Клинико-экспериментальные данные о состоянии мышечной системы голени при ее удлинении (обзор литературы)

Государственное учреждение

Российский научный центр "Восстановительная травматология и ортопедия" им. академика Г. А. Илизарова, г. Курган (генеральный директор — заслуженный деятель науки РФ, член-корреспондент РАМН, д.м.н., профессор В.И. Шевцов)

Методы оперативного удлинения конечностей при их укорочениях различного происхождения, а также у пациентов низкого роста используются в настоящее время не только для решения ортопедических задач, но и для решения проблем социального и психологического плана, поэтому как никогда результат лечения должен быть оптимальным [19, 21, 4].

В связи с этим необходимо учитывать и знать все особенности строения костной и мягких тканей укороченных конечностей, а также те изменения, которые наступают в процессе удлинения [11, 13. 36, 22].

Увеличение роста и восстановление пропорций тела у больных ахондроплазией и при других системных заболеваниях за счет удлинения верхних и нижних конечностей методом чрескостно-го дистракционного остеосинтеза является в настоящее время эффективным и надежным способом реабилитации людей с низким ростом [44, 25, 15, 32, 4].

Рентгеноанатомические особенности костей у больных ахондроплазией обеспечивают, как правило, благоприятное течение процессов репаративного остеогенеза, тогда как мягкие ткани требуют к себе постоянного внимания, тем более что у этих больных и подкожная клетчатка, и мышцы по своим морфологическим параметрам отличаются от таковых у здоровых.

Еще более сложная ситуация возникает при удлинении врожденноукороченных конечностей, когда исходное состояние мышц характеризуется значительными морфологическими изменениям.

Интерес к изучению мягких тканей при удлинении конечностей наиболее ярко проявился в середине 80-х годов прошлого столетия [31, 68, 51, 23], тогда как первые работы по исследованию состояния мышц, сосудов, нервов при дист- ракции появились гораздо раньше [7, 69, 50, 46].

Указанные работы базировались на морфологических исследованиях, проведенных в эксперименте, или на данных электрофизиологических методов диагностики в клинике.

В одной из первых работ, где в эксперименте на собаках были изучены изменения мышц в условиях дистракции [5], была дана морфологическая характеристика мышц при удлиняющем артродезе коленного сустава. В период дистракции в мышцах отмечены реактивные изменения, заключающиеся в набухании отдельных мышечных волокон и амитотическом делении ядер. Мышечные волокна уменьшались в диаметре. Происходило образование молодых мышечных волокон диаметром около 14 мкм. В период фиксации изменения в мышцах были менее значительны, а в отдаленные сроки гистоструктура мышц оперированной и неоперированной конечностей была одинаковой.

В работе В.М. Яковлева (1975) показано, что возникающие при удлинении изменения в мышцах выражены неравномерно и носят очаговый характер [68]. Под влиянием растяжения в мышцах постепенно нарастают нарушения внутриор-ганного кровообращения, усиливаются экссудативно-пролиферативные явления в перимизии и фасциях, а также дистрофические изменения мышечных волокон. На фоне феномена «раздражения» нарастают явления дегенерации и распада в нервных элементах мышц. В конце периода дистракции усиливается склероз перимизия, фасций и нарастает атрофия мышечных волокон. В период фиксации в мышцах снижаются дистрофические и пролиферативные процессы, но прогрессирует атрофия. Сохраняются значительные изменения внутримышечных сосудов. После снятия аппарата постепенно нормализуется строение мышц и их сосудов, однако даже через 18 месяцев после удлинения в мышцах и сосудах не происходит восстановления их нормальной структуры. Автор считает, что изменения, возникающие в мышцах при дозированном растяжении, связаны с нарушением микроциркуляции, приводящим к гипоксии тканей.

В работе В.Ф. Четвергова (1975) указано, что реактивно-приспособительные процессы в скелетных мышцах зависят от величины и характера дистракции [51]. Наиболее физиологичной, по мнению автора, является дистракция на 0,1 см за сутки. Применявшаяся автором тенотомия вызывает в мышцах явления атрофии, приводит к снижению веса. Реактивные изменения наступают раньше и оказываются более выраженными для мышечных волокон I типа (красные) по сравнению с волокнами II типа (белые). Высказано мнение, что соматическая мускулатура является высокодинамичной тканевой системой, однако потенциально-приспособительные реакции ее необходимо учитывать в клинической практике.

По мнению Н.Н. Мажары (1974), очаговый характер изменений в мягких тканях удлиняемого сегмента можно объяснить неодинаковым их растяжением [31], причем основное сопротивление дистракции оказывает фасциальный аппарат.

В работе Л.А. Смирновой с соавт. (1972) впервые на большом экспериментальном материале изучены морфологические изменения крупных нервных стволов и нервно-мышечного аппарата голени при ее дозированном удлинении [33]. Авторы отметили, что наиболее лабильными в процессе дистракции являются мякотные нервные волокна, причем раньше изменениям подвергаются осевые цилиндры нервных волокон. Феномен раздражения в ранние сроки сменяется процессами деструкции, дегенерации и регенерации. Компенсаторная перестройка нервных стволов не заканчивается через один год после операции.

Ю.Ю. Колонтай с соавт. (1976) в эксперименте на собаках изучено влияние дистракции на мышцы, их сосуды и нервы при удлинении голени на 20% от исходной длины с темпом 1 мм в сутки [8]. Авторы приходят к выводу, что нарушение кровообращения, дистрофические изменения сосудов и мышц, деструкция нервных элементов мышц, сужение и облитерация просвета артерий в период стабилизации достигнутого удлинения преимущественно обратимы и связаны с перерастяжением мышц и фасций, что вызывает нарушение микроциркуляции, приводящее к гипоксии тканей. Отмечено, что в фасциях происходит компенсаторно-приспособительная перестройка, которая проявляется пролиферацией их клеток, уплотнением и возникновением многослойности. Высказано мнение о целесообразности предварительного удлинения ахиллова сухожилия при коррекции укорочения голени свыше 10%.

В работах Ю.Ю. Колонтай с соавт. (1976), Н.Н. Мажары (1974), В.М. Яковлева (1975) впервые были показаны происходящие в мышцах, сосудах и нервах изменения, динамика их в зависимости от периода эксперимента, условий удлинения и, что особенно важно, механизмы некоторых дезадаптивных процессов [8, 31, 68].

Исследования Н.Н. Мажары (1974), В.Ф. Четвергова (1975), В.М. Яковлева (1975) следует считать основополагающими, сделавшими акцент на необходимость обратить внимание в процессе удлинения на состояние сосудистой и мышечной систем, влияние которых на функциональное состояние конечности чрезвычайно важно [31, 51, 68].

Исследование гистологических и гистохимических изменений мышц в клинических условиях проведено в работе Е.Н. Ярошевской и С.Д. Дзахова (1969), где дана оценка состояния мышечной ткани у 15 больных после удлинения конечности при помощи аппарата Гудушаури [69]. Величина удлинения составила 5-13 см. Отмечено, что через 1-2 месяца после удлинения в значительной части волокон видны дистрофические изменения, которые спустя 6-9 месяцев были выражены менее отчетливо. Между волокнами располагались значительной величины прослойки соединительной и жировой ткани. В большей части мышц были выражены явления регенерации. Авторы делают вывод, что постепенное растяжение не вызывает глубоких нарушений в структуре мускулатуры. Умеренно выраженные изменения связаны не только с растяжением мышц, но влиянием иммобилизации.

Новым этапом в изучении мягких тканей при дистракции стали выполненные под руководством профессора Г.А. Илизарова в начале 80-х годов и продолженные в 90-е годы исследования сотрудников Курганского НИИЭКОТ [3, 30, 45, 10, 29, 18, 60]. Работы были выполнены как в экспериментальных условиях, так и в клинике и касались не только морфологических аспектов, но и биомеханики с использованием современного исследовательского оборудования и методик, в частности электронной микроскопии.

Влияние дистракции на нервный аппарат мышц изучено в эксперименте [30]. Реактивная реакция на 14-й день удлинения сменяется через месяц более глубокими дегенеративными процессами в нервных окончаниях мышц с частичным распадом концевых структур и реактивными изменениями претерменалий. В более поздние сроки отмечается обширная сеть регенерирующих концевых структур. В период фиксации процессы регенерации преобладают над реактивными и дегенеративными изменениями. Через год после снятия аппарата Илизарова нервный аппарат мышц восстанавливается, хотя сами мышечные волокна имеют дистрофические изменения.

Г.В. Дьячковой были проведены оригинальные биомеханические исследования, впервые позволившие оценить вклад различных мягкотканных образований в сопротивление растяжению как до удлинения, так и после дистракции [10]. Кроме того, были изучены особенности удлинения мышц в зависимости от уровня остеотомии и их анатомических особенностей.

В работах Г.В. Дьячковой и А.М. Чирковой, Г.В. Дьячковой и С.А. Ерофеева впервые подробно исследована динамика морфологической картины в фасциях конечности в различные периоды удлинения [18, 17]. С.Н. Асоновой изучение фасциального аппарата голени проведено с целью выявления «Эффекта Илизарова» методами трансмиссионной, сканирующей электронной микроскопии, стереологического анализа. Результаты работы показали, что реализация формогенного эффекта напряжения растяжения при дистракционном морфогенезе фасций у взрослых собак свидетельствует о сходстве этих ультра-структурных проявлений с таковыми при естественном постнатальном морфогенезе [2].

Формогенный эффект напряжения растяжения у взрослых собак состоит в ориентации фибробластов фасций, приклеточных компартментов фибриллогенеза и формируемых ими коллагеновых волокон по вектору растяжения. Степень ориентированности этих структур в период дистракции нарастает и максимально выражена к концу 2-го месяца.

В период дистракции у взрослых собак наблюдается прогрессивная гипертрофия цитоскелета фибробластов, формирование ими межклеточных контактов и цитостромальных контактов с микрофибриллами эластических волокон. Эти структуры опосредуют формогенный эффект напряжения растяжения. В период дистракции площадь поверхности межклеточных контактов и интенсивность контактообразования фибробластами нарастают и достигают максимальных значений к концу 1-го месяца. Дифференцировка фибробластов в течение 2-го месяца дистракции сопровождается снижением оценок стереологи-ческих параметров системы межклеточной интеграции фибробластов.

Н.К. Чикориной была изучена реакция мышц голени на удлинение методами электронной микроскопии [52]. Проведенные исследования показали, что в процессе удлинения большинство волокон передней большеберцовой мышцы сохраняло нормальную ультраструктуру миофиб-риллярного аппарата с признаками гипертрофического роста за счет миофибриллогенеза в под-сарколеммных участках саркоплазмы. В части мышечных волокон развивались дистрофические изменения. К 33-42-му дню дистракции нарастали явления миогенеза по эмбрионально миобла-стическому типу [20].

В это же время параллельно состояние мышц изучалось сотрудниками Уральского НИИТО Л.Н. Кочутиной и позднее Е.Б. Трифоновой. Морфологические исследования мышц голени при различных темпах ее удлинения в эксперименте показали, что наименее выраженные, преимущественно обратимые изменения мионов, мышечной соединительной ткани, сосудистой сети имеют место при удлинении голени по 0,5 мм в сутки. Через год после снятия аппарата в этой серии отмечено восстановление структуры мышцы [24].

Изучение нервных проводников и их концевых аппаратов в мышцах и коже с помощью электронной микроскопии выявило микроскопические перерастяжения нервных волокон. Найдено резкое истончение, обрывы аксонов, признаки периаксональной и доллеровской дегенерации. С увеличением дистракции количество поврежденных волокон возрастает. В то же время имеется большое число регенерирующих нервных волокон, однако они длительное время не достигают тканей - мишеней [28, 41, 43, 26].

При сравнительном анализе морфологических изменений моторных нервных окончаний при больших одноэтапных удлинениях голени выявлено, что дистрофические изменения их наблюдаются раньше и более распространены при мо-нолокальном дистракционном остеосинтезе. Регенерационные процессы с формированием моторных нервных окончаний вблизи миогенных элементов возникают раньше в условиях било-кального дистракционного остеосинтеза [27].

Изучение реактивности и регенерации скелетных мышц конечности при удлинении в эксперименте показало, что в условиях билокального остеосинтеза проявляется преимущественно клеточно-компенсаторно-приспособительный характер регенерации, который имеет сходство с морфологическими проявлениями естественного гистогенеза скелетных мышц у растущих животных [25].

С 1971 года в РНЦ «ВТО» проводятся клинико-нейрофизиологические исследования, посвященные изучению влияния различных факторов дистракционного остеосинтеза на функциональное состояние центральных и периферических структур нейромоторного аппарата у больных с укорочением конечностей различной этиологии [58, 59]. Методами стимуляционной и глобальной ЭМГ изучены произвольная и вызванная биоэлектрическая активность мышц и нервов в зоне удлинения и дистальных (по отношению к ней) сегментов укороченной конечности.

Тестированию подлежали на голени: икроножная мышца (m. gastrocnemius), передняя большеберцовая мышца (m. tibialis anterior), короткий сгибатель пальцев (m. flexor digitorum brevis), короткий разгибатель пальцев (m. extensor digitorum brevis). Электромиографические исследования функционального состояния мышц и нервов укороченной конечности после операции, в различ- ные периоды дистракции и фиксации показали, что реконструктивный, индуцированный дозированным растяжением нейромиогенез включает два положения: 1) пограничные состояния; 2) двустадийность [67].

По мнению авторов исследования, первое положение отражает особенности вовлечения в структурно-функциональную реогранизацию различных типов мышц и нервных волокон. Так, при удлинении голени первыми в деструктивно -репаративную реакцию вовлекаются иннерваци-онные структуры тыльных и подошвенных сгибателей стопы (10% удлинения). При дальнейшем удлинении у больных с врожденными укорочениями конечности отмечается резкое снижение М-ответов мышц тыльной и подошвенной поверхности стопы.

Авторы предложили концепцию двустадийного характера нейромиогенеза. В первую стадию, обозначенную как «альтерационная», происходит пассивное растяжение нервных стволов и мышц за счет имеющегося запаса их длины и эластичности, а затем за счет репаративной регенерации нервных и мышечных волокон на фоне угнетения их функции. Частичная денервация мышц в условиях растяжения приводит к дедифференцировке мышечной ткани и проявлению ее репаративных свойств. Часть мышечных волокон полностью атрофируется, замещаясь соединительной тканью, снижаются контрактильные и реологичекие свойства мышц, их сила [47]. Вторая «адаптационная» стадия характеризуется преобладанием процессов регенерации в мышцах и нервах, что сопровождается формированием резерва длины и эластичности мышц и нервных стволов.

Комплекс работ, выполненных под руководством А.П. Шеина, является в настоящее время наиболее полным и всесторонним исследованием, пролившим свет на механизмы нейромиогенеза при дистракции и позволившим разработать комплекс практических рекомендаций, касающихся способов контроля и коррекции функционального состояния центральных и периферических эфферентных структур в процессе и после удлинения.

Исследование энергетического метаболизма мышц в различных режимах дистракционного остеосинтеза проведено Е.Б. Трифоновой [42]. Установлено, что удлинение голени до 50% исходной величины вызывает значительные сдвиги в биоэнергетике скелетной мышечной ткани. Степень активации биоэнергетических путей зависит от режимов удлинения, его величины. Регенерация скелетной мышцы происходит на фоне активных кислород-зависимых реакций, максимально выраженных в режиме билокально-го дистракционного остеосинтеза. В начальном периоде дистракции решающее значение имеет гликолиз, затем - окисление НАД и ФАД- зависимых субстратов, на этапе фиксации - рефосфорилирование креатинфосфата.

Исследование А.С. Симпсоном (1991) реакции мышц на различные скорости дистракции показало, что во всех случаях имела место воспалительная инфильтрация, увеличение количества коллагеновых волокон, увеличение длины саркомер и их числа. При дистракции со скоростью свыше 2% в день отмечалось нарушение функции нервов [39].

В работе В.И. Шевцова (1982) морфофункциональное состояние мышц удлиняемой конечности изучено в условиях гипербарической оксигенации [53]. По мнению автора, в условиях ГБО изменения мышечных волокон менее выражены, функциональные свойства скелетных мышц снижаются постепенно, быстрее происходит их морфологическое восстановление.

В 1997-2001 годах в РНЦ «ВТО» выполнен цикл работ, касающихся изучения морфофункци-онных, гистологических, морфометрических характеристик мышц голени со стереологическим анализом гемомикроциркуляторного русла передней большеберцовой мышцы в зависимости от режима удлинения и времени суток [57,40, 34].

В одной из первых работ С.Н. Асоновой (1997) отмечено, что при высокодробной дистракции увеличивается количество капилляров с уменьшением радиуса цилиндра мышечного волокна, снабжаемого одним капилляром; отмечается увеличение объема сосудистого бассейна, сокращение межкапиллярного расстояния, т.е. создаются условия для увеличения кровоснабжения мышц, хотя эти изменения не могут полностью удовлетворить запросы тканей [1]. Тем не менее после прекращения дистракции морфофункциональные изменения сосудистого бассейна быстрее проходят, восстанавливается объем движений в суставах и опороспособность конечности.

Результаты послеоперационных исследований показали, что при автоматическом удлинении и 8-кратной дробной дистракции клинические показатели были лучше, чем при малой дробности дистракции, а наилучшая «капилляризация» мышц была отмечена при 60-кратной дробности дистракции [40].

Удлинение голени в режиме дистракции 1мм за 8 приемов сопровождается увеличением объема микроциркуляторного русла, диаметра микрососудов, отмечается новообразование капилляров.

При удлинении голени с высокой дробностью и в разное время суток, при величине одномоментного удлинения, не превышающей ранее эмпирически найденный критический порог [38], не найдено существенных отличий в функциональных характеристиках мышц (М-ответы) [48].

Изучение гистохимических и морфометрических характеристик при удлинении с различной дробностью показало, что более выражен- ные изменения морфометрических показателей отмечены при удлинении в режиме 1 мм за 8 приемов, а гистохимическая картина наиболее отлична от интактной при 4-кратной дробности дистракции [48].

С 1994 по 2000 год появился ряд работ зарубежных авторов, которые касались изучения мягких тканей конечностей при удлинении. Большая часть из них повторяла выполненные в РНЦ «ВТО» морфологические исследования в эксперименте и касалась изучения влияния темпов и ритмов дистракции на состояние мышечной ткани, а также роли уровня остеотомии.

Так, в работе M.R. Makarov с соавт. (1996) было изучено состояние мышц в двух группах животных [76]. В первой удлинение в автоматическом режиме с различным ритмом осуществляли после остеотомии в средней трети диафиза голени. Во второй группе удлинение с ритмом 3 раза в день проводили после остеотомии в верхней, средней, нижней трети голени и после двойной остеотомии. Результаты работы свидетельствуют о том, что удлинение после двойной остеотомии и с более частым ритмом сопровождается более активно протекающими процессами регенерации в мышцах.

Влияние дистракции на различные типы мышечных волокон и их диаметр изучено в работах B. Fink с соавт. [73]. В двух группах экспериментов (25 дней дистракции – А группа и 25 дней фиксации – В группа) установлено, что атрофия в период дистракции более выражена для волокон типа II. В период фиксации были выражены процессы реиннервации. Мышечная адаптация у молодых и взрослых кроликов в условиях дистракции с темпом 1 мм и 1,4 мм в сутки изучалась иммунофлуоресцентным методом, с помощью которого определяли количество мышечной новообразованной ткани в передней большеберцовой мышце [75]. У молодых кроликов 27% мышечных волокон содержали новообразованную мышечную ткань, тогда как у взрослых кроликов только 9,9% мышечных волокон давали положительную реакцию. Гистологическими, гистохимическими, иммуногистохимическими методами с помощью электронной микроскопии изучена реакция мышц голени собак при удлинении с темпом 0,5 мм два раза в день.

В первой группе эксперимент заканчивался периодом дистракции, во второй – через 25 дней фиксации. Изменения в мышцах выражались, по мнению авторов, в дегенерации, регенерации, эндо- и перимизиальном фиброзе, атрофии волокон типа I и типа II [18]. В период фиксации преобладали явления реиннервации. Авторы считают, что удлинение сопровождается не только дегенеративными процессами в мышечной ткани, но и регенерацией и реиннервацией, которые проявляются в образовании новой мышечной ткани.

Изучение реакции кровеносных сосудов на удлинение гистологическими, гистохимическими, электромиографическими методами показало [72], что сосуды хорошо адаптируются к растяжению во время дистракции.

Биомеханические исследования сухожилий при удлинении голени у собак методами циклических нагружений выявили, что эластичность сухожилий после удлинения значительно уменьшилась [74]. Электромиографические исследования [77, 72] икроножной мышцы показали, что нейрогенные и миопатические изменения, возникающие в мышцах в период дистракции, после снятия аппарата сменяются восстановительными и реиннервационными процессами.

По мнению некоторых авторов, лечение врожденных укорочений сложнее, чем приобретенных, поскольку в этом случае патологический компонент исходно присутствует во всех тканях конечности. В работах В.А. Щурова с соавт. [63, 61] и Л.А. Гребенюк с соавт. [6] отмечено, что мышечная сила разгибателей и сгибателей голени была на 52-60% ниже уровня таковой на интактной конечности, а момент силы мышц тыльных сгибателей стопы составил 22% от уровня на интактной. Исследование кровообращения при врожденном укорочении голени показало, что величина линейной скорости кровотока по артериям укороченной нижней конечности по сравнению с интактной была снижена. Объемная скорость кровотока также была меньше на 35%. В процессе дистракции этот показатель был повышен в 2 раза, тогда как пиковый кровоток снижался на 17%, а индекс пикового кровотока составил 38% от уровня на интактной конечности [62].

По данным В.А. Щурова и А.В. Попкова, удлинение голени методом автоматической дистракции сопровождается значительным увеличением интенсивности кровообращения на фоне меньшего прироста шунтового кровотока и большего прироста капиллярного [66].

С 1990 по 2001 год в РНЦ «ВТО» проведены комплексные исследования состояния мягких тканей верхней и нижней конечностей при удлинении в клинических условиях. К ним относятся исследования Г.В. Дьячковой [71, 70] и В.И. Шевцова с соавт. [54], в которых с помощью контрастной рентгенографии изучены особенности анатомии и топографии мышц плеча, бедра и голени у больных с врожденными и приобретенными укорочениями конечностей и ахондроплазией. Совместно с Т.И. Менщиковой и Л.А. Гребенюк исследованы сонографические параметры мышц конечностей у больных с различной этиологией укорочения. Состояние мышц в процессе удлинения методами КР, УСГ и КТ изучены в работах [12, 14, 55, 16, 9].

Биомеханические свойства мягких тканей, в частности сократительная способность мышц и локомоторная активность, изучены в работах

В.А. Щурова с соавт. [64, 35, 49, 65]. В возрасте 7 лет у больных ахондроплазией максимальный момент силы (ММС) мышц тыльных сгибателей стопы (ТСС) на 66% меньше, чем у сверстников. К 10-11 годам ММС мышц ТСС и ПСС увеличивался до 7,8 и 8,2 Н*м, что было также ниже нормы.

Более тщательный анализ материала показал, что дефицит относительного момента силы (ОМС) мышц постепенно уменьшался. После удлинения голени на 9-10см сила мышц ТСС составляла 82%, а ПСС - 58% по сравнению с интактной голенью. При большой величине удлинения (14см) ММС мышц ТСС равнялся 80%, а мышц ПСС – 137%. Высокий уровень восста- новления сократительной способности мышц ТСС был у детей 11-12 лет.

Анализ литературы показал, что разноплановые и многочисленные исследования мышечной системы нижней конечности при удлинении позволили выявить характерные изменения как отдельных мышц, так и различных структурных элементов мышечной ткани в зависимости от условий удлинения.

Проведенные исследования подтвердили необходимость тщательного наблюдения за состоянием мышц в процессе дистракции и поиска оптимальных условий удлинения по отношению к мягким тканям.