Научное наследие академика Г.А. Илизарова: взгляд из прошлого в будущее (часть I). (95-летию со дня рождения академика Г.А. Илизарова, 65-летию метода чрескостного остеосинтеза по Илизарову посвящается)

«…даже самое фундаментальное открытие – только веха, а не финиш на пути научного прогресса. И не может быть ничего почетнее для ученого, тем более медика, чем постоянное стремление к новым открытиям, служащим улучшению состояния здоровья, а значит и счастью людей…»

Г.А. Илизаров

Исторически сложилось так, что каждая эпоха в жизни человеческого сообщества ознаменована созданием бессмертных произведений живописи, поэзии, музыки, архитектуры, а также уникальными научными открытиями, позволяющими человечеству встать на новую ступень развития и созидания. Именно к таким величайшим достижениям в области биологии, травматологии и ортопедии второй половины ХХ века можно с уверенностью отнести открытие академика РАН Гавриила Абрамовича Илизарова «Общебиологическое свойство тканей отвечать на дозированное растяжение ростом и регенерацией (Эффект Илизарова) [1].

Впервые на первом Всесоюзном съезде травматологов ортопедов (1963 г.) Г.А. Илизаров в своем выступлении сообщил о положительном влиянии растяжения костных фрагментов на остеогенез [2]. Проведенные под его руководством в последующем комплексные фундаментальные медико-биологические и медико-инженерные исследования подтвердили установленное ранее явление активизации роста и регенерации тканей под влиянием напряжения растяжения, создаваемого с помощью дистракционного аппарата. Выявленные общебиологические закономерности, в частности: стимулирующее влияние напряжения растяжения на рост, регенерацию и дифференцировку костной и мягких тканей, а также адекватность кровоснабжения и нагрузки, проявляются при создании комплекса оптимальных механических и биологических условий и имеют как важное теоретическое, так и прикладное значение [3-5]. На их основе разработаны многочисленные методики лечения повреждений и заболеваний опорно-двигательной системы, большинство из которых, не имеют аналогов в мировой практике. Все это привело к созданию официально признанного нового научно-практического направления «Управляемый чрескостный остеосинтез», позволило отечественной ортопедии и травматологии занять лидирующее положение в мире и заставило в корне пересмотреть привычные представления и подходы к лечению различной патологии опорно-двигательной системы врожденного и приобретенного генеза.

Ш Губин А.В., Борзунов Д.Ю., Марченкова Л.О., Смирнова И.Л. Научное наследие академика Г.А. Илизарова: взгляд из прошлого в будущее (часть I) (95-летию со дня рождения академика Г.А. Илизарова, 65-летию метода чрескостного остеосинтеза по Илизарову посвящается) // Гений ортопедии. 2016. № 1. С. 6-12.

Как все новое и нетрадиционное, предложенный метод прошел тернистый путь становления, порой не находя сторонников и единомышленников, вызывая недоумение и непонимание в научных кругах, вынесших в свое время вердикт о «слесарном» подходе к медицине. Но время все расставило на свои места, и сегодня метод чрескостного остеосинтеза по Илизарову занял достойное место в мировой медицинской науке. Объективными предпосылками столь успешного продвижения метода было, с одной стороны, заложенное в самой идее воспроизведение механизмов естественного роста и развития живых тканей, с другой стороны – универсальность конструкции аппарата, способной обеспечить благоприятные условия морфогенеза.

Идея создания аппарата возникла у Г.А. Илизарова в середине сороковых годов прошлого века, когда в послевоенные годы появилась острая необходимость реабилитации участников военных действий. Постепенно идея воплотилась в реальность. В 1952 году конструкция первого аппарата и способ сращивания костей были заявлены в качестве изобретения: «1. Способ сращивания костей при переломах путем введения в подлежащие сращиванию кости парных спиц и стягивания последних винтами до плотного соприкосновения костей, отличающийся тем, что с целью предотвращения боковых смещений сращиваемых костей парные спицы вводят в кости так, чтобы они перекрещивались. 2. Аппарат для осуществления способа, отличающийся тем, что он выполнен в виде двух разъемных колец, удерживающих пропущенные через сращиваемые кости парные спицы и соединенных между собой посредством стягивающих спицы винтов…» (рис. 1)

Рис. 1. Конструкция первого аппарата Илизарова [6]

В дальнейшем гениальное изобретение дало толчок к разработке многочисленных конструкций и способов лечения костной патологии. Однако требовалось подтверждение выявленных закономерностей и всестороннее изучение процессов, происходящих в тканях под действием напряжения растяжения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА

Многочисленными экспериментальными исследованиями, выполненными под руководством Г.А. Илизарова, установлено, что при дозированном растяжении живых тканей возникающее в них напряжение растяжения возбуждает и поддерживает активную регенерацию и рост тканевых структур [7]. Во всех тканях отмечается повышение уровня энергетического обмена, пролиферативной и биосинтетической активности клеток, коллагено- и эластогенеза. Изучение реакции биологических тканей на дозированное растяжение раскрыло неизвестные ранее огромные возможности целенаправленного выращивания тканей и зависимость качественных и количественных их характеристик от кровоснабжения, темпов и ритмов дистакции, а при остеогенезе – и от степени повреждения остеогенных элементов трубчатой кости (косного мозга, эндоста, надкостницы), питательной артерии, а также жесткости фиксации костных отломков [8-11].

Выполненные экспериментальные исследования показали, что при полном рассечении костного мозга и a. nutricia с помощью остеотомии и наличии подвижности костных отломков наблюдали резкое замедление костеобразования с формированием в диастазе фиброзно-хрящевой ткани с локальными кровоизлияниями. В условиях стабильной фиксации отмечали высокую активность остеогенеза и классическое формирование регенерата. Наибольшую активность остеогенеза наблюдали при максимальной сохранности остеогенных тканей с выполнением остеоклазии[12-13].

Детальное изучение формирующегося регенерата на ультраструктурном уровне позволило получить неизвестные ранее знания о его зональном строении с наличием центральной зоны, являющейся источником роста костной ткани. В средней части зоны роста располагаются фибробластоподобные клетки, образующие продольно ориентированные коллагеновые волокна, на основе которых в периферических ее отделах формируются остеоидные, остеоидно-костные и костные балки [14-15].

Высокая активность остеогенеза подтверждена и метаболическими характеристиками зоны роста при изучении динамики активности маркеров остеогенеза (щелочная фосфатаза) и маркеров энергообеспечения процесса регенерации (лактатдегидрогеназа) [16].

При изучении ультраструктуры дистракционного регенерата и трубчатых костей в период естественного роста в области, где приложены усилия растяжения, установлена общность морфологических признаков, свидетельствующих о сходстве процессов ангиогенеза под влиянием напряжения растяжения в регенерате и в растущих костях. Также было показано, что более активный ангиогенез наблюдался в зонах, где приложение дистракционных усилий было максимальным.

Таким образом, было доказано, что формирование новой кости в условиях напряжения растяжения протекает аналогично механизмам роста и перестройки костей у растущего организма, заложенным самой природой [17].

Доказав возможность формирования новообразованной кости, было необходимо выявить и обеспечить оптимальные условия для протекания процесса остеогенеза. С этой целью в экспериментальных исследованиях были апробированы различные режимы удлинения (темп, ритм, направление дистракции), варианты нарушения целостности кости для последующего уд- линения (остеотомия, остеоклазия, кортикотомия), а также приемы механического и биологического воздействия на регенерат. Доказано, что при ручном режиме удлинения оптимальным является темп 1 мм в сутки за 4 приема, при суточном удлинении на бóльшую величину даже при сохранении остеогенных элементов процесс новообразования кости менее выражен и отстает от темпа дистракции [10].

Изучение процесса ангиогенеза при формировании продольного дистракционного регенерата трубчатой кости с образованием большого количества сосудов различного калибра не только в костной, но и окружающих тканях явилось предпосылкой для проведения экспериментальных исследований по восполнению сосудистого русла при ишемии конечностей. Была изучена взаимосвязь регионарного, в том числе внутрикостного, кровотока и репаративных процессов. Было доказано, что формирование отщепов трубчатых костей (в случаях, когда нет необходимости удлинения) и поперечная тракция позволяют значительно обогатить сосудистое русло и стимулировать периферическое кровообращение конечностей. При этом вновь образованные сосуды между от-щепом и материнской костью ориентированы поперечно, тогда как при удлинении кости они имеют продольную ориентацию, согласно вектору приложения дистракционных усилий. Кроме того, появилась возможность утолщения костей, что в определенных клинических ситуациях является методом, позволяющим моделировать форму сегмента конечности и замещать обширные дефекты парных костей (предплечье, голень) [18-22].

В последующем серией экспериментов было доказано, что напряжение растяжения оказывает стимулирующий эффект не генез и рост тканей не только при прямом воздействии, но и опосредованно через биологические ткани (межкостная мембрана, сухожилия, костные трансплантаты) и субстанции небиологического происхождения, например, металл [23].

Дальнейшие экспериментальные исследования показали, что особенности формирования и органотипической перестройки дистракционного костного регенерата длинных трубчатых костей характерны для плоских и губчатых костей. Были разработаны и экспериментально апробированы методики замещения дефектов костей свода черепа путем дозированного перемещения в зоне дефекта свободных (полнослойных) костных фрагментов, свежих и консервированных аутотрансплантатов, вываренных аллотрансплантатов и ксенотрансплантатов, а также несвободных (на питающей ножке) полнослойных и расщепленных костных фрагментов в условиях сохранения, а также частичного или полного иссечения или изоляции твердой мозговой оболочки в области формирования регенерата. Изучены особенности формирования костного регенерата при различной протяженности преддистракционного периода и различных темпах дистракции. В результате проведенных исследований установлена принципиальная возможность формирования дистракционного регенерата при перемещении в дефекте свежих аутотрансплантатов из трубчатых и плоских костей, а также консервированных аутотрансплантатов. При этом между краями перемещаемого фрагмента (трансплантата) и дефекта формируется регенерат, представленный двумя костными отделами и соединительнот- канной зоной роста, как это наблюдается на трубчатых костях. В серии экспериментов изучена роль твердой мозговой оболочки в регенерации плоских костей черепа. Доказано, что при иссечении или изоляции твердой мозговой оболочки в зоне замещаемого дефекта наблюдается замедление процесса остеогенеза. Дистракционный регенерат при этом формируется за счет потенциальных возможностей остеогенных элементов материнской кости и перемещаемого фрагмента. В случаях же когда недоразвит диаплоэтический слой плоской кости основным источником остеогенеза является поверхностный слой твердой мозговой оболочки [24].

В конце семидесятых – восьмидесятых годах прошлого столетия Г.А. Илизаров уделял большое внимание экспериментальным разработкам применения его метода в хирургии позвоночника. Был разработан ряд методик моделирования разноплоскостных деформаций позвоночного столба, позволивших получить новые знания о механизмах их развития в процессе роста живого организма, а также варианты их коррекции. Изучены особенности и разработаны безопасные способы стабильной внешней управляемой фиксации, предложены различные варианты компрессионно-дистракционных устройств для экспериментальных целей, а также тактико-технологические приемы проведения фиксаторов в анатомические структуры позвонков (тела, остистые отростки, дужки) с определением безопасных зон введения. Разработанные методики открыли широкие возможности целенаправленного влияния на формообразовательные процессы анатомических образований позвоночника. Впервые в мире получен дистракционный регенерат тела позвонка с целью увеличения его продольных размеров, что является исключительно важным моментом при коррекции патологических состояний, сопровождающихся потерей костной массы. Формирование дистракционных регенератов дужек позволило увеличивать диаметр позвоночного канала до 100 % от исходной величины. Разработанные способы переднего спондилодеза открыли новые возможности для замещения межпозвонкового диска без использования имплантов биологического и небиологического происхождения путем формирования в межтеловом пространстве клиновидного регенерата. Всесторонние комплексные исследования подтвердили безопасность разработанных способов и доказали возможность стимулирующего влияния напряжения растяжения на регенерацию губчатой кости с формированием дистракционных регенератов классической зональной структуры и последующей трансформацией в зрелую губчатую кость. Проведенные экспериментальные исследования явились теоретической базой для внедрения в хирургию позвоночника. Разработанные технические принципы и приемы легли в основу создания аппарата наружной транспедикулярной фиксации для позвоночника человека, запатентованного в 1985 году [25-31].

Следует подчеркнуть, что под влиянием напряжения растяжения происходит активный гистогенез и рост не только костей и кровеносных сосудов, но и мышц, фасций, сухожилий, нервов, кожи и других тканей. В серии экспериментов под влиянием растяжения получены дистракционные регенераты пересеченных мышц, на ранних этапах представленные структурами развивающейся мышечной ткани с последующей их дифференцировкой. Доказано, что аналогично протекает дистракционный гистогенез и в неповрежденных скелетных мышцах при удлинении конечностей. При этом активные процессы новообразования и роста тканей во взрослом организме при приложении дистракционных усилий во многом сходны с процессами, происходящими в эмбриональном и постнатальном периодах, т.е. подчиняясь общебиологическим закономерностям. В экспериментальных условиях доказано, что неогенез мышечной ткани при воздействии напряжения растяжения, как и онтогенезе, происходит несколькими путями: за счет вставочного роста предшествовавших мышечных волокон вследствие активизации энергетических и биосинтетических механизмов; путем новообразования мышечных волокон, а также путем выделения из состава мышечных волокон ядерно-саркоплазматических участков с последующей дифференцировкой в новые мышечные волокна [32-37].

Сравнительное изучение структуры фасций в период естественного роста и при воздействии дистракции показало общность происходящих процессов, характеризующихся значительным повышением биосинтетической активности фибробластов со значительным увеличением объема как самих клеток, так и их ядер, эндоплазматического ретикулума и поверхности его цистерн. Кроме того, отмечается значительно более высокий уровень межклеточной интеграции фибробластов фасций [38].

В серии экспериментов по изучению формирования иннервационного аппарата в процессе дистракционного остеогенеза получены новые данные о неоднозначной реакции компонентов, образующих нервные стволы, в связи со сложной структурной организацией нервной ткани. Подобно мышечной ткани в проводниковой части нервов генез происходит за счет образования новых волокон и в результате вставочного роста ранее существующих. Характерной особенностью новообразования как в условиях естественного роста, так и при дистракции является наличие конусов роста аксонов, группирующихся на поверхности существующих волокон и окруженных отростками леммоцитов и их базальной мембраной с постепенным формированием мезаксонов и последующей дифференцировкой в безмякотные и мякотные (миелиновые) волокна. Наряду с новообразованием, дифференцировкой и вставочным ростом нервных волокон происходит рост оболочек нервных стволов, проявляющийся формированием характерных комплексов из функционально активных митохондрий с гипертрофированным гранулярным эндоплазматическим ретикулумом. Активизация биосинтетических процессов в клетках оболочек нервных стволов обеспечивает их собственный рост, а также формирование межклеточного матриска со строго продольной ориентацией, соответствующей направлению приложения дистракционных усилий или естественного роста [39-41].

Проведенные экспериментальные исследования доказали, что под влиянием напряжения растяжения активизируются биосинтетические процессы в коже и ее придатках. Неогенез обеспечивается, в первую очередь, за счет камбиальных элементов (клетки базального слоя). При дисракции значительно возрастает число волосяных фолликулов, сальных и потовых желез. Полученные данные позволили в дальнейшем возмещать без трансплантации большие дефекты кожи, формировать запас кожи, необходимый при решении определенных клинических задач, без свободной пересадки кожи [42].

Целенаправленное изучение электронномикроскопическим, биохимическими, гистохимическими и другими методами мягких тканей конечностей в процессе дистракции четко подтвердило стимулирующее влияние напряжения растяжения на их регенерацию и рост, позволило установить основные направления этого влияния: через цитостромальные и межклеточные контакты на цитоскелет, энергетический и биосинтетический аппарат клеток, их пролиферативную активность [43].

Таким образом, в результате выполненных исследований получено неоспоримое подтверждение общности процессов роста тканей в онтогенезе и под влиянием напряжения растяжения, создаваемого аппаратом, что позволяет сделать заключение о его высокой биологической, анатомической и физиологической адекватности.

Для обоснования технических характеристик компрессионно-дистракционного аппарата и безопасных вариантов фиксации под руководством Г.И. Илизарова были проведены комплексные биомеханические исследования, разработаны методики расчета спиц на жесткость, колец и полуколец на жесткость и прочность, предложена методика контроля напряженно-деформированного состояния системы «аппарат-конечность». Изучены механические свойства аппарата, его деталей, узлов, условия передачи на кость нагрузок, создаваемых аппаратом, в зависимости от натяжения, угла и уровня проведения спиц, а также от строения и механических свойств различных отделов кости. Установлены эмпирические законы распределения основных механических характеристик прочности материала спиц и определены их наиболее вероятные значения. Показано, что жесткость спиц в аппарате определяется рядом факторов: диаметр, материал, из которого она изготовлена, расстояние между внутренней кромкой опоры и поверхностью кости, а также силы натяжения. При этом сила натяжения спиц диаметром 1,5 мм не должна превышать 150 кг. Доказано, что фиксирующая способность аппарата в значительной степени зависит от расстояния между опорами, уменьшаясь при их сближении. Установлено, что усилия, возникающие в опорах аппарата от действия сил натяжения спиц и сил прилагаемой дистракции и компрессии, зависят от варианта компоновки аппарата, величины угла перекрещивания спиц, радиуса опор, количества стержней, соединяющих опоры и их расположения. Максимальный запас прочности кольцевых опор имеет место при угле перекреста 90º и симметричном расположении четырех стрежней [44-47].

Завершить данный раздел статьи хочется цитатой из книги «Сохранить память» одного из сподвижников Г.А. Илизарова, соавтора аппарата транспедикулярной фиксации позвоночника А.М. Мархашова: «Почему путь Илизарова в науке сопровождался отчаянной борьбой?... Борьба возникала из-за того, что он шел дорогой, по которой не ходил ни один ученый... Этот путь был совершенно не изведан… Каждый метр дороги он укладывал научными фактами, подтверждающими его идеи».1

• ¹    Мархашов А.М. Сохранить память. Записки медика-исследователя. Курган-Екатеринбург: Издание газеты «Штерн», 1999. 111 с. (С. 13-14).