CC BY
10
Методы лечения
DOI: 10.24412/2071-5315-2021-12399
Пункционная нуклеопластика при дискогенной боли в спине с использованием биоактивного концентрата мелких морских рыб — от экспериментальной модели к клинической практике
^ В.П. Смирнов1, В.П. Жуков2, И.П. Игошин3
1 ОБУЗ "Кинешемская центральная районная больница " 2 Кафедра прикладной математики ФГБОУВО "Ивановский государственный
энергетический университет им. В.И. Ленина" 3 Кафедра физики ФГБОУ ВО "Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина"
Болевой синдром в спине в большинстве случаев обусловлен дегенерацией межпозвонковых дисков (МПД). Разработка новых методов диагностики и эффективных методик лечения таких заболеваний, несомненно, актуальна. Целью настоящего обзора являлось описание моделирования МПД, разработка малозатратных методов измерения внутридискового давления и эффективных методик коррекции внутридисковой гипертензии. При проведении исследований использовались методы математического моделирования, магнитно-резонансной томографии, измерения внутридискового давления и малоинвазивной хирургической коррекции внутридисковой гипертензии. В результате исследований разработаны матричная модель МПД и геометрическая модель пульпозного ядра, которые позволяют по набору входных параметров диагностировать возможные состояния диска и выбирать варианты его лечения. Ключевые слова: вертеброгенная боль, межпозвонковый диск, пульпозное ядро, внутридис-ковое давление, гипертензия, декомпрессия, математическая модель, системный анализ, диагностика, измерение внутридискового давления, проницаемость, геометрическая модель, Алфлутоп.
Введение
Приблизительно 70—80% населения страдает болями в спине вертеброгенного характера, которые являются наиболее частой причиной временной нетрудоспособности. Для купирования болей проводится симптоматическая терапия нестероидными противовоспалительными препаратами, длительный прием которых не рекомендуется вследствие высокого риска развития неблагоприятных побочных реакций. Кро-
Контактная информация: Смирнов Владимир Петрович, vsmir5@mail.ru
ме того, препараты этой группы имеют ряд противопоказаний к назначению. Поэтому остается актуальным вопрос поиска новых патогенетически обоснованных методов лечения вертеброгенной боли в спине.
В процессе старения происходит дегенерация межпозвонковых дисков (МПД) и развивается остеоартроз фасеточных суставов. Наиболее важным функциональным элементом МПД является пульпозное ядро (ПЯ). Оно представляет собой гидратиро-ванное гелеобразное вещество с очень малым содержанием клеток. Основные компоненты матрикса ПЯ: коллаген (15—20%),
Пункционная декомпресснонная нуклеопластнка
гиалуроновая кислота, протеогликаны (до 50%), эластины и вода. Коллаген в ПЯ агрегирован в коллагеновые волокна, которые можно видеть с помощью электронного микроскопа. Гиалуроновая кислота формирует крупные молекулярные комплексы — протеогликановые агрегаты (ПГА), располагающиеся между коллагеновыми волокнами. Они способны удерживать большое количество молекул воды, что приводит к возникновению внутреннего напряжения и обеспечивает упругость ПЯ [1]. Однако большое содержание воды в ПЯ (до 90%) нельзя объяснить только гидратацией ПГА. При исследовании вещества ПЯ с помощью электронной микроскопии при возрастающей механической нагрузке наблюдается увеличение плотности неупорядоченной пространственной сети коллагеновых волокон за счет "выдавливания" свободной воды из ПЯ. Данные, полученные при исследовании МПД с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ), также указывают на необходимость разделения состояний воды в ПЯ на связанное и свободное. В ПЯ с гидратированными ПГА вода находится в связанном состоянии, поэтому на томограмме "нормальный диск" выглядит светлым. При деградации ПГА часть связанной воды переходит в свободное состояние, поэтому на томограмме ПЯ такой диск выглядит темным ("дегидратированный диск") [2]. Увеличение количества свободной воды в "дегидратированном диске" свидетельствует о большом количестве фрагментированных ПГА в его ПЯ.
При механической нагрузке на МПД происходит фрагментация гидратирован-ных ПГА, которая сопровождается переходом воды из связанного состояния в свободное [3]. Плотность свободной воды меньше плотности связанной воды, поэтому объем воды в диске увеличивается [4]. Увеличение объема свободной воды в ПЯ, в свою очередь, приводит к внутридисковой гипертензии (ВДГ). В нормальном МПД такая гипертензия быстро компенсируется фильтрацией (выходом) свободной воды
через фиброзное кольцо (ФК) и гиалиновые пластинки (ГП). Дегенерация ПЯ, обусловливающая повышение онкотического давления на МПД, приводит к его пролаби-рованию и контакту с нервным корешком. Под высоким давлением на МПД растворенные кислые метаболиты, входящие в состав ПЯ диска, воздействуют на нервные волокна, тем самым вызывая воспалительную реакцию. При этом, если целостность ФК повреждена, данный процесс может развиваться и при минимальном компрессирующем давлении. Из-за рефлекторного спазма мышц, выпрямляющих позвоночник, происходит патологическое смещение межпозвонкового сустава. Все вышеперечисленные феномены служат причинами возникновения комбинированных типов боли при изначальной дискогенной патологии. Кроме того, результаты ряда исследований позволяют предположить, что также возможна изолированная дискоген-ная боль.
Пункционная декомпрессионная нуклеопластика по Смирнову-Литвиновой с внутридисковым введением Алфлутопа
С 2014 г. под нашим наблюдением на стационарном лечении находилось 305 больных с остеохондрозом поясничного отдела позвоночника, осложненным корешковым и дискогенным болевым синдромом. При проведении МРТ у всех пациентов были выявлены протрузии и грыжи с подсвя-зочными фрагментами, подлежащие мало-инвазивному хирургическому лечению без открытой дискэктомии. В зависимости от уровня внутридискового давления (ВДД) было выделено 3 типа дегенеративно-дистрофических изменений диска:
• I тип — "упругий" диск (ВДД >500 мм вод. ст.);
• II тип — "рыхлый" диск (ВДД 350 мм вод. ст.);
• III тип — "пустой" диск (ВДД 250 мм вод. ст.).
Методы лечения
Для коррекции ВДГ всем пациентам была проведена пункционная декомпрес-сионная нуклеопластика под контролем ВДД (патент № 2527909 "Способ измерения внутридискового давления при заболеваниях и повреждениях позвоночника" от 14.07.2014 г.) с последующим внутри-дисковым введением Алфлутопа (патент № 2576447 "Способ лечения внутридиско-вой гипертензии при дегенеративно-дистрофических изменениях позвоночника" от 05.02.2016 г.) [5]. Через введенную в диск иглу для пункционной нуклеопластики 1Ю измеряется ВДД, затем для формирования одностороннего искусственного канала вводится сверло, которое длиннее иглы на 5—7 мм, и для снижения ВДГ удаляется до 2 мл содержимого диска. Для контроля ВДГ повторно измеряется ВДД и в полость диска вводится 0,3 мл Алфлутопа [6, 7].
Показания к нуклеопластике с введением Алфлутопа для лечения ВДГ следующие:
1) неэффективность консервативного лечения более 6 нед;
2) протрузии и пролапс диска менее 1/3 размера спинномозгового канала;
3) локальный болевой синдром в поясничном отделе позвоночника;
4) радикулярный болевой синдром;
5) наличие у больного соматических сопутствующих заболеваний, значительно повышающих риск традиционных "открытых" операций и создающих условия для развития осложнений в послеоперационном периоде;
6) поражение дегенеративно-дистрофическим процессом >2 МПД, грыжевые выпячивания которых целесообразно устранить, так как они являются причиной соответствующей клинической симптоматики;
7) постдискэктомический синдром;
8) наличие разрывов ФК и грыжевых секвестров при отсутствии абсолютных показаний к открытому вмешательству на МПД.
К противопоказаниям относятся системная инфекция, кожная инфекция места предполагаемой пункции, применение
антикоагулянтов, беременность и наличие коморбидных состояний, исключающих хирургическое вмешательство.
После пункционной декомпрессионной нуклеопластики по Смирнову-Литвиновой с внутридисковым введением Алфлу-топа в ближайшем послеоперационном периоде больным выполнялись 5 паравер-тебральных и периартикулярных блокад с Алфлутопом с интервалом в 2 дня. После снижения ВДД у больных всех групп болевой синдром был купирован [8]. В дальнейшем больным назначалась медикаментозная терапия, лечебная физкультура, массаж, физиопроцедуры и пр.
Разработанный нами малоинвазивный способ лечения может применяться при всех степенях изменений в МПД и позволяет прогнозировать послеоперационное течение. Дополнительное введение в полость диска Алфлутопа является патогенетически обоснованным за счет его стимулирующего действия на регенеративные процессы при любом типе повреждения МПД, восстановление гомеостаза хондро-цитов в хряще, формирование полноценных агрегатов матрикса, восстановление гидратированности ПЯ.
Алфлутоп обладает симптоматическим и структурно-модифицирующим (стимулирует синтез компонентов внеклеточного матрикса хряща и одновременно замедляет его разрушение) действием, вследствие чего у пациентов уменьшается болевой синдром, увеличивается подвижность позвоночника, расширяются функциональные возможности и улучшается качество жизни. Алфлутоп купирует болевой синдром за счет снижения ВДГ, уменьшения воспаления и нестабильности сустава, нормализации метаболизма суставов и дисков.
В ранее проведенных клинических исследованиях препарата Алфлутоп были продемонстрированы его эффективность и безопасность при лечении остеоартрита различной локализации. В 2003 г. О.С. Левин и соавт. провели двойное слепое пла-цебоконтролируемое исследование эф-
Пункционная декомпрессионная нуклеопластика
фективности Алфлутопа при хронической вертеброгенной люмбоишиалгии. В исследование было включено 83 пациента в возрасте от 31 до 56 лет (средний возраст 43,1 ± 5,2 года) с длительностью заболевания от 1 до 7 лет (в среднем 3,5 ± 1,9 года) и с текущим обострением в течение от 1 до 4 мес (в среднем 2,4 ± 0,8 мес). Больные были рандомизированы в 4 группы: в группе А1 (32 пациента) вводили Алфлу-топ внутримышечно, в группе А2 (23 пациента) — паравертебрально, в группах Б1 и Б2 (по 14 пациентов) вводили плацебо внутримышечно и паравертебрально соответственно. Балльная оценка результатов лечения осуществлялась врачом, динамика боли в спине оценивалась пациентом по визуальной аналоговой шкале, количественная оценка вертебрального синдрома проводилась с помощью шкалы G. Waddel. Общий хороший или умеренный эффект Алфлутопа был отмечен в 61% случаев при внутримышечном введении и в 69% случаев — при паравертебральном. Лечебный эффект проявлялся в первые 2 нед терапии и нарастал в течение 3 мес после ее окончания. Наилучшие результаты были получены у пациентов с фасеточным синдромом, наихудшие — при стенозе позвоночного канала. Переносимость препарата при обоих способах введения была хорошей. Было отмечено, что паравертебральное введение Алфлутопа, т.е. непосредственно в зону патологического процесса, обеспечивает более быстрое наступление эффекта, однако не имеет долгосрочных преимуществ по сравнению с системным введением [9].
Стимулирование Алфлутопом репара-тивных процессов косвенно подтверждается его положительным эффектом при внут-ридисковом введении. В доклиническом исследовании И.А. Куксгауз и соавт. оценивалась терапевтическая эффективность препарата Алфлутоп на модели перелома бедренной кости у крыс [10]. В эксперименте воспроизводили открытый инвазивный вид остеосинтеза, обеспечивающий прямое сращение перелома бедренной кости. Тера-
пию Алфлутопом в дозах 0,2 и 0,45 мл/кг начинали непосредственно после проведения операции по моделированию перелома. Алфлутоп вводили ежедневно 1 раз в сутки внутримышечно в мышцы бедра левой тазовой конечности. Эффективность терапии оценивали на 21-е и 35-е сутки по результатам рентгенологического исследования аутоптата и изучения костной мозоли. Было установлено, что на 35-е сутки у крыс, получавших Алфлутоп, в отличие от контрольной группы в единичных случаях были отмечены участки сращения перелома. В ходе эксперимента была обнаружена тенденция к усилению репаративных процессов: у крыс, получавших Алфлутоп, наблюдалось увеличение площади костной мозоли по сравнению с показателем в контрольной группе.
Кластерная модель ПЯ МПД
Изменение ПГА приводит к уменьшению упругости ПЯ МПД и сопровождается переходом воды из связанного состояния в свободное. Увеличение количества свободной воды в МПД приводит к развитию ВДГ, которая является индикатором и служит одной из причин боли при дорсопати-ях. Авторами была разработана кластерная модель ПЯ для "полноценного", "упругого", "рыхлого" и "пустого" дисков, а также смоделирована кинетика деградации гиалуроновой кислоты с распределением молекул по молекулярной массе для различных степеней дегенерации ПЯ, на основании чего может строиться прогноз и рекомендации по лечению.
Для построения модели ПЯ МПД использовалась 3-фазная структура, состоящая из коллагеновых волокон, ПГА и воды. Авторы предполагали, что эта структура организована следующим образом: колла-геновые волокна и ПГА образуют упругую пористую среду, в которой может содержаться и перемещаться вода. Такая среда характеризуется пористостью и проницаемостью.
Методы лечения
Рис. 1. Объект моделирования и его декомпозиция. Фрагмент позвоночника, пунктирной линией указан объект моделирования — МПД: 1 — ПЯ, 2 — ФК, 3 — ГП.
(а)
(б)
(в)
I
I
I Г
F
Рис. 2. Модельная схема МПД с указанием потоков жидкости через ФК и ГП (а), иллюстрация восприятия механической нагрузки и деформации здорового диска (б) и диска с частичной деградацией ПГА (в). F — внешняя сила, h — высота исследуемого диска, ^ — наибольшая высота одного из соседних дисков, Н0 — высота столба жидкости при измерении ВДД, Р — давление.
В качестве объекта исследований рассматривался МПД, состоящий из ПЯ, ФК и ГП (рис. 1). Предметом исследования была
матричная модель МПД, которая позволила определить степень повреждения диска и предложить методы его лечения. Для разработки модели использовались результаты МРТ и оценки ВДД методом, предложенным В.П. Смирновым и Н.А. Литвиновой, а также методы системного анализа и математического программирования.
Прежде всего была выполнена декомпозиция объекта моделирования на 2 связанные подсистемы — гидростатическую и механическую (рис. 2). Такая декомпозиция обусловлена возможностью независимой оценки состояний этих подсистем в ходе раздельных и независимых обследований.
Состояние первой подсистемы, представленной на рис. 2а, характеризуется гидростатическим давлением. Состояние второй, механической, подсистемы, представленной на рис. 2б и 2в, характеризуется изменением высоты диска, обусловленным протеканием длительных процессов деградации при старении и повреждении диска. Рассмотрим каждую из этих подсистем детально с описанием методик определения параметров, ее характеризующих.
В качестве первой подсистемы моделирования рассматривается гидростатическая система (см. рис. 2а), давление внутри которой характеризует проницаемость ФК и ГП. Безусловно, на это давление влияют проницаемость и пористость ПЯ. Внешняя сила F определяется механическими нагрузками и состоянием диска, изменяющимся с возрастом. Если предположить, что сила F постоянна, то ПЯ, таким образом, подвергается одинаковому механическому воздействию. Соответственно, плотность, пористость и проницаемость ПЯ считаются примерно постоянными. При таком предположении величина ВДД определяется проницаемостью ФК и ГП.
Механическое состояние ПЯ моделировалось набором (матрицей) параллельно расположенных пружин, условно размещенных в один ряд (см. рис. 2б). Сверху и снизу пружин расположены ГП, а по периметру МПД ограничивается проницаемой
F
h
Рис. 3. Фотографии коллагеновых каркасов внеклеточного матрикса ПЯ, расположенные соответственно повышению давления на ПЯ. Плотность коллагена: а — 0,5% (5 мг/мл); б — 1,5% (15 мг/мл); в — 3% (30 мг/мл). Исследования вещества ПЯ, проведенные с помощью электронного микроскопа, при возрастающей механической нагрузке.
оболочкой ФК. В здоровом ПЯ нагрузка воспринимается всеми пружинами, воздействие на которые распределяется ГП (см. рис. 2а). При восприятии нагрузки здоровым ПЯ деформация всех пружин незначительная и примерно одинаковая и диск практически сохраняет свой первоначальный размер (см. рис. 2б).
Изменения ПЯ, сопровождающиеся повреждением ПГА, в данной модели представлены разрушением отдельных пружин (см. рис. 2в). В таком диске нагрузка воспринимается меньшим количеством пружин, что приводит к увеличению деформации, необходимой для уравновешивания такой же нагрузки (сила F) на диск. Подобное модельное поведение диска согласуется с реальным уменьшением высоты диска (рис. 3). Уменьшение высоты диска приводит к деформации ФК и увеличению его проницаемости, из-за этого снижается ВДД, что также совпадает с результатами практического измерения ВДД у больных.
В качестве первого входного параметра модели использовалась относительная высота диагностируемого диска где h — высота исследуемого диска, — наибольшая высота одного из соседних дисков. Эти характеристики определялись по результа-
там МРТ. Второй входной параметр — значение ВДД, полученное при бародиско-метрии по методу Смирнова—Литвиновой [11]. Функциональная зависимость между входными параметрами модели и состоянием дисков представлялась в виде электронной таблицы — "матрицы возможных состояний и рекомендаций по лечению" (табл. 1). Для каждого из входных параметров рассматриваются 3 или 4 диапазона значений [12].
Описание состояний, приведенных в табл. 1, соответствующее классификации признаков диагностирования, может быть, например, следующим: состояние 3.1 — диск "упругий", содержит мало жидкости, способность к восстановлению высокая; состояние 3.3 — диск "рыхлый", содержит
Таблица 1. Матричная модель диагностики и лечения МПД по заданным значениям входных параметров модели
h/h0,
'о/ »' %
ВДД, см вод. ст.
>50 30-50 <30
75-100 Состояние 1.1 Состояние 1.2 Состояние 1.3 50-75 Состояние 2.1 Состояние 2.2 Состояние 2.3 25-50 Состояние 3.1 Состояние 3.2 Состояние 3.3
Методы лечения
1
0.9
0.8
0.7
сГ
Ф
0.6
н
о
0.5
т
U.+
CL
CL 0.3
0.2
0.1
0
_________
\ 1 2 к 3
* / \ /
'*".....
/ * ..... ''"'I,
____i____ \
/ \
/ %в
/ _ I—¡ "......... ------------
1000
2000
3000
«00
7000
8000
3000
10000
5000 6000 К, отн. ед.
Рис. 4. Связь молекул различной молекулярной массы и давления в диске. Доля деградировавших молекул (с молекулярной массой <18 кДа) (сплошные линии) и снижение давления в диске (пунктирные линии) при разных начальных размерах молекул (1 — 10 кДа, 2 — 100 кДа, 3 — 1000 кДа) в зависимости от времени K. Здесь и на рис. 8: P/P0 — относительное давление, N/N0 — доля деградировавших молекул.
много жидкости, способность к восстановлению низкая (рис. 4).
Гидратированные ПГА, как отмечалось выше, определяют упругие свойства ПЯ и его способность равномерно распределять давление на ФК при механических нагрузках на МПД. Поэтому количество связанной воды характеризует упругие свойства ПЯ и влияет на онкотическую составляющую ВДД. Количество же свободной воды влияет на размер ПЯ, а с учетом проницаемости ФК и ГП определяет гидростатическую часть ВДД.
В качестве объекта диагностики, моделирования и лечения мы рассматривали ПЯ МПД как неупорядоченную пористую 3-фазную структуру, состоящую из колла-геновых волокон, гидратированных ПГА и свободной воды. Для получения информации о количестве свободной воды в ПЯ при измерении ВДД по методу Смирнова—Литвиновой дополнительно регистрировался интервал времени между падением 1-й капли физраствора и началом формирования 2-й капли при постоянной высоте
капельницы. Этот интервал времени соответствует времени проникновения 1-й капли в ПЯ. Так как уровень жидкости в капельнице оставался постоянным, можно считать, что капля физраствора проникла в ПЯ под давлением, равным ВДД, и вызвала в нем движение свободной воды. Из-за малого объема капли деформацией структуры ПЯ, а также движением жидкости через ГП и ФК пренебрегали. Движение свободной воды в ПЯ анализировалось как процесс фильтрации жидкости в пористой среде. В качестве количественной оценки состояния места в ПЯ, где располагался конец иглы, мы использовали коэффициент проницаемости (далее просто проницаемость) пористой среды в законе фильтрации Дар-си [13]. Для его вычисления были сделаны следующие предположения: объем жидкости, движущейся в пористой среде, равен объему капли (V); время фильтрации равно интервалу времени от падения 1-й капли до начала формирования 2-й капли; площадь поперечного сечения цилиндрической ячейки равна площади поперечного
Таблица 2. Результаты измерений ВДД и значения проницаемости
h/h0, 'о/ »' -/о ВДД-1 ВДД-2 ВДД-3
H, см t, с k х 1012, м2 H, см t, с k х 1012, м2 H, см t, с k х 1012, м2
29 20 5 18,0 20 5 18,0 15,0 3 40,0
80 20 15 6,0 35 15 3,4 42,5 10 4,2
100 15 15 8,0 30 15 4,0 15,0 15 8,0
Обозначения: ВДД-1 - у ФК до декомпрессии диска, ВДД-2 - в центре ПЯ до декомпрессии диска, ВДД-3 - у ФК после декомпрессии и вакуум-аспирации диска.
сечения канала иглы G11; длина цилиндрической ячейки L = V/S; динамическая вязкость фильтруемой жидкости равна динамической вязкости воды; разность давлений на границах испытуемого объема (Ар) равна измеренному значению ВДД. Так как разность давлений (Ар) пропорциональна высоте уровня физраствора в капельнице относительно положения иглы при измерении ВДД, а концентрация NaCl в используемом растворе меньше 1%, то его плотность и динамическую вязкость принимали равной плотности воды. Это приближение позволило использовать кинематическую вязкость воды, что существенно упростило практическую формулу для вычисления проницаемости
k=^VL
k gS2Ht
где k — коэффициент проницаемости (м2), v — кинематическая вязкость воды (м2/с),
V — объем капли (м3), g — ускорение свободного падения на поверхности Земли (м/с2), S — площадь поперечного сечения канала иглы G11 (м2), H — высота уровня жидкости в капельнице относительно положения иглы (м), t — время до начала формирования 2-й капли (с).
При вычислениях мы использовали постоянные величины (v = 1 х 10-6 м2/с,
V = 0,05 мл, g = 9,8 м/с2, S = 3,8 х 10-6 м2) и упрощенную расчетную формулу, числовой коэффициент (k) в которой (1,8 х 10-9) имеет размерность м2 см с.
1,8 х 10-9
k =
В табл. 2 приведены некоторые результаты измерений ВДД и значения проницаемости, оцененные в разных местах ПЯ и на различных этапах механической декомпрессии диска.
Для установления связи полученных значений проницаемости ПЯ с длиной ПГА (или молекулярной массой гиалуро-новой кислоты) мы разработали структурированную геометрическую модель области в ПЯ, где располагается конец иглы при измерении ВДД. Модель представляет собой упорядоченную пористую структуру, цилиндрический образец которой ориентирован по направлению иглы при измерении ВДД (рис. 5а). Элементарными объектами этой структуры являются прямолинейные стержни. Оболочка стержней состоит из коллагеновых волокон, внутри оболочки располагаются замкнутые в окружность гидратированные ПГА. Диаметр стержня определяется длиной ПГА (рис. 5б) и диа-
(а) 4
(б)
Ht
7
Рис. 5. Схематическое изображение геометрической модели ПЯ: а — цилиндрический образец: 1 — коллаген-протеогликановые стержни, 2 — коллагеновая оболочка стержня, 3 — гидратированные ПГА, 4 — прямолинейные поры; б — замкнутый гидратированный ПГА: 5 — гиалуроновая кислота, 6 — протео-гликаны, 7 — молекулы связанной воды.
1
5
Методы лечения
(а)
'бкхзъ
(г)-Л—
/О о о /
Рис. 6. Трансформация структурных элементов и хаотическое их расположение в цилиндрическом образце постоянного диаметра: а — "полноценный" диск; б — "упругий" диск; в — "рыхлый" диск; г — "пустой" диск.
Оч \ ФСК МУ/
(а)
(б)
Рис. 7. Последовательная трансформация стержней — варианты их упаковки: а — хаотическое расположение в образце постоянного диаметра; б — плотное расположение в образце уменьшающегося диаметра. Цифрами указано отношение количества разрушенных ПГА к их исходному количеству: 1 — 0%, 2 — «30%, 3 - «60%, 4 - 100%.
метром коллагеновых волокон. Коллаге-новые волокна, расположенные вдоль оси стержней, плотно примыкают друг к другу, поэтому оболочка стержней считается водонепроницаемой. Гидратированные ПГА, расположенные внутри стержней, образуют гелеобразное вещество, которое на данном этапе применения модели считается неподвижным и водонепроницаемым. Такие стержни упаковываются в цилиндрический образец, и пространство между ними представляет собой поры, заполненные свободной водой.
Теоретическая проницаемость модели равна усредненной площади поперечного сечения поры в цилиндрическом образце. Усреднение площади необходимо, так как на границе образца и в его объеме поперечное сечение пор имеет разную форму. Цилиндрический образец компонуется из определенного количества стержней оди-
накового или разного диаметра. В данной работе для вычисления диаметров стержней мы использовали длину гиалуроновой кислоты в пределах от 420 до 4200 нм (молярная масса от 55,5 до 555 кДа) и диаметр коллагеновых волокон от 20 до 100 нм. Применяя различные значения указанных выше размеров и разное количество стержней в цилиндрической упаковке, можно получать разные значения теоретической проницаемости. Например, для плотной упаковки из 7 стержней при максимальных размерах образующих их элементов значение теоретической проницаемости равно 4 х 10-12 м2. Эта величина соответствует диапазону значений проницаемости, вычисленных после диагностики реальных МПД. Дегенеративный процесс разрушения ПГА вызывает уменьшение диаметра стержней, а свободная площадь в поперечном сечении образца (проницаемость) увеличивается. Это соответствует уменьшению ВДД, измеряемому по методу Смирнова-Литвиновой. Предложена классификация де-генерированных дисков по величине ВДД и соответствующей ему проницаемости (рис. 6).
На рис. 7 изображено изменение состояния ПЯ, которое моделируется уменьшением диаметра стержня из-за разрушения ПГА на 2 равные части. Возможны различное количество разрушенных ПГА и разные варианты их последующей упаковки стержней. На рис. 7а видно, что, несмотря на увеличение общего количества стержней, проницаемость образца увеличивается. Это соответствует уменьшению ВДД, измеряемому по методу Смирнова-Литвиновой [3]. На рис. 7б показан процесс аналогичной трансформации стержней, но при последующем плотном расположении их в цилиндрическом образце уже меньшего диаметра. Видно, что такая компоновка стержней приводит к уменьшению диаметра образца и его проницаемости. В реальных дисках это соответствует увеличению значения ВДД и уменьшению относительной высоты диска.
Пункционная декомпресснонная нуклеопластнка
(а)
g
I
рГ
РМ
(б)
I
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ОД
MYJYJYJV
к~\/1/1/Г\/Г.
8 9 10 xlO4
4 5 6 7 8 9 10 хЮ4 0 1 2 3 4 5 6 7
К, отн. ед. К, отн. ед.
Рис. 8. Доля деградировавших молекул (с молекулярной массой менее критической) (серая кривая) и снижение давления в диске (черная кривая) при начальных размерах молекулы 3 МДа в зависимости от времени К при периодическом введении Алфлутопа (а) и Алфлутопа и гиалуро-новой кислоты (б).
Относительную высоту цилиндрического образца можно вычислить, используя значение радиуса плотной упаковки одинаковых кругов в большом круге (см. рис. 7). Таким образом, результаты модельных расчетов можно сравнивать не только со значением ВДД, но и с относительной высотой диска, получаемой по данным МРТ.
Для количественной оценки степени повреждения ПГА была составлена зависимость теоретической проницаемости (к) от отношения количества разрушенных ПГА (^ к их исходному количеству (^). Результаты расчетов представлены в табл. 3. Исходный цилиндрический образец состоит из 10 плотно упакованных стержней ("полноценный" диск), образованных ПГА с длиной гиалуроновой кислоты 4200 нм (молярная масса «550 кДА) и коллагено-выми волокнами диаметром 100 нм. Радиус такого стержня (7,7 х 10-7 м) при делении ПГА на 2 равные части (гиалуроновая кислота 2100 нм или «275 кДа) уменьшается в 2 раза. При расчете проницаемости радиус
вмещающего круга полагали постоянным, т.е. упаковка стержней хаотичная.
Для дисков с большей проницаемостью необходимо использовать деление ПГА на более мелкие части, а для дисков с меньшим значением проницаемости увеличить количество стержней в исходном образце.
Пульпозное ядро реального МПД может состоять из различных по структуре областей. Эта ситуация моделируется с помощью набора цилиндрических образцов (кластеров), которые различаются степенью повреждения ПГА и вариантом упаковки стержней (см. рис. 6, 7).
Для лечения болевых синдромов при неспецифической боли в спине, а также при деградации хрящевой ткани традиционно применяются препараты группы SYSADOA (symptomatic slow-acting drugs for osteoarthritis — симптоматические препараты замедленного действия для лечения остеоартроза). Одним из наиболее широко применяемых хондропротекторов в России является Алфлутоп — оригинальный комплексный препарат, биоактивный концентрат мелких морских рыб, содержащий
Таблица 3. Зависимость проницаемости от степени деградации ПГА
N/N,, % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
K х 1012, м2 6,4 7,1 7,8 8,5 9,2 9,9 10,6 11,3 12,0 12,7 13,4
Методы лечения
сбалансированный комплекс элементов, идентичных матриксу хрящевой ткани. Основным механизмом действия Алфлутопа является его способность снижать активность гиалуронидазы, разрушающей гиа-луроновую кислоту, и увеличивать активность гиалуронансинтазы-1, в результате чего повышается уровень гиалуроновой кислоты, что и использовалось в нашем исследовании для стабилизации ПГА (рис. 8) [14-17].
Заключение
Разработанный нами малоинвазивный способ лечения может применяться при всех степенях изменений в диске, позволяет прогнозировать послеоперационное течение. Дополнительное введение в полость диска Алфлутопа патогенетически обоснованно из-за его стимулирующего действия на регенеративные процессы при любом типе МПД и восстановление гомео-стаза хондроцитов в хряще, формирование полноценных агрегатов матрикса, восстановление гидратированности ПЯ. Однако, учитывая определенные сложности, в частности необходимость наличия специальных хирургических инструментов и навыков у оператора, осуществления контроля ВДГ и др., авторы не ожидают скорого внедрения описанного малоинвазивного
способа лечения в рутинную клиническую практику.
Автоматизированная матричная модель МПД позволила оперативно, по двум входным параметрам, определить возможные состояния диска и выбрать методы хирургического лечения. Структурированная геометрическая модель ПЯ по значению его проницаемости, в свою очередь, позволила оценить количество свободной воды в ПЯ и принять решение о применении вакуум-аспирации после механической декомпрессии диска. Информация о степени повреждения ПГА в ПЯ определила целесообразность применения Алфлутопа для стабилизации состояния МПД. Применение разработанной методики дает возможность моделировать введение различных лекарственных средств и стабилизирующих систем для лечения ВДГ и сегментарной нестабильности.
Описанная модель ПЯ и практический опыт проведения нуклеопластики могут послужить врачам импульсом для более глубокого изучения суставной патологии позвоночника, а также более подробного знакомства с препаратом, который применяется в клинической практике 26 лет.
Со списком литературы вы можете ознакомиться на нашем сайте www.atmosphere-ph.ru
Puncture Nucleoplasty for Discogenic Back Pain Using a Bioactive Concentrate of Small Marine Fish: From an Experimental Model to Clinical Practice V.P. Smirnov, V.P. Zhukov, and I.P. Igoshin
In most cases, back pain is caused by degeneration of intervertebral discs. The development of new diagnostic techniques and effective treatment methods for such diseases is unquestionably relevant. The purpose of this review was to describe modelling of the intervertebral disc, development of low-cost methods of measuring intradiscal pressure, and effective methods of intradiscal hypertension correction. The studies implemented the methods of mathematical modeling, magnetic resonance imaging, measurement of intradiscal pressure, and minimally invasive spinal surgery for correction of intradiscal hypertension. As a result, we developed a matrix model of the intervertebral disk and a geometric model of the nucleus pulposus that can diagnose possible conditions of the disk and help in choosing options for its treatment using a set of input parameters.
Key words: vertebrogenic pain, intervertebral disc, nucleus pulposus, intradiscal pressure, hypertension, decompression, mathematical model, system analysis, diagnostics, measurement of intradiscal pressure, permeability, geometric model, Alflutop.
