Дегенеративные заболевания позвоночника являются важной медико-социальной и экономической проблемой современности, что обусловлено ее чрезвычайной распространенностью, длительным течением, преобладанием у лиц трудоспособного возраста, высокими показателями временной нетрудоспособности и инвалидности [1, 2, 4, 6, 10].
Во многих научных публикациях посвящённых данной проблеме [3] констатируется, что развитие клинически выраженной патологии межпозвонковых дисков связано на макроуровне - с изменением размеров межпозвонкового диска, его геометрии, отношения к окружающим тканям, физической способности к перенесению нагрузок; на микроуровне - с изменением клеток и их метаболизма или с реакцией клеток на механическое повреждение и изменение давления в диске [12].
Несмотря на то, что традиционный арсенал лечебных воздействий (как хирургических, так и терапевтических) достаточно широк, исследования механизмов возрастной и патологической дегенерации межпозвонковых дисков и поиск подходов к лечению ведутся весьма активно [8, 9], имеющаяся информация, остается неполной, поскольку число эффективных методов, обеспечивающих замедление процесса дегенерации или восстановление утраченных в результате патологических процессов хрящевых структур, до сих пор невелико.
Широкое применение титановых сплавов в хирургии позвоночника требует проведение всестороннего исследования не только физико-механических свойств, но и, прежде всего, их влияние на окружающие ткани межпозвонкового диска и организма в целом [5], что подталкивает к проведению детальных экспериментально-морфологических исследований.
Возможности получения биопсийного материала межпозвоночного диска человека ограничены по этическим и юридическим причинам, в связи, с чем для изучения механизмов и динамики дегенеративных заболеваний позвоночника часто используют моделирование в экспериментах на животных. С этой целью наиболее часто в качестве модельных объектов в исследовании дегенеративных заболеваний позвоночника являются мелкие животные: кролики, крысы и мыши [7].
Морфологические исследования проводились на базе центральной научно-исследовательской лаборатории Ташкентского педиатрического медицинского института. В качестве модели была выбрана методика [12], использующая минимальное и дозируемое хирургическое повреждение тканей межпозвонкового диска (неполнослойный прокол фиброзного кольца), в результате которого развивается дегенерация межпозвонкового диска, сходная с таковой у человека.
В эксперименте отсутствовало изучение интактных дисков у экспериментальных животных, учитывая анализ современной литературы, где доказано на модели остеохондроза у кроликов (артродез) [13] наличие мягких дегенеративных изменений в интактных дисках, ближайших по анатомической локализации к искусственно поврежденным дискам.
Эксперименты проведены на 40 скелетно-зрелых белых лабораторных кроликах весом 2,8-3,4 кг. Животных содержали в виварии ТашПМИ в соответствии с зоогигиеническими требованиями. Кормление и питьё осуществляли гранулированными комбикормами и очищенной водой. Перед постановкой эксперимента животные прошли карантин. Во время проведения эксперимента кролики были клинически здоровы, у них отсутствовали особенности в поведении, аппетите, режиме сна и бодрствования. Один кролик оставался контрольным, никаких манипуляций на нем не проводилось. Животные были разделены на 2 группы: 1 группа – механическое повреждение фиброзного кольца поясничного межпозвонкового диска спицей Киршнера; 2 группа – введение титановых имплантатов (конусообразный) в межтеловой промежуток на уровне LIII-LIV. Сроки изучения - 2 недели (14-15 сутки), 1, 2, 3 месяца морфологических изменений интересующей зоны.
Для моделирования дегенеративно-дистрофических заболеваний позвоночника в 1-й группе исследования было выполнено повреждение фиброзного кольца межпозвонкового диска в поясничном отделе LIII-LIV, так как именно в этом отделе межпозвонковые диски у кроликов испытывают повышенную нагрузку, а патогенетические механизмы развития и течения раневых и дегенеративно-дистрофических процессов в межпозвонковом диске практически идентичны. Хирургическое вмешательство на кроликах проводили под общим наркозом кетамин 0.25 мг/кг. На спине животного в проекции поясничного отдела позвоночника выбривали операционное поле 5x3 см, затем по линии остистых отростков выполняли разрез длиной 2,5 см, вскрывали грудопоясничную фасцию, паравертебральные мышцы тупым путём отводили латерально, после чего визуализировали заднебоковую поверхность межпозвонкового диска. Неполнослойный прокол межпозвонкового диска выполняли спицей Киршнера со специальным ограничителем на глубину 5 мм. После контроля на гемостаз рану ушивали наглухо.
Согласно международным рекомендациям животные выводились из эксперимента с помощью передозировки барбитурата (Pentobarbital sodium 1,2 г/кг) с последующей декапитацией.
Морфологическое изучение при помощи световой микроскопии проводили после фиксации 10%-м раствором нейтрального формалина и декальцинации биоптатов, изготавливали парафиновые срезы толщиной 4-5 мкм. Срезы окрашивали гематоксилином и эозином. Препараты исследовали и фотографировали с использованием светового микроскопа OLYMPUS BX51, оснащенного цифровой видеокамерой Sanyo, при соответствующих увеличениях.
При изучении межпозвонковых дисков через 2 недели после механического повреждения спицей Киршнера отмечается множество участков с воспалительными инфильтратами, в полостях которых располагаются массы клеточного детрита с наличием клеток крови. Вокруг инфильтративных полостей в волокнистом хряще межпозвонкового диска отмечается увеличение в размере и объёме отёчных фиброзных волокон. Отмечено, что в зонах выраженного отёка и разрыхления фиброзных волокон имеются участки разрывов, данный факт подтверждает значение объективной экспериментальной модели дегенеративных заболеваний позвоночника.
При изучении межпозвонковых дисков через 2 недели после имплантации титанового сплава выявлены массивные деструктивные зоны на поверхностных участках диска, в которых имеются обширные выраженные участки кровоизлияний с наличием форменных элементов крови, больше чем в группе исследования после механического повреждения спицей Киршнера.
С другой стороны отмечено, что имплантация титанового сплава плотно фиксирует сочленение на резьбе два смежных позвонка и не позволяет распространяться отёку воспалённых элементов соединительной и хрящевой ткани межпозвонкового диска. Результатом чего является небольшая толщина поверхностных слоёв диска, что создаёт впечатление «ограничения» отёка диска. Немаловажным в этом аспекте является полное отсутствие движения между фиксированными позвонками, что создаёт полный покой ткани диска и способствует минимизации «отёка в движении».
В этой ситуации, по нашему мнению наиболее важно в клиническом аспекте является недопущение увеличения гидравлического давления внутри диска с целью предотвращения разрывов волокон фиброзной капсулы, что на этапах лечения должно проявляться ограничением водной нагрузки и применением диуретической терапии, либо их комбинация в зависимости от ситуации.
При морфологическом изучении переходной зоны и поверхностных слоёв межпозвонкового диска характерны небольшие ограниченные участки клеточного детрита с кровью, под которыми располагается большое число нормальных интактных лакун с хондроцитами.
Скопление форменных элементов крови способствует разрастанию грубой волокнистой соединительной ткани, что в последствии является залогом хорошей фиксации в межпозвонковом сегменте с титановым кейджем вак, а в последующем является предпосылкой формирования контрактуры и полной неподвижности в зоне имплантата. В этой связи необходимо оценивать наличие участков скоплений крови в клиническом аспекте, и объективно проводить этапные лечебные мероприятия с применением лекарственных средств и методов рассасывающей и регенерирующей терапии.
При изучении межпозвонковых дисков через месяц после механического повреждения спицей Киршнера отмечается усиление проявлений морфологической картины. Так, множественные участки воспалительных инфильтратов разрастаются, увеличиваются в размере образуя плотную оболочку капсулы, в полостях сохраняются массы клеточного детрита с наличием клеток крови в меньшем количестве. Мембрана капсулы хондроцитов гладкая, неровная, в энхондральной зоне между капсулами хондроцитов отмечаются признаки скопления жидкости без наличия клеток воспалительной инфильтрации, что свидетельствует о сохраняющихся проявлениях отёка диска вследствие сил движения и давления и отсутствия фиксации в суставе.
Большую часть хрящевой ткани занимают гиалиновые и фиброзные волокна, а в области прокола на наружной части фиброзной капсулы имеются очаги некроза, при этом в остальном наружный слой фиброзной капсулы не изменён. Кроме того отмечены участки в вентральной части диска, где ткань значительно разрыхлена а циркулярная структура ламелл была значительно истончена, разрыхлена с формированием тонких и беспорядочно ориентированных волокон.
При изучении межпозвонковых дисков через месяц после имплантации титанового сплава выявлено уменьшение деструктивных зон в поверхностных участках диска, уменьшение или отсутствие признаков кровоизлияний и наличия форменных элементов крови. При этом сохраняется менее выраженный отёк фиброзных волокон, относительно группы сравнения, но отличительной чертой является гипотрофия и уменьшение толщины разрыхленных фиброзных волокон кольца диска.
Кроме того диски, в которых пульпозное ядро замещено фиброзным хрящом, образуют разрывы между замыкательными пластинами и телом позвонка или между оссифицированной и неоссифицированной частями хрящевого слоя, что возможно связано с разрушением и замещением пульпозного ядра и перераспределением механической нагрузки при изменении плотности ткани пульпозного ядра.
Несмотря на признаки уменьшения отёка тканей внутри диска сохраняются проявления деструкции пульпозного ядра, проявляющиеся нарушением целостности лакун хондроцитов и пузыревидных клеток.
При изучении межпозвонковых дисков через 2 месяца после механического повреждения спицей Киршнера отмечено, что наружный слой фиброзной капсулы изменен незначительно, за исключением области прокола, окруженного очагами некроза и регенерации за счет активных хондробластов и изогенных групп клеток. В среднем слое фиброзной капсулы в ламеллах происходит разрыхление упаковки и усиление волнистости коллагеновых волокон, а также расщепление самих ламелл. Во внутреннем слое фиброзной капсулы преобладают участки уплотнения коллагеновых волокон в отличие от небольших участков разрыхления. В участках уплотнения преобладают гипертрофические хондроциты с вакуолизированной цитоплазмой, часть которых подвергается дистрофическим изменениям. Характерно, что в таких участках на большом увеличении видно отложение мелкозернистого материала. Ламеллярная структура волокнистого матрикса отсутствует. В пульпозном ядре преобладают структуры фиброзного хряща.
Таким образом, внутренний слой фиброзной капсулы и пульпозного ядра состоит из элементов фиброзного хряща с выраженными дистрофическими изменениями и отложением извести, где в хрящевом слое замыкательной пластины имеются участки резорбции хрящевой ткани, замещенные костной тканью.
Ткань, заместившая пульпозное ядро состоит из относительно тонких, местами плотно упакованных, в других участках рыхло неравномерно упакованных коллагеновых волокон и крупных клеток в основном без лакун (единичные клетки с лакунами). Кроме того в пульпозном ядре имеются участки уплотнённой некротизированной и безхрящевой ткани. Кроме того, в пульпозном ядре обнаруживаются очаги зернистой деструкции ткани и мелкие кисты, оставшиеся, по-видимому, после резорбции бывших участков некроза.
При изучении межпозвонковых дисков через 2 месяца после имплантации титанового сплава выявлено, что дегенеративные процессы, прежде всего отмечаются в соединительной ткани позвоночника, имеются участки разрывов с наличием большого количества клеток старой крови.
Одновременно с этим в хрящевой части наблюдается значительная регенерации и увеличение активных хондробластов с множеством изогенных молодых групп клеток. Причиной выявленных изменений по нашему мнению является то, что в хряще межпозвонкового диска ослабевает обмен кислых мукополисахаридов, общее содержание которых в пульпозном ядре снижается за счет уменьшения хондроитин-сульфатов при относительном увеличении кератан-сульфата. К тому причину умеренного уменьшения гидрофильных свойств и относительно высокой концентрации хондробластов и изогенных групп на небольшом участке регенерирующей ткани мы видим в значительном нарастании содержания неколлагенового белка при незначительном изменении содержания коллагена в пульпозных ядрах.
При изучении межпозвонковых дисков через 3 месяца после механического повреждения спицей Киршнера в среднем слое фиброзной капсулы отмечаются участки разрыхления и расслоения ламелл, извитых волокон. Наружные ламеллы фиброзной капсулы по полюсам диска изменены мало, но средние ламеллы изгибаются к центру. С вентральной и каудальной сторон ламеллы прослеживаются нечетко, где ткань состоит из тонких коллагеновых волокон, в клетках которых имеются дистрофические изменения. Во внутреннем слое изменения определяются уплотнением матрикса, в котором коллагеновые волокна расположены беспорядочно. Хондроциты округлые с умеренным увеличением цитоплазмы, с четким и относительно широким ободком плотной метахроматической субстанцией вокруг клеток. Пульпозное ядро представлено фиброзным хрящом, близким по строению к внутреннему слою фиброзной капсулы. Необходимо отметить, что в этот период в большей части дисков усиливаются дистрофические и даже некротические изменения в фиброзном хряще, заместившем внутренний слой фиброзной капсулы и пульпозного ядра. Во внутреннем слое ФК на границе с ПЯ видны участки ткани с тонковолокнистым матриксом. В пульпозном ядре имеются фокусы зернистого распада. На сагиттальных срезах отмечается одновременное протекание двух противоположных процессов в слоях гиалинового хряща замыкательной пластинки: деструктивных и репаративных. Кроме того, в сравнительном аспекте нами отмечены изменения мышечной ткани обеспечивающей работу позвоночного столба, которые заключаются в сохранении признаков отёка даже через 3 месяца после повреждения спицей Киршнера.
По нашему мнению, постоянная, даже минимальная двигательная активность приводит к сохранению травматизации повреждённого участка межпозвонкового диска, что сопровождается увеличением напряжения мышечного аппарата и поддерживает распространение воспалительных явлений на большем участке, нежели при фиксации кейджем вак, где жёсткая фиксация способствует ограничению движений в зоне поражения и уменьшению отёчно-воспалительных явлений. А при исследовании продольных срезов длинные миофибриллы характеризуются чёткостью структурного строения. Сохраняются единичные дефекты вдоль мышечных волокон. В зонах поражения имеются небольшие участки лимфоцитарной инфильтрации, преимущественно вблизи сосудистого русла. На всём протяжении отмечается прорастание волокнистой соединительной ткани, что по нашему мнению, при относительном отсутствии значительной двигательной активности мышечных волокон способствует оптимальной фиксации кейджем вак.
При изучении межпозвонковых дисков через 3 месяца после имплантации титанового сплава выявлено, что одновременно с развитием атрофически-деструктивного процесса наблюдаются признаки репаративно-регенеративных процессов в виде регенерации хряща — многократные его перестройки, развитие хондроидной ткани, замена гиалинового хряща волокнистым: перестройка костной ткани с расширением смежных поверхностей тел позвонков, и ее разрастание для компенсации снижения опорной функции диска.
К числу компенсаторных и регенеративных процессов относится также развитие субхондрального склероза, предотвращающего повреждение костных балок при нагрузках в связи с утратой защитных свойств гиалиновой пластинки. Отмечается увеличение диаметра фиброзного кольца, разрастание соединительной ткани при умеренных регенеративных процессах в собственной хрящевой ткани и увеличение количества хондральных клеток пульпозного ядра межпозвонкового диска.
Таким образом, в результате проведенных исследований моделирования дегенеративных заболеваний позвоночника нами выявлено, что в первую очередь страдают амортизационные свойства пульпозного ядра, ввиду дистрофических и дегенеративных изменений, что способствует повышенной травматизации последних и усугублению патологического процесса посредством усиления растрескивания диска, перемещения и пролабирования его элементов. При этом травмируется гиалиновая замыкательная пластинка, поскольку диск из эластического образования постепенно превращается в полуфиброзную прокладку. При этом нами отмечено повышение содержания коллагена в пульпозном ядре при снижении содержания неколлагенового белка.
Все это, способствует пролабированию фиброзного кольца за пределы диска и увеличению его нестабильности. Кроме того, в связи с утратой эластических свойств фиброзное кольцо не может удерживать пульпозное ядро или его фрагменты, что создает условия для грыжеобразования.
Учитывая, что в некоторых случаях в связи с взаимодействием различных предрасполагающих и провоцирующих факторов дегенеративно-дистрофический процесс начинается с задних отделов позвоночного двигательного сегмента, в частности с межпозвонковых суставов изучение имплантации титанового сплава является наиболее актуальным при дегенеративных заболеваниях позвоночника.
В результате проведенных исследований нами установлено, что применение титанового сплава вызывает изменения во всех компонентах задействованного сегмента, в большей степени во внутренних отделах фиброзного кольца и студенистом ядре межпозвонковых дисков, при этом имеется тенденция к увеличению диаметра фиброзного кольца, разрастанию соединительной ткани при умеренных регенеративных процессах в собственной хрящевой ткани и увеличении количества хондральных клеток пульпозного ядра межпозвонкового диска.
В ходе взаимодействия деструктивного и репаративных процессов при имплантации титанового сплава стабилизация позвоночного двигательного сегмента обеспечивается замещением дистрофически измененной ткани диска волокнистой, что является достаточно эффективным, в результате чего наступает состояние в виде фиброза диска, с возможностью его обызвествления.
Кроме того, нами выдвинуто предположение, что перемещению внутридисковых секвестров способствуют рывковые движения и неравномерная нагрузка при нарушении целостности диска спицей Киршнера, а длительное сохранение позы характерное для пораженного позвоночного двигательного сегмента при имплантации конусообразного титанового сплава способствует «спокойной» регенерации пульпозного ядра в условиях прогрессирования фиброза фиксированных дисков.