Самошкин И.Б. и соавт.
Центр травматологии животных СББЖ САО, ГБУ «Мосветобъединение»,
ФГУ ЦИТО им. Н.Н. Приорова, ГУЗ НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского.
В настоящее время для лечения поражений хряща при травмах и дегенеративно-дистрофических заболеваниях суставов выполняют перфорации субхондральной костной пластинки локальных полнослойных дефектов хряща (в англоязычной литературе bone marrow stimulation) [1,2]. Для этого используют ряд хирургических манипуляций: туннелизацию, микропереломы, абразивную обработку дна дефекта хряща. Внутрикостное содержимое, содержащее, в том числе, стволовые клетки костного мозга, заполняет дефект хряща, образует фибриновый сгусток. В дальнейшем сгусток замещается репаративной тканью, свойства которой не соответствуют полноценному гиалиновому хрящу [2а,2б]. Остеоперфоративные операции при таком применении направлены на использование внутрикостного содержимого дефектных участков хряща для стимуляции его репарации [2в].
Однако в подлежащей субхондральной кости дефектных участков хряща выявлены негативные изменения. В ней часто развивается отёк костного мозга, возрастает деградирующая способность внутрикостного содержимого вследствие усиления синтеза металлопротеиназ ММР-1, ММР-3, ММР-13 [3-Schett G. 2009; 4-Shibakawa А. 2005]. Содержимое субхондральной кости характеризуется также повышенной секрецией провоспалительных цитокинов [5-Оgino 2009]. Установлено ингибирующее действие провоспалительных цитокинов (ИЛ-1) на процессы пролиферации и дифференцировки мезенхимальных стволовых клеток костного мозга [6-Lange J., 2010]. Учитывая это, при остеоперфоративных операциях рационально обеспечить поступление в суставную полость внутрикостного содержимого из субхондральной кости интактных, не пораженных участков сустава.
В настоящее время выявлено также, что уже на ранних стадиях дегенеративно-дистрофических заболеваний суставов происходит ухудшение смазывания их трущихся поверхностей, усиление негативных свободнорадикальных реакций в хряще и синовиальной жидкости [7-Нills ВА. 1998; 8]. В частности, в хрящевой ткани задолго до рентгенологических и клинических проявлений остеоартроза, установлена интенсификация переокисления липидов в ходе которого образуется токсичный альдегид 4-гидроксиноненаль. Он реагирует с коллагеном второго типа, что усиливает гидролиз данного белка матричными металлопротеиназами, нарушая нормальный метаболизм хрящевой ткани [9-Моrquette B. 2006].
Значительную часть внутрикостного содержимого составляет жировая ткань, содержащая костный жир, жидкий при температуре тела. Он состоит главным образом из триглицеридов и включает в свой состав значительное количество жирорастворимых антиоксидантов[10]. Костный жир обладает выраженным смазочным эффектом и способен, вследствие наличия антиоксидантов, ингибировать свободно-радикальные реакции [10,11]. Жидкое состояние, биохимический и антиоксидантный состав этого компонента костного мозга делает перспективным его применение для коррекции негативных изменений метаболизма хрящевой ткани и процессов смазывания суставных поверхностей на ранних стадиях развития остеоартроза.
Одним из возможных способов достижения этого представляется применение устройства позволяющего обеспечить соединение суставной полости и внутрикостного пространства, содержащего костный мозг. В данной статье изложено описание данного устройства, техника его имплантации в коленный сустав животных, проведена оценка стабильности и работоспособности имплантированного устройства.

Материалы и методы

Сообщение суставной полости с внутрикостным пространством достигалось использованием оригинального артро-медуллярного имплантата. Его конструкция представляет собой перфорированную трубку изготовленную из титанового сплава ВТ6. Имплантаты имеют длину 50-120 мм, винтовую и перфорированную части со сквозным каналом в них. Винтовая часть имплантата диаметром 9 мм снабжена приспособлением под инструмент для ввинчивания. Перфорированная часть в зависимости от её длины имеет два или более овальных боковых отверстия. Имплантат артро-медуллярный изготовлен в соответствии с ТУ 9398-001-95504921-2009. (Регистрационное удостоверение № ФСР 2010/08726 от 30 августа 2010 г.).

Техника интраартикулярной имплантации устройства для смазывания сустава в условиях гонартроза у собак.

Операцию осуществляют под общей анестезией, в положении животного на спине с разогнутой в коленном суставе конечностью. После двукратной обработки операционного поля по Филончикову область сустава широко вскрывают 8-образным парапателлярным доступом Пайра. Вывихивают коленную чашку латерально. С помощью хирургической дрели в медиальном мыщелке бедренной кости формируют канал диаметром 3 мм. Для введения устройства формируют канал в межмыщелковой ямке диаметром 5-6 мм. С этой целью с помощью дрели интрамедуллярно формируют канал в бедренной кости и ввинчивают в него устройство. Устройство вводят таким образом, чтобы сквозной канал имплантата "открывался" в полость сустава в непосредственной близости к передней крестообразной связке и располагался вровень или был несколько ниже поверхности суставного хряща (рис.1А).
А
Б
Рис. 1. Фото коленного сустава собаки с введенными артро-медуллярными имплантами

Результаты

Для должного функционирования необходимо стабильное положение имплантата, не допускающее его контакта с противолежащим хрящом или миграцию имплантата ниже хрящевой пластинки, что контролировали в разные сроки после операции рентгенологически.
На рентгенограмме коленного сустава собаки выполненной в день оперативного вмешательства (рис. 2А), в области дистального эпифиза и мета-эпифиза правой бедренной кости визуализируется имплантат, расположенный в медуллярном канале кости. Проксимальный конец имплантата упирается в эндост и слегка изогнут по оси. Напротив дистального (выходного) конца устройства, открывающегося в полость коленного сустава, визуализируются следы повреждения хрящевого покрытия мыщелков бедренной кости. Со всех сторон профиль резьбы артро-медуллярного шунта плотно окружен губчатой костью, видны эллипсовидные боковые отверстия шунта, предназначенные для поступления внутрикостного содержимого в полость коленного сустава.
На этапной рентгенограмме через 1 месяц после оперативного вмешательства положение артро-медуллярного шунта прежнее (рис.2Б). Четко контурируют боковые отверстия шунта и профиль его резьбы, их просвет свободен от костного содержимого. Признаки асептической нестабильности конструкции отсутствуют.
А
Б
Рис 2. Рентгенограмма коленного сустава собаки с имплантатом в день операции (А) и через 1 месяц после операции (Б).
Через 4 месяца после операции на этапной рентгенограмме, выполненной в боковой проекции видны лишь незначительные следы перфорации хрящевого покрытия (рис. 3А). Признаки асептической нестабильности шунта отсутствуют. На рентгенограмме в прямой (вентро-дорсальной, рис. 3Б) проекции слегка визуализируется контур бывшего перфорационного отверстия. Однако само отверстие заполнено новообразованной костной тканью, идентичной по плотности интактному мыщелку. В области латерального мыщелка правой бедренной кости также незначительно контурирует бывший дефект хрящевого покрытия. При этом следует отметить, что какие-либо признаки деформирующего артроза не визуализируются.
А
Б
Рис.3. Рентгенограмма коленного сустава собаки с имплантатом через 4 месяца после операции в прямой (А) и боковой проекции (Б).
На заключительной рентгенограмме через 7 месяцев после операции, выполненной в прямой (кранио-каудальной) проекции, артро-медуллярный шунт проецируется на медуллярный канал правой бедренной кости (рис. 4А). Разряжения костной ткани по периметру имплантата не наблюдается. Латерально относительно шунта визуализируется надколенник. Явления остеартроза, а также нестабильности имплантата отсутствуют. На рентгенограмме в боковой проекции имплантат также проецируется на медуллярный канал правой бедренной кости в области дистального эпифиза (рис. 4Б). Рарефикация кортикального слоя отсутствует. Признаки, характерные для остеоартроза, не визуализируются.
А
Б
Рис.4. Рентгенограмма коленного сустава собаки с имплантатом через 7 месяцев после операции в прямой (А) и боковой проекции (Б).

Обсуждение

Хирургическое лечение локальных травматических и дегенеративных дефектов суставного хряща направлено на мобилизацию стромальных клеток костного мозга. Костномозговые стромальные клетки являются в этом плане наиболее предпочтительными как вследствие легкости их поступления после остеоперфораций в дефект, так и вследствие особенностей их метаболизма. В частности, при сравнении популяций клеток-предшественников костного мозга и клеток-предшественников синовиальной мембраны установлена отличительная способность первых продуцировать большое количество активина А, многофункционального цитокина, стимулирующего клеточную пролиферацию и дифференцировку [12- Djouad F et all 2005].
К настоящему времени данные клинических исследований позволяют заключить, что развитие остеоартроза сопровождается также выраженными структурными и метаболическими изменениями в подлежащей субходральной кости [ 18-Алексеева; 19-Beuf et al 2002]. В ней выявляются участки отека костного мозга, регистрируется повышенная секреция провоспалительных цитокинов, других воспалительных медиаторов [3-Schett G. 2009; 5-Оgino 2009]. Установлена деструкция хряща под действием интерлейкина-1, который стимулирует образование матричных металлопротеаз и активирует остеокласты. Блокирование действия этого интерлейкина анти-ИЛ-1 моноклональными антителами уменьшает повреждение хрящевой и костной ткани [20-Abramson SB, Amin А. 2002]. Важно отметить, что ингибирующее действие интерлейкина ИЛ-1 на процессы пролиферации и дифференцировки мезенхимальных стволовых клеток костного мозга вызывал усиление пролиферации и минерализации костного матрикса [6-Lange J 2010]. Интересно, что в хрящевой ткани больных остоартрозом обнаружено большое количество мезенхимальных стволовых клеток [21-Alsalameh S,2004], которые, как установлено, обладают сниженной хондрогенной и адипогенной дифференцировкой [22-Мurphy, 2002]. Вполне возможно, что эти нарушения связаны с неблагоприятным влиянием секретируемых в отечном костном мозге провоспалительных цитокинов. Изложенные данные свидетельствуют в пользу применения внутрикостного содержимого из здоровых, неповрежденных участков пораженного сустава, в том числе с параллельным выполнением остеоперфораций в дефектных участках хряща.
Именно для этой цели предназначен артро-медуллярный имплантат. обеспечивающий сообщение полости сустава и внутрикостного содержимого. Имплантат предназначен для установки его в костный канал в ненагружаемую область коленного сустава, каковой является передняя треть межмыщелковой вырезки бедра. Эффективность его применения зависит от возникновения и скорости облитерации внутреннего канала в постоперационный период. Имплантат выполнен из широко применяемого биосовместимого титанового сплава ВТ6 с резьбовой частью с целью достижения его первоначальной и последующей биологической фиксации в костной ткани. В тоже время необходимо иметь свободный просвет внутреннего канала достаточно продолжительное время. Что касается фиксации имплантатов, то, независимо от вида животных, в течение всего имплантационного периода миграция его от первоначального положения отсутствовала. Также установлено, что комбинация микрофрактурирования с помещением в дефект хряща коллагенового матрикса улучшает репарацию дефекта хряща у собак.
Таким образом, конструкция и размеры предложенного артро-медулярного имплантата позволяет его установку и фиксацию в коленном суставе животных. Проксимальная часть имплантата располагается в костномозговом канале бедренной кости, обеспечивая через выходное отверстие дистальной резьбовой части сообщение внутрикостного пространства и суставной полости. Рентгенологически установлена стабильность имплантата в течение 12 месяцев, без признаков остеоартроза и разряжения костной ткани по периметру имплантата. Выявлены различия в продолжительности функционирования проводящего канала имплантата вследствие его облитерации при установке в коленные суставы различных животных, что позволяет конкретизировать показания к его применению в ветеринарной практике.

Литература

1. Эйсмонт О.Л., Борисов А.Б., Малюк Б.И., Букач Д.В. Артроскопическая диагностика и лечение локальных повреждений хряща коленного сустава. Ортопедия, травматология и протезирование, 2007, № 3, с. 111-116.
2. Steinwachs MR, Guggi Th, Kreuz PC. Marrow stimulation techniques. Injury, 2008, 39S1, p. S26-S31.
2a. Buckwalter JA, Martin JA, Olmstead M, Athanasiou KA, Rosenwasser MP, Mow VC. Osteochondral repair of primate knee femoral and patellar articular surfaces: implications for preventing post-traumatic osteoarthritis. Iowa Orthop J. 2003;23:66-74
2б. Frisbie DD, Oxford JT, Southwood L, Trotter GW, Rodkey WG, Steadman JR JL, Mcllwraith CW. Early events in cartilage repair after subchondral bone microfracture. Clin Orthop Relat Res. 2003 Feb;(407):215-27.
2в.Elvenes J, Knutsen G, Johansen O, Moe BT, Martinez I. Development of a new method to harvest chondroprogenitor cells from underneath cartilage defects in the knees. J Orthop Sci. 2009Jul;14(4):410-7.
3. Schett G. Bone marrow edema. Ann N Y Acad Sci. 2009 Feb;l 154:35-40
4. Shibakawa A, Yudoh K, Masuko-Hongo K, Kato T, Nishioka K, Nakamura H. The role of subchondral bone resorption pits in osteoarthritis: MMP production by cells derived from bone marrow. Osteoarthritis Cartilage. 2005 Aug;13(8):679-87.
5. Ogino S, Sasho T, Nakagawa K, Suzuki M, Yamaguchi S, Higashi M, Takahashi K, Moriya H. Detection of pain-related molecules in the subchondral bone of osteoarthritic knees.Clin Rheumatol. 2009;28(12):1395-402.
6. Lange J, Sapozhnikova A, Lu C, Hu D, Li X, Miclau T 3rd, Marcucio RS. Action of IL-lbeta during fracture healing. J Orthop Res. 2010 Jun;28(6):778-84.
7.Hills BA, Monds MK. Deficiency of lubricating surfactant lining the articular surfaces oi replaced hips and knees. Br J Rheumatol. 1998 Feb;37(2): 143-7.
8.E. Regan, J. Flannelly, R. Bowler, K. Tran, M. Nicks, B. D. Carbone, D. Glueck, H. Heijnen, R. Mason, J. Crapo. Extracellular Superoxide Dismutase and Oxidant Damage in Osteoarthritis. Arthritis Rheum. 2005, 52(11): 3479-3491.
9.Morquette B, Shi Q, Lavigne P, Ranger P, Fernandes JC, Benderdour M. Production of lipid peroxidation products in osteoarthritic tissues: new evidence linking 4-hydroxynonenal to cartilage degradation. Arthritis Rheum. 2006 Jan;54(l):271-81.
10.Гаврюшенко НС., Булгаков ВГ. Выявление и оценка роли артро-медуллярной связи в функционировании суставов человека (экспериментальное исследование). Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова, 2001, № 2, С. 72-75.
11. Булгаков В. Г., Ильина В. К., Гаврюшенко Н.С., Омельяненко Н.П., Цепалов В.Ф. Антипролиферативное действие радикалообразующих и инертных частиц износа ортопедических материалов и его ингибирование костным жиром. Перспективные материалы, 2004, № 6, с. 36-42
12. Djouad F, Bony C, Haupl T, Uze G, Lahlou N, Louis-Plence P, Apparailly F, Canovas F.,Reme T, Sany J, Jorgensen C, Noel D. Transcriptional profiles discriminate bone marrow-derived and synovium-derived mesenchymal stem cells. Arthritis Res Ther. 2005;7(6):R1304-15.Epub 2005Sep20.
13. Sledge SL. Microfracture techniques in the treatment of osteochondral injuries. Clin Sports Med.,2001,20(2),365-77.
14. Chen H, Sun J, Hoemann CD, Lascau-Coman V, Ouyang W, McKee MD, Shive MS, Buschmann MD Drilling and microfracture lead to different bone structure and necrosis during bone-marrow stimulation for cartilage repair. J Orthop Res. 2009 Nov;27(l 1): 1432-8.
15. Nishimori M, Deie M, Kanaya A, Exham H, Adachi N, Ochi M. Repair of chronic osteochondral defects in the rat. A bone marrow-stimulating procedure enhanced by cultured allogenic bone marrow mesenchymal stromal cells. J Bone Joint Surg Br. 2006; 88 (9): 1236-44.
16. Breinan HA, Martin SD, Hsu HP, Spector M Healing of canine articular cartilage defects treated with microfracture, a type-II collagen matrix, or cultured autologous chondrocytes. J Orthop Res. 2000 Sep;18(5):781-9.
17. Minas T., Gomoll AN., Rosenberger R.? Royce RO., Bryant T. Increased failure rate of autologous chondrocyte implantation after previous treatment with marrow stimulation techniques. Am. J Sports Med., 2009, 37(5), 902-8.
18. Алексеева Л. И., Зайцева Е.М. Субхондральная кость при остеоартрозе: новые возможности терапии. Русский медицинский журнал, -2004, т. 12, № 20, с. 1133-1336.
19.Beuf O, Ghosh S, Newitt DC, Link TM, Steinbach L, Ries M, Lane N, Majumdar S. Magnetic resonance imaging of normal and osteoarthritic trabecular bone structure in the human knee. Arthritis Rheum. 2002 Feb;46(2):385-93.
20. Abramson SB, Amin A. Blocking the effects of IL-1 in rheumatoid arthritis protects bone and cartilage. Rheumatology (Oxford). 2002 Sep;41(9):972-80.
21. Alsalameh S, Amin R, Gemba T, Lotz M. Identification of mesenchymal progenitor cells in normal and osteoarthritic human articular cartilage..Arthritis Rheum. 2004;50(5): 1522-32.
22.Murphy JM, Dixon K, Beck S, Fabian D, Feldman A, Barry F. Reduced chondrogenic and adipogenic activity of mesenchymal stem cells from patients with advanced osteoarthritis. Arthritis Rheum. 2002 ;46(3):704-13.
23. Peister A, Mellad JA, Larson BL, Hall BM, Gibson LF, Prockop DJ. Adult stem cells from bone marrow (MSCs) isolated from different strains of inbred mice vary in surface epitopes, rates of proliferation, and differentiation potential. Blood. 2004 Mar 1;103(5): 1662-8. Epub 2003 Oct 30.
24. Martinez-Lorenzo MJ, Royo-Canas M, Alegre-Aguaron E, Desportes P, Castiella T, Garcia- Alvarez F, Larrad L. Phenotype and chondrogenic differentiation of mesenchymal cells from adipose tissue of different species. J Orthop Res. 2009 Nov;27(l 1): 1499-507
25. Dorotka R, Bindreiter U, Macfelda K, Windberger U, Nehrer S. Marrow stimulation and chondrocyte transplantation using a collagen matrix for cartilage repair. Osteoarthritis Cartilage. 2005 Aug;13(8):655-64.