CC BY
40
Фундаментальні дослідження
УДК: 616.711.-089.22:599.323.4
ОБОСНОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ МЕЖТЕЛОВОГО СПОНДИЛОДЕЗА У КРЫС
Д. Е. Петренко, Г. В. Иванов, А. А. Мезенцев
ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов имени проф. М. И. Ситенко НАМН Украины», г. Харьков, Украина
Целью данного исследования явилась разработка и оценка хирургической методики инструментального моделирования межтелового спондилодеза у крыс. Для проведения исследования было отобрано 18 лабораторных крыс, которые были разделены на 2 группы. В первой группе межтеловой спондилодез моделировали в поясничном отделе позвоночника, а во второй группе — в хвостовом отделе позвоночника. Экспериментальное моделирование вентрального спондилодеза в поясничном отделе позвоночника привело к смертельному исходу у всех оперированных животных. Инструментальный межтеловой спондилодез хвостового отдела позвоночника у крыс обеспечивает стабильность фиксации позвоночника на протяжении 4 недель после хирургического вмешательства.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: экспериментальное моделирование, межтеловой спондилодез,
инструментальный спондилодез
ОБҐРУНТУВАННЯ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ МОДЕЛІ МІЖТШОВОГО СПОНДИЛОДЕЗУ
У ЩУРІВ
Д. Є. Петренко, Г. В. Іванов, А. О. Мезенцев
ДУ «Інститут патології хребта та суглобів імені проф. М. І. Ситенка НАМН України», м. Харків,
Україна
Метою даного дослідження є розробка та оцінка хірургічної тактики інструментального моделювання міжтілового спонділодезу у щурів. Для проведення було відібрано 18 лабораторних щурів, які булі поділені на 2 групи. В першій групі міжтіловий спонділодез моделювали в поперековому відділі хребта, а в другій - у хвостовому відділі хребта. Експериментальне моделювання вентрального спонділодезу в поперековому відділі хребта призвело до смерті всіх прооперованих тварин. Інструментальний спонділодез хвостового відділу хребта забезпечив стабільність фіксації на протязі 4 тижнів після хірургічного втручання.
КЛЮЧОВІ СЛОВА: експериментальне моделювання, міжтіловий спондилодез, інструментальний спондилодез
VALIDATION OF THE EXPERIMENTAL MODEL FOR INTERBODY BONE FUSION IN RATS
D. E. Petrenko, G. V. Ivanov, A. A. Mezentsev
State Institution «Sytenko Institute of Spine and Joint Pathology National Avademy of Medical Sciences
of Ukraine», Kharkiv, Ukraine
Purpose of this study is to develop and to assess surgical tactic of the instrumented interbody fusion modeling. 18 rats were selected and divided into two groups. In the first group anterior interbody fusion of the lumbar spine was performed and in the second group tail was instrumented. Experimental modeling of the lumbar spine results in death in all operated animals. Instrumented interbody fusion of the tail provides stable fixation during 4 weeks after surgery.
KEY WORDS: experimental modeling, interbody fusion, instrumented spinal fusion
© Петренко Д. Є., Іванов Г. В., Мезенцев А. О., 2012
Экспериментальное моделирование спондилодеза у животных — необходимый этап изучения и разработки новых методов хирургических вмешательств на позвоночнике. Именно моделирование в период пред-клинической апробации метода хирургического лечения позволяет многократно, в контролируемых условиях реализовать современные теоретические представления о спондилодезе [1].
Одной из актуальных задач вертебральной хирургии является изучение особенностей созревания костного блока при инструментальной вентральной коррекции сколио-тической деформации позвоночника [2] .
Существующие модели [1-9] не позволяют решить данную задачу в полной мере, так как большинство из выполненных экспериментальных исследований были направлены на изучение межтеловых имплантатов (эндопротезы, биоматериалы, аллотрансплантаты) в инструментальной фиксации позвоночника.
Цель работы — разработать экспериментальную модель межтелового спондилодеза у крыс, пригодую для исследования методик межтелового спондилодеза.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для проведения исследования взяли 18 лабораторных крыс породы Вистар в возрасте 6-8 мес. В зависимости от методики хирургического вмешательства животных разделили на 2 группы. Согласно разработанным нами методикам, в первой группе (6 крыс) межтеловой инструментальный спондилодез моделировали в поясничном отделе позвоночника, а во второй группе (12 животных) — в хвостовом отделе позвоночника.
Уровень операций, выполненных в экспериментально-биологической клинике института, в полной мере соответствовал требованиям комиссии по биоэтике [10].
Методика операции в первой группе животных заключалась в следующем. В положении на спине после внутривенной инъекции анестетиков проводили разрез по срединной линии живота. Послойно рассекали мягкие ткани передней брюшной стенки, брюшину. Тонкий кишечник сдвигали кра-ниально и визуализировали передние отделы поясничного позвоночника. Осуществляя гемостаз, по ходу операции рассекали предпозвоночную плевру, переднюю продольную связку и проводили резекцию межпозвонкового диска. Затем при помощи металлической пластины осуществляли фиксацию позвонков, смежных с удаленным диском. Рану послойно ушивали, предва-
рительно осуществив местную обработку антибиотиком.
Во второй группе животных хирургическое вмешательство проводили по следующей методике. После проведения внутривенного обезболивания, в положении животного на животе, проводили разрез кожи по срединной линии хвоста над планируемым уровнем спондилодеза. Послойно рассекали мягкие ткани, выделяли межпозвонковый диск и два прилежащих к нему тела позвонка. Тупым и острым путем удаляли фиброзное кольцо, пульпозное ядро межпозвонкового диска, а также замыкательные пластины. Смежные позвонки фиксировали при помощи металлической пластины. После аппликации антибактериального препарата рану послойно зашивали, осуществляя гемостаз по ходу.
В послеоперационном периоде наблюдали за общим состоянием животных и состоянием послеоперационных ран. По клиническим показаниям проводили перевязки и при необходимости вводили кардиотони-ческие препараты.
Рентгенконтроль проводили непосредственно после хирургического вмешательства, а также через 2, 4 и 6 недель. Животных выводили из эксперимента посредством передозировки внутривенных наркотических препаратов по 4 особи в сроки 2, 4 и 6 недель после операции. Затем непосредственно в месте хирургического вмешательства исследовали положение и стабильность имплантата. Полученные данные фиксировали на фотокамеру и регистрировали в журнал наблюдений.
Критериями выбора методики экспериментального моделирования считали сохранение отсутствие зон остеолиза в области винтов, сохранение стабильности имплантата, на протяжении 4 недель после хирургического вмешательства, определяемой рентгенологически и визуально при обследовании зоны операции после выведения из эксперимента, а также выживаемость животных.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В первой группе животных во всех случаях удалось осуществить тотальную дискэктомию и установить металлическую пластину. Время проведения операции находилось в пределах 75-120 мин. Два животных пало во время операции в результате массивного кровотечения из ветвей брюшной аорты, одно животное не вышло из наркоза и три пали в течение первых суток после операции, несмотря на проводимую терапию.
Во второй группе животных не наблюдалось ни одного летального исхода. Продолжительность операции составляла 30-80 мин. В трех случаях было кровотечение из хвостовых сосудов, которое удалось успешно остановить. У всех крыс раны зажили первичным натяжением. Через 2 недели после инструментального спонди-лодеза при изучении рентгенограмм (рис. 1 и 2) и макропрепаратов ни у одного животного не обнаружено нестабильности имплантата,
Рис. 1. Фотоотпечаток рентгенограммы хвостового отдела позвоночника у крысы после хирургического вмешательства
Рис. 3. Фотоотпечаток рентгенограммы хвостового отдела позвоночника у крысы через 4 недели после хирургического вмешательства
Через 6 недель после операции у двух животных была выявлена нестабильность имплантата (рис. 5), рентгенологически характеризующаяся наличием зон отеолиза вокруг фиксирующих винтов, смещением имплантата на рентгенограмме и при изучении зоны хирургического вмешательства. Еще у двух животных возникло нагноение мягких тканей в области разреза, что послужило причиной исключения их из эксперимента.
Большинство существующих на сегодня экспериментальных моделей межтелового спондилодеза предусматривают изучение особенностей формирования костного блока при использовании имплантатов различной
зон остеолиза вокруг винтов на рентгенограммах не выявлено, при исследовании зоны хирургического вмешательства непосредственно после выведения животных из эксперимента пластины были стабильными. Через 4 недели после хирургического вмешательства конструкции оставались стабильными, что было подтверждено как рентгенологически (рис. 3), так и при непосредственном изучении зоны фиксации тел позвонков (рис. 4).
Рис. 2. Фотоотпечаток рентгенограммы хвостового отдела позвоночника у крысы через 2 недели после хирургического вмешательства
Рис. 4. Фотография фиксированного пластиной позвоночного сегмента после выведения животного из эксперимента через 4 недели после хирургического вмешательства
конструкции, биоматериалов обладающих остеоиндукционными свойствами, а также сравнительный анализ существующих методов применения имплантатов.
Так, МшсЫк М. с соавторами моделировали межтеловой спондилодез посредством введения морфогенетического протеина в межпозвонковые диски кроликам. Двадцать четыре животных были разделены на три группы. В первой и второй группе варьировали дозу введения препарата (100 и 150 мкг соответственно), а третья группа была контрольной. Животных исследовали рентгенологически и выводили из эксперимента через 3, 6 и 12 недель после операции.
Рис. 5. Фотоотпечаток рентгенограммы хвостового отдела позвоночника у крысы через 6 недель
после хирургического вмешательства
В результате эксперимента было установлено, что в первой и во второй группе животных достигнут межтеловой спондило-дез, при этом отмечалась прямая корреляционная связь между дозой введения и качеством созревания костного блока [3].
Ы Haisheng и др. проводили экспериментальное изучение переднего поясничного спондилодеза у 12-ти голландских свиней. С этой целью животным в межтеловые промежутки в поясничном отделе позвоночника имплантировали кейджи. При этом в одной группе животных кейджи были заполнены аутокостью, а во второй группе — остео-индуктивным коллагеновым протеином Со11о88. Через 12 недель животных исследовали при помощи компьютерной томографии и выводили и из эксперимента с последующим гистологическим исследованием. В результате данной работы было установлено, что использование как аутотрансплантата, так и Со11о88 в обеих группах животных привело к спондилодезу в 80 % случаев [4].
8иса1;о Б. 1, Hedequist Б. й а1. проводили моделирование вентрального спондилодеза у 22 свиней. Всем животным при помощи торакоскопии проводили вентральную инструментацию позвоночника а также дискэктомию на 5 уровнях. В случайном порядке свиньи были разделены на пять групп. В первой группе были контрольные животные, во второй группе в межтеловой промежуток укладывали ауторебро, в третьей — губчатый аутотрансплантат, взятый из крыла подвздошной кости, в четвертой — рекомбинантный человеческий морфогенетичиский протеин вместе с переносчиком в виде гидроксилапатит-трикальцийфосфатной керамикой и в пятой группе — только керамику. Всех животных вывели из эксперимента через 4 месяца после операции. Качество спондилодезного блока верифицировали томографически и гистологически.
Дополнительно спондилодезированные участки позвоночника тестировали на стенде. Авторы работы установили, что наиболее качественный спондилодез был достигнут в четвертой группе животных, где использовался морфогенетический протеин [5].
Sidhu S. S. с соавторами проводили моделирование переднего спондилодеза шейного отдела позвоночника у овец. Восемь животных были разделены на две равные группы. В первой группе после передней дискэкто-мии в шейном отделе позвоночника устанавливали танталовый кейдж, а во второй группе танталовый кейдж заполненный морфогенетическим протеином. Через 12 недель животных выводили из эксперимента и рентгенологически и гистологически сравнивали качество спондилодеза. Было установлено, что во второй группе по сравнению с первой отмечается большее врастание костной ткани кейдж [6].
Группа ученых из Турции [7] осуществили передний межтеловой спондилодез и инструментальную фиксацию на уровнях L3-L4 и L4-L5 у двенадцати растущих свиней. После операции при помощи компьтер-ной томографии авторы работы изучали формирование позвоночного канала на спондилодезированных уровнях. В качестве контрольного замера был принят диаметр канала на вышележащих уровнях. В ходе работы выявлено, что вентральный спон-дилодез у растущих животных приводит к замедлению поперечного роста канала спинного мозга.
Elliott D. M. и Sarver J. J. проводили биомеханические исследования межпозвонковых дисков у крыс и мышей для сравнения полученных данных с механическими свойствами межпозвонкового диска человека с целью обоснования дальнейших экспериментальных исследований. Авторами было установлено, что биомеханические свойства
межпозвонкового диска у грызунов соответствуют таковым у человека. Это позволило сделать вывод о возможном использовании в экспериментальном моделировании хирургических вмешательств на позвоночнике крыс и мышей [8].
К аналогичному выводу пришел Espinoza Orias A. A. с соавторами, которые при помощи циклической нагрузки исследовали межпозвонковые сегменты в хвостовом отделе позвоночника у крыс [9].
В нашем исследовании в первой группе животных все хирургические вмешательства привели к летальному исходу, что было связано с высокой травматичностью манипуляций, длительным наркозом и кровопотерей и послужило причиной отказа от данной методики моделирования. Во второй группе животных проведение межтелового инструментального спондилодеза посредством дискэк-томии и фиксации металлической пластиной позволило сохранить стабильность имплантата на протяжении 4 недель после операции. Расшатывание имплантата и инфицирование мягких тканей через 6 недель после операции было связано с длительностью фиксации, которая привела к негативным результатам.
Так как большинство хирургических вмешательств на передних отделах позвоночника при коррекции сколиотической дефор-
мации не предусматривают введение имплантатов в межтеловой промежуток, моделирование межтелового спондилодеза по предложенной нами методике позволяет достичь стабильной фиксации позвоночного сегмента, необходимого для экспериментального изучения спондилодезирующих операций на вентральных отделах позвоночника.
ВЫВОДЫ
1. Модель экспериментального воспроизведения инструментального вентрального межтелового спондилодеза у крыс в поясничном отделе позвоночника через трансперитонеальный доступ является высокотравматичной манипуляцией, приводящей к смертельному исходу у всех оперированных животных.
2. Модель инструментального межтело-вого спондилодеза хвостового отдела позвоночника у крыс обеспечивает выживаемость животных, а также стабильность фиксации позвоночника на протяжении 4 недель после хирургического вмешательства.
Модель межтелового инструментального спондилодеза хвостового отдела позвоночника у крыс может быть использована для изучения и обоснования методик передней инструментальной фиксации позвоночника, применяемых при коррекции сколиоти-ческой деформации позвоночника.
ЛИТЕРАТУРА
1. Braun J. T. The use of animals models in fusionless scoliosis investigations / J. T. Braun, E. Akyuz, J. W. Olgilvie // Spine. — 2005 Sep 1. — № 30 (17 Suppl). — S. 35—35.
2. Kawakami N. Animal models of scoliosis / N. Kawakami, M. Deguchi, T. Kanemura // Animals models in orthopaedic research, Chapter 5. — 1999. — Vol. 30. — P. 549—564.
3. Muschik M. Experimental anterior spine fusion using bovine bone morphogenetic protein : a study in rabbits / [M. Muschik, D. Schlenzka, V. Ritsila, C. Tennstedt] // J Orthop Sci. — 2000. — Vol. 5 (2). — P. 165—70.
4. Haisheng L. Recombinant Human Bone Morphogenetic Protein-2 Enhances Anterior Spinal Fusion in a Thoracoscopically Instrumented Animal Model / [L. Haisheng, Z. Xuenong, C. Woo, D. Ming] // Spine. — 2005. — Vol. 30. — Iss. 8. — P. 890—896.
5. Sucato D. Recombinant Human Bone Morphogenetic Protein-2 Enhances Anterior Spinal Fusion in a Thoracoscopically Instrumented Animal Model / [D. Sucato, D. Hedequist, H. Zhang, W. A. Pierce] // JBJS. — 2009. — Vol. 34. — Iss. 15. — P. E501—E506.
6. Sidhu K. S. Anterior cervical interbody fusion with rhBMP-2 and tantalum in a goat model / K. S. Sidhu, T. D. Prochnow, P. Schmitt, J. Fischgrund, S. Weisbrode, H. N.Herkowitz // Spine. — 2001. — № l (5). — P. 331—340.
7. Pekmezci M. The Effect of Anterior Spinal Fusion on Spinal Canal Development in an Immature Porcine Model / M. Pekmezci, G. Yilmaz, K. Daglioglu, M. Gulsen, A. Alanay // Spine. — 2009. — Vol. 34. — Iss. 15. — P. E501—E506.
8. Elliott D. M. Young investigator award winner : validation of the mouse and rat disc as mechanical models of the human lumbar disc / D. M. Elliott, J. J. Sarver // Spine. — 2004. — Vol. 29. — P. 713—722.
9. Espinoza Orias A. A. Rat disc torsional mechanics : effect of lumbar and caudal levels and axial compression load / A. A. Espinoza Orias, D. M. Elliott // Spine. —2009. — Vol. 3. — P. 204—209.
10. Європейська конвенція про захист хребетних тварин, що використовуються для дослідних та інших наукових цілей. Страсбург, 18 березня 1986 року : офіційний переклад [Електронний ресурс] / Верховна Рада України. — (Міжнародний документ Ради Європи). — Режим доступу до ресурсу : http://zakon.rada.gov.ua/cgi-bin/laws/main.cgi?nreg=994_137.
