Сравнительная количественная оценка репаративного процесса при имплантации биокомпозиционных материалов в костные дефекты

Проблема возмещения дефектов костной ткани остается одной из актуальных задач современной медицины. Для ее решения применяют различные имплантационные материалы, однако среди них нет идеально совпадающих по своему составу и свойствам с нативной костной тканью [1, 2, 8, 12, 13, 14].

Известно, что основным компонентом неорганического костного матрикса являются кальцийфосфатные соединения (КФС), которые относят -ся к группе естественных метаболитов костной ткани и обладают способностью активизировать структурно-функциональные механизмы перестройки костной ткани [1, 8].

Нами разработаны технологии получения имплантационных материалов на основе кальцийфосфатных соединений, выделенных из зрелой бычьей компактной костной ткани. Известно, что коллаген составляет около 90 % органического матрикса (ОМ) костной ткани и обладает способностью индуцировать ее регенерацию [9]. Поэтому для улучшения остеоиндуцирующих свойств разработанных имплантационных материалов в их состав вводили органический матрикс, полученный из бычьей костной ткани, а также по-липептидные факторы роста, выделенные из сыворотки крови животных с активным остеогенезом – сывороточные белки (СБ) [4, 5, 9].

Цель нашего исследования - с помощью компьютерного анализа изображений рентгенограмм сравнить влияние состава биокомпозиционных материалов на течение репаративного процесса при возмещении дефектов костной ткани.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Имплантационные материалы изготавливали по технологии, разработанной в ФГБУ РНЦ «ВТО» им. акад. Г.А. Илизарова [6, 7, 10, 11].

Эксперимент по имплантации выполнен на 20 взрослых беспородных собаках в возрасте от одного года до трех лет с массой тела 9,9±1,0 кг. В ходе эксперимента у опытных животных в стерильных условиях под общим наркозом создавали дырчатые дефекты в виде усеченных конусов диаметром 5 мм и глубиной 7 мм в проксимальных метафизах большеберцовых и плечевых костей и заполняли их разработанными композиционными материалами.

Экспериментальные исследования проводили, руководствуясь требованиями, изложенными в «Европейской конвенции о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях» (1986 г.), с соблюдением этических норм и гуманного отношения к объектам изучения.

Животные были разделены на пять групп:

• 1)    в первой группе в костные дефекты имплантационные материалы не вносили - группа без имплантации;

• 2)    во второй - костные дефекты заполняли кальцийфосфатным соединением (КФС);

• 3)    в третьей – биокомпозитом, в состав которого входили кальцийфосфатное соединение и органический матрикс (ОМ) – (КФС+ОМ);

• 4)    в четвертой – биокомпозитом, включающим кальцийфосфатное соединение и сывороточные белки (СБ) – (КФС+СБ);

• 5)    в пятой - биокомпозитом, содержащим кальцийфосфатное соединение, органический матрикс и сывороточные белки – (КФС+ОМ+СБ).

Для изучения влияния состава биокомпозици-онных имплантационных материалов на течение репаративного процесса при возмещении костных дефектов проводили рентгенографию оперированных конечностей до операции, в день операции, через 21 и 42 суток после операции. Оцифровку и анализ изображений рентгенограмм выполняли на аппаратно-программном комплексе «ДиаМорф» (Россия).

Для определения оптической плотности тени дефекта на оцифрованных изображениях рентгенограмм исследуемый участок выделяли стандартной прямоугольной рамкой и увеличивали в 3 раза. После этого выполняли высокочастотную фильтрацию, позволяющую повысить контрастность изображения и подчеркнуть границы дефекта. Интерактивно (с помощью «мыши») оконтуривали границы дефекта, полученный оверлейный контур копировали на исходное изображение. Затем удаляли изображение, находящееся вне контура, и в результате на экране оставался подлежащий анализу участок - изображение дефекта. Измеряли среднюю яркость тени дефекта, а также теней мягких тканей и фона изображения рентгенограммы на уровне дефекта. Полученные значения яркости использовали для расчета оптической плотности (ОП).

Для статистической обработки результатов использовали программы «Microsoft Excel – 97» и «AtteStat» Версия 1.0. [3].

Полученные данные при нормальном распределении представлены в виде среднего арифметического значения и стандартного отклонения, а в случае распределения, отличающегося от нормального, – в виде медианы и интерквартильного размаха. Для определения значимости различий между группами применяли t-критерий Стьюдента и критерий Вил-коксона. Различия считали значимыми при р<0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

На изображениях рентгенограмм, выполненных до операции, средняя ОП тени метафиза в предполагаемом месте создания дефекта составляла 0,30±0,15 усл. ед.

В день операции в группе без имплантации созданный дефект на рентгенограммах представлял собой окружность с четко выраженными ровными краями. ОП тени дефекта была в 2 раза ниже дооперационных значений и составляла 51,4±23,0 % (р<0,001) от ОП неповрежденного метафиза.

В группах с имплантацией материалов визуально на рентгенограммах в день операции в области дефекта наблюдали окружность высокой плотности с четкими, ровными контурами.

При анализе оцифрованных изображений рентгенограмм на этапах эксперимента наблюдали статистически значимое различие между значениями ОП теней дефектов, заполненных КФС, КФС+ОМ, КФС+СБ, КФС+СБ+ОМ, ОП не поврежденных участков метафиза и соответствующими показателями группы без имплантации (табл. 1).

К 21-м суткам после операции на рентгенограммах в группе без имплантации полость дефекта перекрывали облаковидные тени гомогенной структуры. Края дефектов становились менее четкими. ОП тени дефекта значимо увеличивалась по сравнению с показателями ОП в день операции, но оставалась значимо ниже показателей неповрежденного метафиза.

В группе КФС визуально наблюдали снижение плотности в периферических участках дефектов. В группах КФС+ОМ и КФС+СБ полость дефекта заполняли неравномерно расположенные тени разной плотности, в группе КФС+СБ+ОМ тени дефекта имели высокую плотность с отдельными участками просветления. Края дефектов во всех группах становились нечеткими.

Таблица 1

Оптическая плотность тени дефекта на этапах эксперимента

Группа	Количество дефектов, n	Оптическая плотность тени дефекта, усл. ед.
		день операции	21-е сутки после операции	42-е сутки после операции
Без имплантации	16	0,15±0,07***	0,22±0,08*	0,19±0,08**
КФС	16	0,23±0,07#	0,27±0,08#	0,21±0,01
КФС+ОМ	16	0,17 (0,14;0,31)	0,29±0,14	0,32±0,03#
КФС+СБ	16	0,27±0,11##	0,28±0,09	0,37±0,07#
КФС+СБ+ОМ	16	0,26±0,08##	0,27±0,09	0,17±0,09*

Примечание: различия значимы по сравнению с неповрежденным участком метафиза: * p<0,05; ** p<0,01; *** p<0,001. Различия значимы по сравнению с группой без имплантации: # p<0,05; ## p<0,01.

ОП теней дефектов в группах КФС, КФС+ОМ увеличивалась, а в группах КФС+СБ, КФС+СБ+ОМ не изменялась по сравнению с предыдущим сроком наблюдения. Установлены статистически значимые различия между показателями ОП тени дефектов, заполненных КФС, и группой без имплантации.

Через 42 суток после операции в группе без имплантации края дефекта были сглажены (рис. 1, б). ОП тени дефекта снижалась, по сравнению с предыдущим сроком наблюдения, до 0,19 ± 0,08 усл. ед. (р < 0,01) и была статистически значимо в 1,6 раза меньше ОП тени неповрежденного участка диафиза.

В группах с имплантацией КФС (рис. 1, в) и КФС+СБ+ОМ (рис. 1, е) на рентгенограммах контуры дефектов слабо определялись или были заметно сглажены. Полости дефектов перекрывали тени гомогенной структуры, имеющие более низкую плотность по сравнению с днем операции. В группах КФС+ОМ (рис. 1, г) и КФС+СБ (рис. 1, д) в одних случаях четкая граница полости дефекта отсутствовала, в других отмечали уменьшение диаметра области дефекта, ограниченной волнообразными краями. В полости дефекта наблюдали неоднородные тени, плотность которых приближалась к плотности близлежащих неповрежденных участков метафиза.

ОП тени дефектов в группах КФС и КФС+СБ+ОМ снижалась, при этом в последней она статистически значимо отличалась от показателей неповрежденного метафиза. В группах КФС+ОМ и КФС+СБ, напротив, ОП теней дефектов увеличива- лась и значимо отличалась от показателей группы без имплантации.

Таким образом, результаты исследования показали, что в группе без имплантации к 42-м суткам после операции полноценного заполнения дефекта костной тканью не происходило, о чем свидетельствуют статистически значимые различия между значениями ОП теней дефектов в группе без имплантации и участка неповрежденного метафиза.

Изменения ОП на этапах эксперимента в группе КФС+СБ+ОМ напоминали динамику ОП при заполнении дефектов КФС, когда ОП теней дефектов повышалась к 21-м суткам и снижалась к 42-м суткам после операции.

Для групп, в которых к КФС добавляли только ОМ, характерна другая динамика ОП: ее постепенное повышение к концу периода наблюдения. При этом показатели ОП в группах КФС+ОМ были статистически значимо выше значений группы без имплантации в соответствующие сроки эксперимента.

В группе КФС+СБ ОП тени дефекта увеличивалась только к 42-м суткам после операции, при этом через 21 сутки после операции она не изменялась, оставаясь на уровне значений в день операции.

Необходимо отметить, что значения ОП теней дефектов в группах КФС, КФС+ОМ и КФС+СБ на всех сроках эксперимента, а в группе КФС+СБ+ОМ - в день операции и через 21 сутки после нее, не имели статистически значимых различий с показателями неповрежденного метафиза.

Рис. 1. Рентгенограммы плечевых костей экспериментальных животных: а – неповрежденный метафиз; б – в день операции после имплантации КФС; через 42 суток после имплантации: в - без имплантации; г – КФС; д – КФС+ОМ; е – КФС+СБ; ж – КФС+ОМ+СБ

ВЫВОДЫ

Суммируя приведенные выше результаты рентгенологического исследования и динамики оптической плотности тени дефекта на оцифрованных изображениях рентгенограмм, можно сделать следующее заключение. В группе без имплантации к концу опыта возмещение дефекта не происходило, о чем свидетельствует показатели ОП тени дефекта, которые были статистически значимо (р<0,01) меньше ОП тени неповрежденного участка диафи- за. Внесение имплантационных материалов на основе кальцийфосфатных соединений, выделенных из костной ткани сельскохозяйственных животных, в композиции как с ОМ, так и СБ способствовало возмещению дефектов, что подтверждается данными компьютерного анализа изображений рентгенограмм – плотность тени области дефекта к концу эксперимента не имела значимых отличий от плотности участка неповрежденного метафиза.