным для изучения посправматических и дегенеративных изменений тканевых компонентов сустава является овца в связи с определенным структурным и функциональным сходством её крупных суставов с таковыми у человека, а также возможностью проведения оперативных вмешательств, аналогичных используемым в клинике (артроскопия, эндопротезирование).

3. Наименее травматичным оперативным доступом к оптимальной зоне для нанесения экспериментальных дефектов хряща и субхондральной кости - нагружаемой поверхности медиального мыщелка бедра коленного сустава овцы - является медиальная миниартротомия вдоль собственной связки надколенника.

4. Динамика заживления и морфологический исход восстановления травматически поврежденного суставного хряща и субхондральной кости мыщелков бедренных костей коленного сустава у овец при одинаковой топографической локализации и площади дефекта зависят от глубины повреждения, при этом восстановление одинаково поврежденного суставного хряща и субхондральной кости латерального и медиального мыщелков бедра коленного сустава овцы различны в связи с наличием бедро-берцовой связки латерального мыщелка.

5. Увеличение нагрузки на суставы овцы за счет отягощения (10 кг.), равного 1/3 её веса, а также увеличение нагрузки в одном из тазобедренных суставов овцы за счёт её перераспределения при эндопротезировании другого сустава приводит к развитию дегенеративных изменений основных компонентов тазобедренных суставов, схожих с таковыми при остеоартрозе у человека.

6. Перегрузка суставов экспериментальных животных, приводящая к дегенеративным изменениям их компонентов, может быть использована в качестве модели для отработки оперативных и консервативных методов лечения этих изменений у животных перед применением в клинике.

СПИСОК РАБОТ

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Миронов С.П., Омельяненко Н.П., Шерепо K.M., Семенова JI.A., Карпов И.Н., Курпяков А.П. Морфология тканевых компонентов тазобедренного сустава у экспериментальных животных при моделировании остеоартроза. // Вестник травматологии и ортопедии им. H.H. Приорова. М., 2006, № 1, С. 57-63.

2 Миронов С.П., Омельяненко Н.П., Шерепо K.M., Семенова JI.A., Карпов И.Н., Курпяков А.П. Моделирование коксартроза у овец при перегрузках суставов. //Сборник тезисов докладов VII съезда травматологов-ортопедов России. Самара, 5-8 июня 2006 г. С. 573.

3 Миронов С.П., Омельяненко Н.П., Шерепо K.M., Семенова Л.А., Карпов И.Н., Курпяков А.П. Морфологические изменения в тканевых компонентах тазобедренного сустава у экспериментальных животных при перегрузке. // Вестник морфологии. М., 2007, №1, С. 35-40.

4 Миронов С.П., Омельяненко Н.П., Кон Е.А., Орлецкий А.К., Карпов И.Н. Курпяков А.П. Классификация и методы лечения хрящевых дефектов (обзор литературы). // Вестник травматологии и ортопедии им. H.H. Приорова. М., 2008, № 2, С. 43-46.

5 Миронов С.П., Омельяненко Н.П., Кон Е.А., Орлецкий А.К., Карпов И.Н., Курпяков А.П. Использование аутологичных хондроцитов для восстановления поврежденного суставного хряща. (обзор литературы)//Вестник травматологии и ортопедии им. H.H. Приорова. М., 2008, № 3, С. 33-36.

Подписано в печать 10.11.2009 г.

Формат 60/84 1x16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. п. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № П-522

Типография «Телер» 125130, Москва, ул. Клары Цеткин д.ЗЗ кор.50 Тел.: (495) 937-8664

Актуальностьпроблемы. Деструктивно-дегенеративные изменения суставов имеют широкое распространение во всем мире. Одной из наиболее часто встречающихся патологий является остеоартроз (деформирующий артроз, остеоартрит). Распространенность остеоартроза в популяции (6,43%) коррелирует с возрастом и достигает максимальных показателей (13,9%) у лиц старше 45 лет (Цветкова Е.С.,1997), он составляет до 55% среди всех нозологических форм патологии суставов. В период 1990-2020 годов ожидается удвоение числа пациентов, страдающих дегенеративно-дистрофическими заболеваниями суставов в возрастной группе старше 50 лет. Важна социальная роль этих заболеваний. Они приводят к потере трудоспособности и инвалидности, в основном из-за ограничения объема движений в суставах, у 20-30% заболевших. Одной из часто встречающихся причин развития подобных изменений является травма.

В настоящее время, в клинике используется ряд методов консервативного и оперативного лечения данной патологии (разгрузка суставов, хондропротекторы, озон-кислородные инъекции, хондропластика, мозаикпластика, эндопротезирование), которые уменьшают болевой синдром, связанный в основном с воспалением синовиальной оболочки сустава, увеличивают подвижность сустава, но значимых результатов по восстановлению суставного хряща этими методами не достигается. Остаётся не вполне раскрытым этиопатогенез посттравматических изменений суставного хряща и субхондральной кости, а также степень влияния различных факторов на проявление данной патологии. В связи с вышеуказанным, проводятся исследования на различных моделях для выявления закономерностей течения этого процесса и поиска возможностей влияния на него. Предложенные на сегодняшний день модели по механизму его развития дегенеративных изменений делят на:

1. спонтанный OA (генетическая предрасположенность, возраст, дисплазия);

2. химически индуцированные дегенеративные изменения (введение папаина, химопапаина, коллагеназы, гипертонического раствора);

3. травматически индуцированные дегенеративные изменения (пересечение ПКС, менискэктомия, миоэктомия, посттравматические состояния, нанесение дефектов хряща и субхондральной кости). Модели посттравматических дегенеративных изменений крупных суставов у животных удобны для исследования развития структурных изменений в суставных тканях для выяснения того, как различные факторы риска их инициируют или способствуют появлению этих изменений, а также для оценки применяемых терапевтических мер и эффективности используемых оперативных методик. Они позволяют изучать полученные изменения тканевых компонентов сустава при данной патологии не только с использованием неинвазивных клинических методов (рентгенография, КТ, МРТ и т.д.), но и используя инвазивные методы (гистологический, гистохимический, электронно-микроскопический), что невозможно в клинической практике.

Экспериментальные исследования дегенеративных изменений хряща, в основном, проводятся на собаках и кроликах путем введения в полость сустава витамина А, глюкокортикоидов, талька и т.д. Однако этиологические факторы остеоартроза в вышеуказанных моделях не являются таковыми для остеоартроза человека. Кроме этого, дегенеративные изменения, возникающие у человека чаще всего при неадекватной нагрузке, невозможно получить в эксперименте у собак и кроликов, так как их суставной хрящ и субхондральная костная пластинка обладают высокой амортизационной способностью.

Особенностью представленных в литературе моделей деструктивно-дегенеративных изменений является то, что при их использовании в эксперименте невозможно устранить действие фактора, вызвавшего патологические изменения, и, следовательно, остановить дальнейшее развитие патологического процесса. Очевидно, что в таких условиях непосредственный перенос различных методов лечения из экспериментов в клинику может оказаться не адекватным и малоэффективным. Кроме этого, малый размер суставов у наиболее часто используемых экспериментальных животных (у крыс, цыплят, кроликов) делает невозможным отработку и модификацию многих оперативных методик лечения, используемых на сегодняшний день в клинической практике. Например, невозможно выполнить хондропластику на мышиной модели деструктивных изменений суставного хряща, так как его толщина у этих животных составляет 0,3 мм.

В связи с этим имеется необходимость совершенствования и стандартизации существующих, а также разработки новых методик экспериментального моделирования посттравматических дегенеративных изменений, где имелась бы возможность исключения фактора, вызвавшего это заболевание у данной модели, суставы животного были достаточного размера, и имелось максимальное сходство гистологической характеристики тканевых компонентов сустава животного с таковыми характеристиками сустава человека. Кроме того, необходимы дополнительные знания об особенностях анатомического и гистологического строения компонентов суставов экспериментальных животных в норме.

В связи с этим целью исследования являлась разработка адекватной модели деструктивно-дегенеративных изменений для исследования закономерностей развития репаративной регенерации тканевых компонентов крупных суставов экспериментальных животных после травматического повреждения суставного хряща и субхондральной кости, при дегенеративных изменениях, а также адаптация данной модели для разработки патогенетически обоснованных методов оптимизации репаративного процесса.

Задачи исследования:

1. Изучение анатомо-гистологической (морфологической) характеристики компонентов тазобедренного и коленного суставов овец в норме.

2. Разработка малотравматичных оперативных доступов при операциях на коленном суставе овцы.

3. Морфологическое исследование посттравматических изменений суставного хряща и субхондральной костной пластинки после нанесения отличающихся по глубине дефектов, расположенных на нагружаемой поверхности мыщелков бедра коленного сустава овцы, выполненное на различных сроках наблюдения.

4. Исследование структурных изменений тканевых компонентов тазобедренного сустава у овец при их длительной перегрузке.

Новизна

1. Получена анатомическая и морфологическая характеристика тканевых компонентов крупных суставов овцы в норме, при вызванных в эксперименте перегрузках, и при нанесении травматических повреждений суставного хряща и субхондральной кости нагружаемой поверхности мыщелков бедра, различных по глубине на различных сроках наблюдения.

2. Предложена схема выполнения экспериментальных повреждений коленного сустава овцы для стандартизации проводимых исследований с возможностью сравнения получаемых от различных методик результатов.

3. Разработаны малотравматичные оперативные доступы к мыщелкам бедренной кости коленного сустава овец для проведения экспериментальных оперативных вмешательств по моделированию посттравматических изменений хряща и субхондральной костной пластинки.

4. Определены локализация, размеры, глубина наносимых дефектов, а также сроки наблюдения для обеспечения повторяемости результатов эксперимента при моделировании посттравматических изменений хряща и субхондральной костной пластинки.

На основании полученных результатов и их сопоставления с литературными данными предложена экспериментальная модель деструктивно-дегенеративых изменений тканевых компонентов крупных суставов у овец, которая могла бы использоваться для отработки некоторых методик лечения посттравматически измененных крупных суставов.

Практическая значимость работы заключается в получении модели деструктивно-дегенеративных изменений крупных суставов, которая дала возможность изучить пути развития дегенеративно-дистрофических процессов, что в свою очередь позволит разработать патогенетические методы воздействия на процессы репарации, а также модифицировать имеющиеся или разработать новые методики консервативного и оперативного лечения последствий травматического повреждения суставного хряща и субхондральной костной пластинки. Стандартизация проведения экспериментальных оперативных вмешательств и данные по восстановлению различных повреждений в разных временных промежутках позволили получить высокую повторяемость результатов эксперимента и, соответственно, уменьшить финансовые и временные затраты на проведение экспериментальных работ по изучению посттравматических изменений хряща и субхондральной костной пластинки крупных суставов, а также методов влияния на них. Полученные результаты позволили на доклиническом этапе отработать применение новых материалов для заполнения дефектов хряща и субхондральной кости, и методов влияния на репаративный процесс в крупных суставах после травмы и при дегенеративных изменениях.

Положения, выносимые на защиту.

Оптимальным местом для нанесения экспериментальных повреждений суставного хряща и субхондральной кости коленного сустава овцы является нагружаемая поверхность (задняя треть) медиального мыщелка бедренной кости с доступом к ней по передней поверхности сустава с использованием медиальной миниартротомии вдоль собственной связки надколенника.

Дефекты, нанесенные на мыщелках бедра коленного сустава овцы при одинаковом диаметре повреждения, но различающиеся по глубине, имеют свои особенности восстановления: в разной степени восстанавливается субхондральная костная пластинка, ткани, закрывающие дефект, имеют различную толщину и содержат разное количество клеточных элементов, различающихся в свою очередь по морфологическим признакам.

Морфологическая динамика изменений и исход заживления одинаково поврежденных суставных хрящей и субхондральной кости латерального и медиального мыщелков бедра коленного сустава овцы имеют существенные различия, обусловленные особенностями анатомического строения и разницей в функциональной нагрузке мыщелков бедра.

Длительная перегрузка суставов овец дополнительным (плюс 30% от массы тела) весом или вызванная перераспределением нагрузки за счет однополюсного эндопротезирования тазобедренного сустава приводит к развитию дегенеративных изменений суставных компонентов, аналогичных изменениям при остеоартрозе у человека.

Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано пять статей, тезисы. Материалы доложены: на VIII съезде травматологов-ортопедов России «Травматология и ортопедия XXI века», Самара, 6-8 июня, 2006 г.; заседании ученого совета ЦИТО им. Н.Н.Приорова, Москва, 28 ноября 2008г.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 140 страницах, содержит 92 рисунка. Состоит из введения, обзора литературы, 3 глав, заключения, выводов и списка использованной литературы (18 отечественных и 102 иностранных источников).

5. ВЫВОДЫ

1. Разработаны модели посттравматических и дегенеративных изменений компонентов крупных суставов, которые позволяют изучать самопроизвольное заживление поврежденных тканей суставов, а также в условиях различных воздействий на репаративный процесс.

2. Наиболее подходящим животным для изучения посттравматических и дегенеративных изменений тканевых компонентов сустава является овца в связи с определенным структурным и функциональным сходством её крупных суставов с таковыми у человека, а также возможностью проведения оперативных вмешательств, аналогичных используемым в клинике (артроскопия, эндопротезирование).

3. Наименее травматичным оперативным доступом к оптимальной зоне для нанесения экспериментальных дефектов хряща и субхондральной кости - нагружаемой поверхности медиального мыщелка бедра коленного сустава овцы - является медиальная миниартротомия вдоль собственной связки надколенника.

4. Динамика заживления и морфологический исход восстановления травматически поврежденного суставного хряща и субхондральной кости мыщелков бедренных костей коленного сустава у овец при одинаковой топографической локализации и площади дефекта зависят от глубины повреждения, при этом восстановление одинаково поврежденного суставного хряща и субхондральной кости латерального и медиального мыщелков бедра коленного сустава овцы различны в связи с наличием бедро-берцовой связки латерального мыщелка.

5. Увеличение нагрузки на суставы овцы за счет отягощения (10 кг.), равного 1/3 её веса, а также увеличение нагрузки в одном из тазобедренных суставов овцы за счёт её перераспределения при эндопротезировании другого сустава приводит к развитию дегенеративных изменений основных компонентов тазобедренных суставов, схожих с таковыми при остеоартрозе у человека.

6. Перегрузка суставов экспериментальных животных, приводящая к дегенеративным изменениям их компонентов, может быть использована в качестве модели для отработки оперативных и консервативных методов лечения этих изменений у животных перед применением в клинике.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

При травме крупных суставов в большинстве случаев происходит повреждение суставного хряща мыщелков. Последствиями травматического повреждения суставного хряща и субхондральной кости является деформирующий остеоартроз, который протекает с быстрой сменой стадий вплоть до IV. Не смотря на использование в клинике целого ряд методов консервативного и оперативного лечения данной патологии, значимых результатов по восстановлению суставного хряща пока не достигается, а также остаётся не до конца раскрытым патогенез посттравматического остеоартроза и степень влияния различных факторов на проявление данной патологии. В связи с этим проводятся исследования на различных экспериментальных моделях остеоартроза у различных животных для выявления закономерностей течения этого процесса и поиска возможностей влияния па него. Использование в работе в виде экспериментальных животных овец в количестве 30 особей позволило получить большой объём информации. Учитывая патогенез посттравматических изменений в крупных суставах (как одномоментная острая травма, так и хроническая травматизация в течение длительного времени), в работе провели две серии экспериментов:

Серия I — Экспериментальное моделирование травматического повреждения суставного хряща и субхондральной костной пластинки и последующих посттравматических изменений компонентов сустава. 16 животных были разделены на 4 экспериментальные группы по 4 особи:

1 Животные с созданным не полнослойным дефектом неминерализованной части гиалинового суставного хряща до его глубокой трети диаметром 5 мм на нагружаемой поверхности внутреннего мыщелка бедра.

2 Животные с созданным дефектом суставного хряща до субхондральной кости диаметром 5мм на нагружаемой поверхности внутреннего мыщелка бедра.

3, Животные с созданным остеохондральным дефектом диаметром 5мм и глубиной 5мм на нагружаемой поверхности внутреннего мыщелка бедра. 4 Животные с созданным дефектом суставного хряща до субхондральной кости диаметром 5мм на ненагружаемой части наружного мыщелка бедра под бедро-берцовой связкой.

Серия II — Экспериментальное моделирование дегенеративных изменений суставного хряща и субхондральной костной пластинки, возникшие в результате перегрузки суставов.

12 овец разделены на три группы (по 4 особи в каждой):

1 В первой опытной группе овцам надевали на спину специально закрепленные жилеты с металлическими пластинами (10 кг), увеличивающие вес каждого животного соответственно на 1/3. Этим создавалась дополнительная нагрузка на все суставы.

2 Во второй опытной группе животным были выполнены операции эндопротезирования одного тазобедренного сустава, для перераспределения массы животного на не оперированную заднюю конечность.

3 В третьей контрольной (интактной) группе овцы оставались в естественном состоянии.

2 животных были использованы для отработки операционного доступа и анестезиологического пособия.

Для получения высокой повторяемости результатов исследования у различных особей в каждой группе на разных временных промежутках провели стандартизацию экспериментальных оперативных вмешательств. В I серии, в каждой группе для анестезии использовали: Кетонал 1,0 в/м, 0,5 мл 2% раствора Рометара в/м и местную интраартикулярную анестезию 0,5% р-ром Лидокаина. Впоследствии была отработана и внедрена перидуральная люмбальная анестезия 1% р-ром Лидокаина 5 мл. Проводилась инъекция в области пояснично-крестцового отдела, игла проводилась до перидурального пространства, куда инъецировалось 5 мл р-ра Лидокаина. Объем Лидокаина рассчитывали по формуле: длина животного от затылка до корня хвоста в сантиметрах, делённая на 10. Благодаря детальному изучению анатомического строения суставов овец удалось разработать малотравматичный оперативный доступ, определить зоны нагрузки на хрящ сустава, особенности строения и биомеханики сустава, влияющие на результаты экспериментов. Медиальная миниартротомия по внутренней поверхности собственной связки надколенника позволила обойти крупные сосуды и, не повреждая связочный аппарата сустава, осуществить доступ к нагружаемой поверхности хряща внутреннего мыщелка бедра. Экспериментально доказано, что оперативный доступ по Пайру, активно использующийся в ветеринарной практике, приводит к' выраженному нарушению биомеханики сустава. Необходимо учитывать, что у овцы, в отличие от собаки или кошки поднадколенниковый мыщелок более выражен, смещён проксимально'и берет на себя очень большую нагрузку, т.к. в покое угол сгибания в коленном суставе овцы составляет 45 градусов.

Учитывая вышеперечисленные особенности, при оперативном вмешательстве производили миниартротомию медиальнее собственной связки надколенника (при работе на наружном мыщелке — модель деструктивных изменений — I серия, группа №4 - по наружной поверхности, кнаружи от собственной связки надколенника), с учетом анатомии тупо и остро производили доступ к внутреннему мыщелку бедра. Специальной фрезой диаметром 5 мм делали отграничение зоны дефекта и извлекали хрящ на соответствующую глубину кюреткой (серия I, группа №1 - на 0,5 толщины хряща, группа №2 - до минерализованной зоны хряща, группа №3 — с разрушением субхондральной костной пластинки сверлом диаметром 5 мм на глубину 5-6 мм.). Сустав промывали 0,9% р-ром NaCl и послойно ушивали с восстановлением поврежденных анатомических образований.

Во II серии, благодаря изучению анатомического строения тазобедренного сустава овцы, удалось модифицировать чашку эндопротеза для достижения его стабильности, т.к. вертлужная впадина у овец гораздо меньше впадин у собак, для которых подобный экспериментальный протез был рассчитан.

Чашка вновь модифицированного эндопротеза для овец имела воротник для опоры на наружные края вертлужной впадины и толстую ножку, т.к. у данного вида животных мелкая вертлужная впадина и толстая бедренная кость с тоикими стенками диафиза. Наружный диаметр чашки составил 24 мм, ножки по верхнему краю 14 мм.

Операцию эндопротезирования проводили под внутривенным кетаминовым наркозом. Боковым доступом обнажали область тазобедренного сустава, отсекали и удаляли большой вертел. Рассекали капсулу сустава и удаляли проксимальный отдел бедренной кости, включающий головку, шейку и межвертельную область, выполняя остеотомию на уровне малого вертела. Резецировали хрящ и углубляли вертлужную впадину, затем удаляли костный мозг из полости бедренной кости. Производили гемостаз и высушивание костных полостей, затем вводили в костномозговой канал бедра костный цемент и устанавливали ножку. Чашку протеза устанавливали на цемент и дополнительно фиксировали костными винтами. Производили пластику мышц и гемостаз. Делали рентгенологический контроль установки эндопротеза. Из наркоза овцы выходили через 30 минут после операции, а на следующий день стояли и осторожно ходили, слегка приступая на оперированную ногу. Послеоперационный период протекал без осложнений, раны заживали первичным натяжением.

Изучение полученного в эксперименте материала с помощью рентгеновского и морфологического методов (световая микроскопия), а также морфометрического метода и клинического обследования экспериментальных животных позволило всесторонне оценить полученные в эксперименте данные.

Выделенные тазобедренные и коленные суставы с фрагментами бедренных и болыпеберцовых костей исследовали визуально и рентгенологически. Производилась фотосъемка объектов на цифровую фотокамеру NIKON D90 с макрообъективом. Компоненты сустава: головку бедренной кости, синовиальную оболочку, связку головки бедренной кости, суставную капсулу изучали морфологическими методами с использованием светооптической микроскопии.

Для гистологического исследования материал заключали в целлоидин, окрашивали гематоксилином и эозином, заключали на предметные стёкла. Изучение материала проводили на световом микроскопе NICON ECLIPSE Ti с цифровой фотокамерой и блоком захвата, с использованием объективов х2, х4, х10, х20, х40.

Разработка модели травматических повреждений компонентов суставов предусматривает прежде всего возможность определения роли или значения этих компонентов в биомеханике сустава и последствий их повреждений или утраты.

Учитывая, что основной функцией суставного хряща является биомеханическая: амортизация и распределение нагрузки равномерно по площади контакта, перемещение (скольжение) смежных мыщелков относительно друг друга благодаря перераспределению жидкости между фибриллами хрящевой ткани, разная степень нарушения структуры последней приводит к различным исходам заживления и нарушения функции сустава.

Так в I серии экспериментов при частичном (не полнослойном) повреждении суставного хряща на нагружаемой части мыщелка (группа №1), при котором не повреждается субхондральная кость, происходит ее гипертрофия, т.е. утолщение субхондральной костной пластинки. Можно предположить, что частичная утрата амортизационной функции частично поврежденного хряща приводит к увеличению нагрузки на субхондральную кость и вызывает её микроповреждения которые в свою очередь являются стимулом последующей гипертрофии и увеличением ее толщины. Однако при этом суставной хрящ восстанавливается только частично (примерно до Vi толщины от исходного). Поэтому, несмотря на гипертрофию субхондральной кости в области поврежденного хряща, его анатомические границы не восстанавливаются, т.е. сохраняется углубление и, следовательно, не достигается конгруэнтности суставных поверхностей мыщелков.

Морфология хондроцитов во вновь образованном хряще указывает на их происхождении из сохраненного минерализованного слоя хряща.

При такой степени повреждения суставного хряща можно предположить, что для его полноценного восстановления целесообразно снизить нагрузку на травмированный сустав. Кроме того, имеет смысл с помощью, скажем, артроскопии заполнить дефект, т.е. закрыть поврежденный хрящ каким-либо биосовместимым резорбируемым материалом для временной компенсации утраченной амортизационной функции. Последующая резорбция поверхностной защитной матрицы могла бы служить дополнительной стимуляцией процессов репарации.

Более выраженные тканевые изменения происходят при полнослойном повреждении (дефекте) суставного хряща на нагружаемой части внутреннего мыщелка бедренной кости (группа №2). При этом удаляется весь неминерализованный хрящ с частичным удалением минерализованного хряща, граничащего с субхондральной костной пластинкой. Так как граница между ними, обозначенная базофильной линией при окрашивании гистологических срезов гематоксилином и эозином, неровная и имеет волнистый характер, граница между минерализованным хрящом и субхондральной костной пластинкой неровная и имеет выраженный вертикальный рельеф. При удалении минерализованного слоя открываются каналы, соединяющие межбалочные пространства субхондральной кости с суставной полостью в области дефекта. Очевидно, проникновение компонентов синовиальной жидкости в межбалочные пространства субхондральной костной пластинки может вызвать асептическое воспаление в подлежащей субхондральной кости и ее дальнейшую резорбцию.

В этом случае, оставшийся минерализованный хрящ и подлежащая под ним субхопдральная костная пластинка остаются без амортизирующей защиты, осуществляемой в норме гиалиновым суставным хрящом. Повышенной нагрузке подвергается также и сохранившийся суставной хрящ особенно по краям дефекта. В связи с этим уже через месяц (возможно даже раньше) края суставного хряща в зоне дефекта становятся сглаженными в связи с чем, впадина, возникшая в результате повреждения, расширяется. На поверхности суставного хряща вблизи дефекта появляется четко выраженный рельеф не характерный для суставной поверхности этих участков. Дно дефекта покрыто волокнистой соединительной тканью, через которую просвечивают сосуды. Это связано с резорбцией слоя минерализованного хряща и субхондральной костной пластинки как результат асептического воспаления и повышенной (относительно) нагрузки на данный участок. В созданный дефект открывается доступ соединительнотканных клеток костного мозга. Среди этих клеток есть и стволовые соединительнотканные клетки, которые при завершении воспаления, пролиферируя, заполняют часть дефекта волокнистой соединительной тканью, изолируя с помощью ее остальные подлежащие ткани от возможного негативного действия синовиальной жидкости. В этой соединительной ткани имеется большое количество сосудов. Она служит микросредой, где начинается и протекает репаративная костная регенерация, проявлением которой является формирования остеоида — костной ткани на стадии формирования, предшествующей минерализации. Он образуется также вокруг старых костных балок, окруженных соединительной тканью и находящихся в зоне дефекта. Костная ткань образуется и в соединительной ткани, заполняющей межбалочные пространства. В результате формируется новая субхондральная костная пластинка, соединенная с костными балками старой субхондральной кости. Происходит восстановление целостности всей субхондральной костной пластинки мыщелка. Однако она деформирована. Волокнистая соединительная ткань может служить также средой для образования суставного хряща. Вначале формируется волокнистый хрящ, который значительно тоньше интактного гиалинового хряща и естественно имеет другую структурную организацию, не в полной мере приспособленную к выполнению амортизационной (демпфирующей) функции. Очевидно, именно поэтому со временем происходит постепенное ремоделирование структуры новообразованного суставного хряща и к 6-ти месяцам после повреждения часть его структуры становится гиалиноподобной. В связи с этим, в целом новообразованный хрящ приобретает мозаичный, волокнисто-гиалиновый вид. Возможно, что дальнейшее ремоделирование под воздействием биомеханических факторов и синовиальной среды сустава сделает структуру этого хряща полностью гиалиноподобной. Однако толщина новообразованного хряща с 3-го по 6-й месяц наблюдения не меняется. Образование слоя минерализованного хряща, вероятно, ограничивает доступ питательных веществ и соединительнотканных клеток-предшественников к неминерализованной части новообразованного хряща, что затрудняет его рост. Эти факты следует учитывать при разработке патогенетической терапии посттравматических остеоартрозов.

При травматических дефектах суставного хряща глубиной до минерализованного слоя хряща и субхондральной костной пластинки поврежденные ткани восстанавливаются не более чем на 1/3 от исходной толщины хряща и в основном за счет клеточных элементов, идущих от дна дефекта, при этом краевая регенерация (прилегающего к зоне дефекта суставного хряща) не очень выражена — чётко прослеживается граница между сохранившимся и новообразованным хрящом и диаметр дефекта на 1/4 больше диаметра исходного. Следует также обратить внимание на то, что избыточное шейвирование до субхондральной кости в клинике неизбежно приведет к усугублению деформирующего артроза, т.к. будет выраженная костно-пластическая реакция в виде утолщения субхондральной кости (тем самым ограничивается доступ питательных веществ и соединительнотканных клеток-предшественников из губчатой кости). В связи с этим, при использовании шейвирования имеет смысл удалять только отслоившиеся нежизнеспособные хрящевые фрагменты.

При свежих глубоких дефектах суставного хряща (вплоть до субхондральной костной пластинки) при наличии хотя бы небольшого количество минерализованного хряща на . дне дефекта, возможно, не следует его уничтожать, проводя перфорации субхондральной кости, которые, вызывая асептическое воспаление, в последствии приводят к выраженному остеогенезу и, соответственно, к последующему утолщению субхондральной костной пластинки в зоне дефекта. В случае, когда повреждение хряща не острое, и изменения, а именно, склерозирование с утолщением, субхондральной кости уже произошли - возможно, стоит не перфорировать субхондральную кость, вызывая дальнейшее склерозирование, а уменьшить её толщину за счет послойного истончения (например, артроскопическим бором). Это позволит не только открыть множество микроканалов, соединяющих губчатое вещество мыщелка с полостью сустава, через которые клетки стромы костного мозга попадают в зону дефекта, ■ но и при адекватном послеоперационном ведении (исключение нагрузки на мыщелок, использовании пассивных движений без нагрузки и т.д.) не допустить её быстрого дальнейшего утолщения, т.к. со временем, как показано в эксперименте, субхондральная костная пластинка сама разрушается и заново формируется на месте дефекта. В момент восстановления кости доступ клеток стромы костного мозга также сильно не ограничен.

При полном разрушении субхондральной костной пластинки и субхондральной кости на глубину соответствующую диаметру дефекта (группа №3) имеются условия для более массивного выхода клеток стромы костного мозга в зону дефекта, но полноценного восстановления поврежденной субхондральной кости и субхондральной костной пластинки не происходит. Это можно связать с отсутствием необходимого количества резорбируемого материала, т.е. частиц разрушенной кости, соответствующего массе губчатой костной ткани субхондральной кости иссеченной при создании дефекта. На начальном этапе восстановления на дне и по краям дефекта происходит краевая резорбция кости, при которой выделяются факторы запускающие (индуцирующие) и в дальнейшем стимулирующие процесс остеогенеза.

Очевидно, что в основе методов лечения таких повреждений должна лежать стимуляция остеогенеза компонентами костной ткани или факторами, выделенными из нее. Однако собрать и сбалансировать эти отдельные факторы в оптимальном количестве для стимуляции остеогенеза в очаге регенерации достаточно сложно, если вообще возможно.

Данные, полученные в группе №4 (полнослойный дефект до субхондральной костной пластинки на наружном мыщелке бедра) свидетельствуют о большой разнице результатов между применением одинаковой техники выполнения дефектов при одинаковых условиях на наружном и внутреннем мыщелках бедра коленного сустава овцы. К этому мыщелку у животного прилежит особая бедро-берцовая связка, идущая через полость сустава и при ходьбе изменяющая своё натяжение и, соответственно, степень прижатия к поверхности мыщелка. Ширина в прижатом к хрящу мыщелка состоянии - 7-8 мм., что полностью перекрывает дефект, и при давлении на эту зону происходит своеобразный гидродинамический удар находящейся в дефекте синовиальной жидкостью по дну и краям дефекта. Это явление позволило объяснить отсутствие

1 п о

1JJ изменений в зоне дефекта на 1-м месяце наблюдения, когда животное ограничивало движения в коленном суставе, а затем резкое увеличение глубины дефекта на шестом месяце с полным разрушением субхондральной костной пластинки (на этом сроке животное давало полную нагрузку на сустав).

Сформировавшиеся постравматические структуры в суставном хряще и субхондральной кости мыщелков бедра коленного сустава оперированных овец являются постоянными и могут рассматриваться как признаки посттравматического деформирующего остеоартроза. По глубине вовлеченных хрящевой и костной тканей можно выделить 3 степени явлений посттравматического остеоартроза, при каждой из которых пораженный сустав может быть использован в качестве модели при подборе адекватной терапии.

Хондральный (поверхностный) посттравматический остеоартроз (первая степень) - имеется утонченный гиалиноподобный суставной хрящ и утолщенная гипертрофированная субхондральная костная пластинка. Хондрооссальный посттравматический остеоартроз (вторая степень) — имеется гиалино-волокнистый суставной хрящ и репаративно ремоделированная субхондральная костная пластинка.

Остеохондральный посттравматический остеоартроз (третья степень) — имеется волокнистый хрящ и дефект субхондральной кости. Оценивая результаты экспериментов с перегрузкой суставов, можно уверенно сказать, что длительная перегрузка суставов у овец, вызванная созданным отягощением равным 1\3 их естественного веса или перераспределением веса тела при одностороннем эндопротезировании, является хроническим травмирующим фактором. В течение 2-х лет это привело к значительному нарушению структуры суставного гиалинового хряща головок бедренных костей и вертлужной впадины на нагружаемых участках. Выявлены реактивные изменения костной ткани стенки вертлужной впадины по нагружаемой поверхности в виде репаративного остеогенеза с ее утолщением, частичная трансформация жировой ткани губчатой кости в волокнистую соединительную ткань. Следовательно, в жизнедеятельности и функционировании суставов в условиях повышенной механической нагрузки можно условно выделить два одновременно протекающих процесса: деструктивный и репаративный. На преобладание первого в суставах подопытных животных указывает наличие в одном суставе нескольких степеней деструкции суставных хрящей на нагружаемых участках. В тоже время большая часть ненагружаемых или мало нагружаемых участков суставных хрящей головок бедренных костей и суставных впадин, а также другие тканевые компоненты суставов остается сохранными. Кроме этого, в зоне повреждения значительная часть отдельных хондроцитов или их изогенпых групп, окруженных небольшим количеством матрикса в мелких и крупных фрагментах, а также в неразрушенном матриксе сохраняют свою структуру, что указывает на их жизнеспособность даже при распаде хряща. Это может свидетельствовать о сохраненной синовиальной среде сустава. О длительной жизнеспособности хрящевых фрагментов в суставной полости известно из литературы. Имеются данные об образовании в полости сустава из отколовшихся кусочков суставного хряща больших шарообразных внутрисуставных тел, состоящих из собственного гиалинового хряща и субхондральной губчатой кости [135]. Наряду с пролиферативными потенциями хондроцитов в частично разрушенном хряще и их возможностями автономно существовать в небольших фрагментах межклеточного матрикса в суставной полости вне основного хрящевого массива также наблюдается активизация остеогенеза в надкостнице кости таза, образующей стенку вертлужной впадины. Очевидно, это связано с микроповреждениями в костной стенке па поверхности суставной впадины, возникающими под воздействием головки бедренной кости при ходьбе с нагрузкой.

Обнаруженные в тазобедренных суставах экспериментальных животных изменения можно оценивать как признаки развивающегося остеоартроза и считать их результатом неадекватной механической нагрузки и хронической травматизации. Учитывая характер реактивных изменений тканевых компонентов суставов и степень деструкции суставного хряща, а также пролиферативные возможности хондроцитов, можно предположить, что устранение дополнительной (нефизиологической) нагрузки или ее компенсация приведет к частичному восстановлению поврежденного суставного хряща. Репаративному процессу будут способствовать сохранившиеся тканевые компоненты суставов. В условиях адекватной механической нагрузки возможен также процесс костного ремоделирования с восстановлением нормальной структуры субхондральной кости. К сожалению, временной промежуток, необходимый для репаративной регенерации поврежденного хряща и субхондральной кости продолжительный, и может достигать нескольких лет.

Перегрузка суставов может быть создана перераспределением массы тела, которое возникает при оперативном вмешательстве на одной из нижних конечностей или при ее травме. Это было показано на экспериментальных животных в настоящей работе. Хотя при операции эндопротезирования на одной (задней) конечности масса животного частично перераспределялась на три оставшиеся конечности, тем не менее, в суставных хрящах головки бедренной кости и вертлужной впадины противоположной конечности появлялись разрушения аналогичные таковым у овец носившим в течение 2-х лет отягощение. Полученные экспериментальные данные указывают на необходимость создания дополнительных буферных систем, как на оперированную (эндопротезирование), так и на неоперированную конечность у человека с целью компенсации утраченного естественного суставного соединения с одной стороны, и нивелирования воздействия перераспределенного избыточного веса с другой стороны. В клинике для этого используется дополнительная опора - вполне обоснованная лечебная процедура.