PECULIARITIES OF TISSUE REACTIONS TO IMPLANTATION OF NON-DEGRADABLE SURGICAL MATERIALS

Full Text

В современной хирургии сфера применения нерассасывающихся синтетических хирургических материалов постоянно сужается в связи с тем, что они не отвечают основному требованию, предъявляемому к шовным материалам — биодеградации. Однако неабсорбируемые материалы дешевы и удобны в производстве, незаменимы при протезировании (например во время герниопластики) и в швах тканей, находящихся долгое время под натяжением. Оставаясь в тканях навсегда, они могут инкапсулироваться или постепенно мигрировать к поверхности, вызывая при этом воспалительную реакцию в окружающих тканях [2, 9, 12]. Нерассасывающиеся полимеры применяются в современной хирургии в виде шовных нитей и различных эндопротезов. Основными требованиями, предъявляемыми к новейшим нерассасывающимся имплантируемым материалам, являются их химическая инертность и механическая прочность. Абсолютно инертные материалы не прорастут соединительной тканью, так как не вызовут физиологического воспаления. Возникновение и выраженность воспалительной реакции зависит не только от свойств полимера, но также и от площади поверхности, находящейся в контакте с тканями реципиента [1, 15]. Площадь поверхности контакта в значительной мере определяется конструкционными особенностями материала. В частности, для изделий, имеющих значительную площадь истинной поверхности, будет наблюдаться более высокое соотношение макрофагов и гигантских клеток инородных тел в месте имплантации, чем это наблюдается при использовании имплантатов из гладких материалов. В последнем случае тканевая реакция заключается в образовании слоя макрофагов толщиной в 1–2 клетки и несколько слоев фибробластов, миофибробластов и коллагеновых волокон. Эти различия определяют степень развития формирующейся грануляционной ткани [6, 15]. До сих пор до конца не ясно, почему инертные и неиммуногенные хирургические материалы индуцируют воспаление. В научной литературе отсутствуют данные о взаимодействии имплантата с организмом в отдаленные сроки, после отграничения его от живых тканей фиброзной капсулой, также нет сведений о том, как далее ведет себя макрофагальная система и как организм избавляется от имплантата. Подобные данные позволили бы помочь в разработке эффективных методов профилактики и лечения осложнений использования синтетических материалов для эндопротезирования. В связи с изложенным целью настоящего исследования было изучение отдаленных последствий и реакции окружающих тканей на имплантацию нелизируемых хирургических материалов. Материал и методы. Исследование проведено 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». Все крысы были получены из вивария Института цитологии и генетики СО РАН, содержание и работу с животными проводили на базе данного вивария. После обработки кожи животных этанолом производили разрез в области шеи от основания черепа до лопаток длиной 1–2 см и подкожно имплантировали изделия из нелизируемых хирургических материалов. Животные были разделены на 2 группы: одним имплантировали нити пролена 3/0 (Ethicon, Johnson & Johnson, Бельгия) (нерассасывающийся монофиламентный шовный материал, состоящий из полипропилена — С3H6n), другим — фрагменты композиционного сетчатого протеза Parietene ProGrip (Covidien, Франция) (полурассасывающаяся самофиксирующаяся сетка, состоящая из 50% полипропилена или монофиламентного полиэстера и 50% полимолочной кислоты). Спустя 1, 2, 6 и 12 мес после операции имплантаты биоптировали вместе с окружающими тканями (на каждую точку исследования использовали не менее 6 крыс). Материал фиксировали в 4% растворе параформальдегида на фосфатном буфере (рН 7,4) не менее 24 ч, обезвоживали в серии этанола возрастающей концентрации, просветляли в ксилоле и заключали в гистопласт. Срезы толщиной 5–7 мкм окрашивали гематоксилином — эозином, изучали под световым микроскопом Axioimager М1 (Carl Zeiss, Германия) при увеличении до 1200 раз. У всех животных на срезах по формуле Ѕ=παβ, где Ѕ — площадь эллипса, π=3,1415, α — длина большей полуоси эллипса, β — длина меньшей полуоси эллипса, вычисляли площади сечений гранулем инородных тел и измеряли толщину соединительнотканных капсул. Результаты исследования. Через 1 мес после имплантации пролена 3/0 в месте вживления обнаруживались крупные инкапсулированные деформированные части нити. Перифокально наблюдалось умеренно выраженное продуктивное воспаление с активным ангиогенезом, новообразованием соединительной ткани, гигантоклеточной трансформацией. Толщина формирующихся вокруг нитей соединительнотканных капсул не превышала 20 мкм. Капсулы были представлены макрофагами, многоядерными клетками — внутренний слой; фибробластами и коллагеновыми волокнами, формирующимися в пучки — менее выраженный наружный (рис. 1, а). В одном из наблюдений было отмечено присоединение к продуктивному воспалению экссудативного в виде умеренной нейтрофильной инфильтрации (см. рис. 1, б). Через 1 мес после имплантации композиционной сетки в зоне вживления было обнаружено умеренно выраженное продуктивное воспаление с гигантоклеточной трансформацией, местами с примесью небольшого числа сегментоядерных лейкоцитов, активным ангиогенезом, формирование соединительнотканных капсул вокруг материала толщиной до 100 мкм (рис. 2, а). Капсулы состояли из слоя макрофагов и гигантских многоядерных клеток, который был более выражен, и слоя фибробластов и коллагеновых волокон, начинающих формироваться в пучки. Встречались гранулемы инородных тел (площадью сечения до 0,03 мм2), изолирующие мелкие обломки сетки. Перифокально отмечались грануляции с полнокровными сосудами и диапедезными кровоизлияниями, новообразование соединительной ткани, компенсаторная гипертрофия нервных волокон. В двух случаях были выявлены очаги присоединения гнойного воспаления на фоне продуктивного. Обращало на себя внимание присутствие фибрина в ячейках сетки (см. рис. 2, б) Через 2 мес после имплантации пролена удалось выявить место вживления лишь у половины животных. Капсулы вокруг обнаруженных нитей были уплотнены и утолщены (их толщина достигала 200 мкм), в них были отмечены дистрофические изменения. Перифокально определялось слабо или умеренно выраженное гранулематозное воспаление с формированием единичных крупных гранулем (площадью сечения до 0,1 мм2), окруженных коллагеновыми волокнами, участки фиброзно-рубцовой трансформации грануляционной ткани (см. рис. 1, в). В группе животных с вживленной композиционной сеткой в этот период времени также не все области имплантации материала были обнаружены. При их обнаружении было отмечено разделение и отдаление друг от друга волокон сетки с их инкапсуляцией. Капсулы были уплотнены и истончены за счет уплощения или исчезновения клеточных элементов. Увеличилось по сравнению с таковым в предыдущий срок наблюдения количество и плотность расположения коллагеновых волокон (см. рис. 2, в). Перифокально было отмечено умеренно выраженное гранулематозное воспаление с появлением довольно крупных инкапсулированных гранулем (площадью сечениядо 0,12 мм2), изолирующих мелкие части сетки, местами в клеточном инфильтрате встречались сегментоядерные лейкоциты, были обнаружены компенсаторно гиперплазированные периферические нервы, грануляции с полнокровными сосудами, встречались диапедезные кровоизлияния и очаги фиброзно-рубцовой трансформации (см. рис. 2, в). В одном из наблюдений был обнаружен очаг гнойного воспаления на фоне гранулематозного. Отмечено созревание соединительнотканных капсул с очагами их частичной инволюции и истончения, но в отличие от таковых при имплантации пролена в них все еще обнаруживались макрофаги и многоядерные клетки. Перифокально наблюдалось слабовыраженное гранулематозное воспаление. Размер гранулем не превышал 0,1 мм2. Их отграничивали от окружающих тканей более выраженные, чем в предыдущий период наблюдения, соединительнотканные капсулы. Кроме того, перифокально определялись дегенеративные изменения периферических нервных волокон и сосудистое полнокровие с диапедезными кровоизлияниями (см. рис. 2, г). Через 12 мес после имплантации пролена была отмечена рубцовая трансформация капсул вокруг нитей и окружающей грануляционной ткани (см. рис. 1, е). Перифокально наблюдалось слабовыраженное гранулематозное воспаление с формированием единичных крупных гранулем инородных тел (площадью сечения до 0,1 мм2), окруженных плотными соединительнотканными капсулами. Через 12 мес после имплантации композиционной сетки было отмечено дальнейшее созревание соединительнотканных капсул вокруг волокон с очагами их инволюции и истончения, но клеточные элементы во внутреннем слое капсулы продолжали обнаруживаться. Перифокально наблюдалось слабо выраженное гранулематозное воспаление с формированием гранулем инородных тел (площадью сечения до 0,1 мм2), окруженных соединительнотканными капсулами. Также усугублялись процессы фиброзно-рубцовой трансформации грануляций, имелись кровоизлияния (см. рис. 2, д), гемосидероз, дегенерация гиперплазированных нервных стволиков. В двух случаях было обнаружено абсцедирование зоны имплантации сетки с формированием внутри кожных свищевых ходов (см. рис. 2, е). В одном из этих случаев сетчатый протез был спаян с дермой. Обсуждение полученных данных. Отсутствие в зоне имплантации материалов полиморфно-ядерных лейкоцитов, серозной и фибринозной экссудации уже к 1-му месяцу наблюдения у большинства животных свидетельствует о завершении альтеративной реакции тканей на инородное тело. Активный ангиогенез, новообразование соединительной ткани, лимфоцито-гистиоцитарная инфильтрация, гигантоклеточная трансформация с формированием гранулем указывают на наступление фазы продуктивного (гранулематозного) воспаления и являются закономерной реакцией тканей на инородное тело [9]. Тот факт, что соединительнотканные капсулы, формирующиеся вокруг сетчатых протезов в этот период наблюдения, были толще, чем капсулы вокруг нитей пролена, и содержали большее количество макрофагов и многоядерных клеток, а в окружающих сетки тканях присутствовали гранулемы инородных тел, вероятно, связан с присутствием в сетках лизируемого компонента (полимолочной кислоты), так как именно эти клетки (макрофаги) в первую очередь принимают участие в биодеградации, запуская процессы гранулемо-и коллагенообразования [4, 7, 8, 12, 15]. Также перифокально при вживлении композиционных сетчатых протезов отмечены более выраженные процессы фиброзно-рубцовой трансформации, чем вокруг нитей пролена. Несмотря на то, что пролен считается инертным материалом, вокруг его нитей через 1 мес после имплантации наблюдались признаки умеренно выраженного продуктивного воспаления с грануляциями и полнокровными сосудами, что, вероятно, является проявлением все еще продолжающейся реакции на инородное тело, которая может протекать довольно длительно [5, 14]. В настоящее время широкое распространение получила теория абсорбции белков реципиента имплантируемым материалом, как основного патофизиологического процесса, ответственного за клеточные реакции. В целом считается, что фагоциты в большей степени взаимодействуют с этими спонтанно абсорбированными белками, чем с самим материалом [5]. Тот факт, что через 2 мес после имплантации пролена и композиционной сетки мы нашли места вживления лишь у половины животных, вероятно, связан с возможностью выведения материалов из организма через свищевые ходы [6, 11]. В этот период времени происходило уплотнение соединительнотканных капсул вокруг изучаемых материалов за счет уменьшения количества клеточных элементов и увеличения — волокон. Однако толщина капсул вокруг пролена, в отличие от сетки, увеличивалась по сравнению с таковой в предыдущий период наблюдения. Обратило на себя внимание появление очагов дистрофии в капсулах, что, вероятно, может свидетельствовать о гистотоксичности материала [10]. Кроме того, толстая фиброзная капсула может быть проявлением неблагоприятного развития процесса в связи с недостаточным ее кровоснабжением. Такие капсулы могут подвергаться кальцификации, вызывая повреждения окружающих тканей и боль, помимо этого, такая капсула может способствовать инфицированию имплантата или усиливать хроническое воспаление вокруг него [6], что, в свою очередь, может приводить к отделению капсулы от имплантата с развитием эмболии, это особенно опасно при кардиоваскулярном протезировании. Спустя 2 мес после операции, признаки более выраженного хронического воспаления были отмечены вокруг волокон композиционной сетки, а не вокруг нитей пролена. Имплантаты отличались так же и степенью развития перифокальной грануляционной ткани. Это можно объяснить различающимися поверхностными свойствами, формой, химическими свойствами имплантатов (наличие в сетке лизируемого компонента) [6, 12, 15]. Обратила на себя внимание гиперплазия периферических нервных стволиков вокруг волокон сетки, что возможно связано с более выраженным воспалением, вызванным этим материалом [3], а в дальнейшем может стать причиной развития в этой области травматических невром и, как следствие, болевого синдрома у реципиента [14]. Через 6 мес после имплантации в соединительнотканных капсулах вокруг исследуемых материалов продолжались процессы созревания, а перифокально — фиброзно-рубцовая трансформация грануляционной ткани с очагами дистрофии (при трансплантации пролена). Внутренний слой капсул вокруг нитей композиционной сетки часто был представлен макрофагами и многоядерными клетками, а вокруг пролена все капсулы включали коллагеновые волокна и фиброциты. Таким образом выражается ремоделяция и инволюция соединительной ткани с истончением капсулы [6]. При имплантации композиционной сетки обратило на себя внимание отдаление друг от друга ее волокон, что может быть связано с присутствием в соединительнотканных капсулах миофибробластов, способных к сокращению. За счет функционирования этих клеток капсула сжимается для элиминации инородного тела (фактически выдавливания) из организма. Присутствие миофибробластов обусловливает смещение и миграцию инородных тел [4]. К 12-му месяцу наблюдения было отмечено снижение интенсивности хронического продуктивного воспаления у обеих групп животных за исключением двух случаев присоединения гнойного воспаления при имплантации сетки. Речь идет именно о хроническом воспалении, а не о пролонгированной реакции на инородное тело, так как перифокально мы наблюдали, помимо клеточной инфильтрации, признаки нарушения микроциркуляции (кровоизлияния, гемосидероз, васкулиты) и иммунных нарушений (гранулемообразование, гиалиноз, персистирующие очаги грануляционной ткани), особенно отчетливо выраженные при имплантации композиционной сетки. Только длительное раздражающее воздействие токсичных материалов может приводить к хроническому воспалению [6]. В группе животных с вживленным проленом наблюдалось более выраженное рубцевание с признаками дистрофических изменений вокруг места имплантации, чем при использовании композиционной сетки, что может стать в будущем источником различных осложнений в связи с недостаточностью кровоснабжения этой области. При имплантации композиционной сетки фиброз между ее волокнами считается благоприятным развитием воспаления и способствует повышению прочности изделия в отдаленном послеоперационном периоде. Известно, что в ходе абсорбции полимолочной кислоты эндопротез теряет свою прочность, с другой стороны — гидролиз стимулирует воспаление с последующим формированием «протезной фасции» [5, 13]. В эксперименте мы наблюдали все возможные отдаленные осложнения, ожидаемые при использовании нерассасывающихся материалов: присоединение активного воспаления к хроническому (как при имплантации пролена, так и композиционной сетки), спаечные процессы, 2 случая формирования свищевых ходов (при имплантировании композиционной сетки) [11, 12]. Как понятно из сказанного, осложнения чаще происходили в группе животных с вживленной композиционной сеткой, что может быть связано с большей площадью активной поверхности сетчатых эндопротезов, чем при имплантировании проленовой нити [6]. Итак, установлено, что реакция тканей на имплантацию различных нерассасывающихся хирургических материалов протекает по общей схеме, характерной для раневого процесса и реакции на инородное тело: альтерация, экссудация, пролиферация (гранулематоз), созревание грануляционной ткани, фиброз, инкапсуляция, реорганизация и инволюция рубца или капсулы. Реакция тканей на нерассасывающееся инородное тело сменяется явлениями персистирующего хронического воспаления, которое может существовать в организме реципиента неопределенно долго, являясь источником осложнений.

About the authors

I. V. Kuznetsova

Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine RAS Siberian Branch

The Center of New Medical Technologies

I. V. Maiborodin

Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine RAS Siberian Branch

The Center of New Medical Technologies

A. I. Shevela

Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine RAS Siberian Branch

The Center of New Medical Technologies

M. I. Barannik

Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine RAS Siberian Branch

The Center of New Medical Technologies

A. A. Manayev

Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine RAS Siberian Branch

The Center of New Medical Technologies

V. I. Maiborodina

Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine RAS Siberian Branch

The Center of New Medical Technologies

References

Supplementary files