TISSUE REACTIONS DURING THE DEGRADATION OF POLYLACTIDE IMPLANTS IN THE BODY

Full Text

Процессы взаимодействия живых тканей и искусственных материалов в различных условиях имеют большое значение для качества жизни больных, нуждающихся в применении различных эндопротезов в хирургии, травматологии и ортопедии, восстановительной медицине и стоматологии. В настоящее время для замещения утраченных тканей или с косметической целью применяют материалы, вызывающие минимальную макрофагальную и соединительнотканную реакцию и индуцирующие формирование как можно более тонкой капсулы вокруг имплантированного материала [2, 3]. Полимеры молочной кислоты (полилактиды — ПЛ) являются самыми старыми и потенциально одними из самых интересных и полезных биодеградируемых искусственных полимеров из-за их происхождения из возобновляемых источников, управляемого синтеза, хороших механических свойств и исходной биологической совместимости [17]. Полимеры, имеющие в своей структуре ПЛ, — перспективный класс материалов для замещения поврежденных тканей. Согласно литературным данным, эти имплантаты полностью резорбируются и элиминируются из организма через естественный путь (цикл Кребса). ПЛ обладают необходимыми механическими свойствами, которыми можно управлять, изменяя степень полимеризации и выраженность поперечных связей. В имплантаты можно добавлять необходимые лекарственные вещества, которые, по мере их деградации, будут медленно поступать в окружающие ткани [4]. В литературе практически нет данных о взаимодействии имплантата с организмом уже после отграничения его от живых тканей фиброзной капсулой, также нет сведений как далее ведет себя макрофагальная система и как организм реципиента избавляется от относительно массивного имплантата. Однако без учета указанных факторов невозможно разрабатывать эффективные методы профилактики и лечения развивающихся осложнений использования синтетических материалов для эндопротезирования. В связи с изложенным были изучены особенности деградации твердых инородных тел на основе биодеградируемых материалов — ПЛ. Материал и методы. Эксперименты проведены на 6-месячных самцах крыс инбредной линии Wag массой 180–200 г. Все манипуляции с животными осуществляли под общим ингаляционным эфирным наркозом в условиях чистой операционной с соблюдением «Правил проведения работ с использованием экспериментальных животных». На каждую точку исследования было использовано по 6 крыс. ПЛ — гомополимер молочной кислоты — poly(D,L-lactide) для исследования был синтезирован и стерилизован группой клеточной биологии Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (г. Новосибирск). Для подкожной имплантации производили разрез кожи в области шеи от основания черепа до лопаток длиной 1–2 см. Тупым способом (сомкнутым зажимом) формировали слепой канал длиной 1,5–2 см над правой лопаткой [2, 3], в который помещали имплантат из ПЛ с размером каждой грани 3–5 мм, вырезанный ex tempore ножницами из большого куска. Послеоперационную рану ушивали непрерывными швами, кожу и кожные швы обрабатывали спиртом. Воспалительных осложнений в месте послеоперационных швов обнаружено не было. Спустя 1, 2, 6 и 12 мес после операции имплантированные материалы биоптировали вместе с окружающими тканями, фиксировали в 4% растворе параформальдегида на фосфатном буфере (рН 7,4) не менее 24 ч, обезвоживали в этаноле возрастающей концентрации, просветляли в ксилоле и заключали в парафин. Срезы толщиной 5–7 мкм окрашивали гематоксилином – эозином, изучали под световым микроскопом Axioimager M1 (Carl Zeiss, Германия) при увеличении до 1200 раз. Результаты исследования. Имплантат из биодеградируемого полимера на основе молочной кислоты, помещенный в подкожную основу, через 1 мес всегда присутствовал. Однако во всех наблюдениях непосредственно в месте имплантации инородное тело обнаружено не было. Имплантат находился в межлопаточной области посередине (чаще всего), справа и даже слева от средней линии. Визуально имплантат был отграничен тонкой прозрачной капсулой, признаков гиперемии и воспалительных изменений не наблюдалось. Капсула была плотно спаяна с тканями межлопаточной области, кожа и подкожная основа над имплантатом легко смещались. Микроскопически имплантат из ПЛ был заключен в тонкую капсулу из рыхлой соединительной ткани, содержащей мало межклеточного вещества и множество клеточных элементов, среди которых преобладали фибробласты, лимфоциты и макрофаги (рис. 1, а). Вокруг капсулы наблюдалось множество мелких тонкостенных кровеносных сосудов и формирование единичных слившихся многоядерных макрофагов (см. рис. 1, б). К 2 мес после операции макроскопическая картина не изменилась. Имплантат присутствовал в межлопаточной области справа или слева от средней линии, был окружен тонкой прозрачной капсулой без признаков воспаления. С этого срока начиналась деформация имплантата. Чаще (у 4 животных) он был деформирован и окружен тонкой капсулой из плотной соединительной ткани с минимальными воспалительными изменениями в окружающих тканях (лимфоцитарная и макрофагальная инфильтрация). Однако в них даже в этих случаях присутствовали гигантские клетки инородных тел. Толщина капсулы была значительно больше в области острых краев имплантата, там же была значительнее выражена лейкоцитарная инфильтрация (см. рис. 1, в, г). Несколько реже имплантат был покрыт толстой капсулой из плотной соединительной ткани с отчетливо выраженной лейкоцитарной (макрофагальной) инфильтрацией. В капсуле было множество различных по размерам гигантских клеток инородных тел. Окружающие ткани были в значительной степени склерозированы, инфильтрированы лейкоцитами (преимущественно лимфоцитами и макрофагами) и содержали полнокровные кровеносные сосуды с широким просветом и тонкими стенками (см. рис. 1, д, е). Через 6 мес после имплантации инородное тело по-прежнему можно было найти в тканях между лопаток. Имплантат был окружен очень тонкой прозрачной капсулой без признаков воспаления. Прочность прикрепления имплантата к подлежащим тканям стала намного меньше, и он легко смещался относительно кожи и фасций. Визуально объем имплантированного материала не изменился, и имплантат все также имел острые края. Овальные фрагменты имплантата были окружены тонкой плотной соединительнотканной капсулой с умеренно выраженной лейкоцитарной инфильтрацией с преобладанием лимфоцитов, за которой располагался тонкий слой склерозированных тканей, а затем — жировая ткань (рис. 2, а, б). У фрагментов имплантата практически отсутствовали острые края, но небольшие гигантские клетки инородных тел и скопления макрофагов все же присутствовали в тканях рядом с капсулой. Спустя 12 мес после операции имплантат из ПЛ все еще присутствовал в тканях межлопаточной области крыс. Толщина окружающей его капсулы варьировала от очень большой (2 наблюдения), через промежуточные формы (3 случая), вплоть до очень тонкой (1 наблюдение), практически полностью отсутствующей, и очень подвижной. В толстой капсуле наблюдались признаки воспалительной реакции, в первую очередь, гиперемия и спаянность с окружающими тканями. Микроскопически толстая капсула имела отчетливо выраженные воспалительные изменения: лейкоцитарную инфильтрацию (лимфоцитарную и макрофагальную), грануляции, гигантские клетки инородных тел. Подкожная основа вокруг такой капсулы была также в большой степени склерозирована на значительную толщину. Имплантат часто был разделен на несколько крупных фрагментов, каждый из которых имел свою капсулу (см. рис. 2, в, г). Имплантат из ПЛ в случае тонкой капсулы подвергался деградации и представлял собой его остатки, окруженные фибрином и различными клеточными элементами (в основном лимфоцитами и макрофагами). В капсуле также содержались слившиеся многоядерные макрофаги (см. рис. 2, д, е). Обсуждение полученных данных. В литературе имеется множество сообщений о спонтанных смещениях, перемещениях, ротации и элиминации трансплантированных объектов [1, 5, 9]. При этом последний перемещается по раневому каналу к месту имплантации как к точке наименьшего сопротивления в результате сжатия капсулярными миофибробластами [1, 6, 12]. Скорее всего, имплантат, несмотря на свой состав из мономеров молочной кислоты и потенциальную легкую биодеградируемость, о которой широко сообщается в литературе [11, 20], при попадании в ткани организма сразу покрывается фибрином, как и другие инородные тела [2, 3]. Далее в фибрин мигрируют лейкоциты и фибробласты. Лейкоциты разжижают и лизируют фибрин, а фибробласты начинают синтез межклеточного вещества соединительной ткани, и инородное тело постепенно инкапсулируется [2, 3]. Макрофаги в этой капсуле при невозможности быстро лизировать имплантат сливаются и формируют многоядерные формы — гигантские клетки инородных тел, т. е. идет асептическая воспалительная реакция, вызванная присутствием инородного тела. Об этом же свидетельствуют мелкие кровеносные сосуды, входящие в состав грануляций. Активность воспалительного процесса — очень невысокая, на что указывают тонкая капсула, слабая инфильтрация ее лейкоцитами, значительная васкуляризация капсулы, позднее формирование гигантских клеток инородных тел и их малочисленность. Деформация инородных тел в организме происходит вследствие контракции капсулы в результате действия миофибробластов [1, 6, 12] для минимизации объема, занятого этими телами, или смещения их к кожному разрезу с целью элиминации. Деформация может приводить к сгибанию и фрагментированию инородного тела [3]. Утолщение капсулы в области острых краев имплантата из ПЛ, скорее всего, также связано с контракцией капсулы под действием миофибробластов. Когда капсула сокращается, ее ткани травмируются об острые края инородного тела. Как реакция на травму развивается воспалительный процесс, в результате которого утолщается капсула для отграничения тканей организма от повреждающего фактора, и усиливается лейкоцитарная инфильтрация самой капсулы и окружающих тканей. Формирование слившихся многоядерных макрофагов в капсуле и окружающих тканях в данных случаях, видимо, обусловлено наличием мелких частиц имплантата, которые попадают туда при его фрагментации при контракции капсулы. Образование толстой капсулы из плотной соединительной ткани, инфильтрированной лейкоцитами, в некоторых случаях спустя 2 мес после операции, по-видимому, обусловлено тем, что фрагменты имплантата имеют острые края, которые сильнее травмируют окружающие ткани как сами по себе, так и при контракции капсулы [3]. Такая постоянная травматизация капсулы и тканей вокруг нее при ее разрывах приводит к склерозу окружающих тканей, утолщению капсулы и более выраженной воспалительной реакции: лейкоцитарной инфильтрации, образованию слившихся многоядерных макрофагов и значительному объему грануляций. К 6 мес от начала опыта, видимо, воспалительная реакция на инородное тело уменьшается и, соответственно, сокращается толщина отграничивающей его капсулы, а также прочность ее прикрепления к окружающим тканям. Возможно, что под действием лизосомальных ферментов макрофагов (возможен экзоцитоз ферментов лизосом фагоцитами [7, 10]) постепенно лизируются острые выступы на поверхности имплантата из ПЛ, который, согласно литературным данным, является быстро биодеградируемым полимером [11, 20]. Также не исключено, что острые выступы на поверхности инородного тела отламываются и сглаживаются при деформации его в результате сжатия капсулой [3]. После сглаживания поверхности имплантата и уменьшения численности его мелких фрагментов снижается степень травмирования капсулы и окружающих тканей, следствием чего является снижение интенсивности воспалительной реакции, выраженности макрофагальной инфильтрации, постепенное уменьшение толщины капсулы и объема склерозированных тканей вокруг нее. Резкое возрастание уровня воспалительной реакции в случае тонкой и в случае толстой капсулы к окончанию времени наблюдения, видимо, связано с уровнем деградации полимера. В том случае, когда имплантат фрагментирован макрофагами и сжатием капсулой (размягчение под действием ферментов макрофагов и разделение на несколько частей при деформации капсулой), образуются несколько фрагментов с острыми краями, каждый из которых травмирует ткани, повреждает капсулу и активирует воспалительный процесс. Когда имплантат деградировал и представляет собой полужидкое или жидкое вещество, идет активное поглощение различных по величине цепочек имплантата как клетками (фагоцитами), так и методом диффузии через окружающие ткани в лимфатическое и кровеносное русло. Воспалительная реакция усиливается в результате миграции в такие участки лейкоцитов для поглощения инородного материала. Скорее всего, свой вклад вносит и повреждение тканей в результате закисления среды (мономеры и различные по длине полимеры молочной кислоты) [16], хотя другие исследователи отрицают такую возможность [8]. Оставшиеся твердыми фрагменты имплантата, в силу тех или иных причин устойчивые к деградации, вызывают формирование гигантских клеток инородных тел в капсуле или окружающих тканях. Присутствие самого имплантированного материала и гигантских клеток инородных тел во все сроки наблюдения служит свидетельством того, что имплантат на основе молочной кислоты (ПЛ) не является в полной мере биодеградируемым и подвергается разрушению в течение длительного времени и в основном через лизис макрофагами. В литературе также содержатся данные об очень длительном лизисе ПЛ [14, 18, 19] и об активном участии в этом процессе макрофагов [13–15]. Таким образом, на основании изложенного, можно заключить, что большой имплантат из ПЛ инкапсулируется соединительной тканью. В тех случаях, когда его фрагмент имеет острые края, которые повреждают ткани при контракции капсулы, последняя становится более толстой с отчетливо выраженной воспалительной инфильтрацией и наблюдается склероз окружающих тканей. Если имплантат не имеет острых краев, капсула тонкая, воспаление минимальное. Во всех случаях в капсуле и рядом с ней присутствуют гигантские клетки инородных тел. Постепенно у крыс в течение 6 мес активность воспалительного процесса снижается. Выраженность воспаления резко возрастает к 12 мес после имплантации, когда в результате действия ферментов фагоцитов и деформации капсулой имплантат из ПЛ или фрагментируется, или разжижается. Имеет место волнообразное течение воспаления. Сначала постепенное стихание, затем — по мере деградации полимера — воспалительная реакция может активизироваться. Материалы на основе ПЛ не являются в полной мере биодеградируемыми и сохраняются в организме длительное время.

About the authors

I. V. Maiborodin

Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine

Email: imai@mail.ru

I. V. Kuznetsova

Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine

E. A. Beregovoy

Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine

A. I. Shevela

Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine

M. I. Barannik

Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine

A. A. Manayev

Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine

V. I. Maiborodina

Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine

References

Supplementary files