Нанотехнологии в хирургии

Нанотехнологии  современной хирургии

Когда заходит  речь про нанотехнологии, конечно  же в первую очередь на ум приходят нанороботы, которые по нашему велению, словно по взмаху волшебной палочки решают наши задачи на субклеточном уровне. К сожалению, в практической медицине мы пока такого прогресса не достигли, однако, все-таки физические воздействия на биологическую ткань физическими волнами с длиной волны около 10-12 метра плотно вошли в нашу жизнь. Конечно же в первую очередь это лазеры. Мы широко используем диодный лазер, длиной волны около 1000 нм.

Секрет лазера в том, что основная мощность его  воздействия приходится на те объекты, размеры которых сопоставимы с длиной волны лазера. В данном случае таким объектом становится эритроциты находящиеся исключительно в фокусе лазерного излучения, то есть воздействие на окружающие ткани осуществляется опосредованно через эритроциты исключительно в фокусе лазерного воздействия.

Использование лазерного световода позволяет  подвести фокус этого воздействия  в любую необходимую для хирурга  точку. "Закипание" эритроцитов  в зоне воздействия сопряжено  с выделением тепла в окружающие ткани и денатурацией белка, но еще раз это воздействие очень локальное и очень точное. Возьмем, к примеру, лазерную флебологию. Задача флеболога улучшить отток венозной крови от н\конечностей путем ликвидации патологических рефлюксов (обратного тока крови не к сердцу, а к нижним конечностям), для этого надо, например, исключить из кровотока больную расширенную поверхностную вену и улучшить отток крови по здоровым глубоким венам. Больную вену можно удалить хирургическим путем, что травматично и на что пациенты часто не соглашаются. Альтернативой являются компрессионная склеротерапия (склеивание вен специальным склерозантом), однако, склерозант введенный в венозную систему распространяется с током крови туда, куда ему хочется. Поэтому мы можем регулировать этот процесс только приблизительно, основываясь на объеме вводимого склерозанта и нашем опыте, другое дело лазерное воздействие. Лазерный световод введенный в большую подкожную вену под контролем, например, ультразвукового датчика доказательно склеит только фрагмент вены необходимый для выздоровления - вот такие нанотехнологии.

Не менее интересно  использование нанотехнологий в  в хирургии щитовидной железы, когда  хирург обнаружив одиночный узел в щитовидной железе, доказав пункцией его не онкологическую природу, под  контролем ультразвука без наркоза и разреза вводит в него лазерный световод и выполняет, так называемую, лазерную абляцию, после которой через несколько месяцев узел щитовидной железы сморщивается и замещается соединительной тканью. Такое нанотехнологическое лазерное воздействие основано на том, что щитовидная железа чрезвычайно высоко кровоснабжаемый орган. Капиллярная сеть железы сильно развита, поэтому лазерный световод диаметром = 1 мм оказывает плотное энергетическое воздействие, что так же приводит к локальному взрыву эритроцитов, денатурации окружающего белка. При этом хирург ультразвуком может контролировать область распространения энергии в ткани щитовидной железы. Лазерное лечение узловых образований щитовидной железы показано не более, чем в 20% страдающих этой патологией. Но зато, этим больным лазер надежно позволит избежать операции.

Если мы говорим  о лазерах, то речь идет о нанотехнологических  использованиях электромагнитных волн, но в медицине широко используются и нанотехнологии с другими видами физического воздействия, например, ультразвуком. Длина ультразвуковой волны составляет около 10-6 м, что соизмеримо с клетками биологических тканей. Воздействие энергетическими ультразвуковыми волнами приводит к эффекту кавитации внутриклеточной жидкости, разрыву клеточных структур и сопряжено с термическим воздействием на ткани. На этом нановоздействии основана работа ультразвукового скальпеля, который отличается бескровностью рассечения биологических тканей, отсутствием воздействия на рядом лежащие органы.

Мы активно  используем эти преимущества при  проведении эндоскопических операций, операций на щитовидной железе, печени, кишечнике.

Новым этапом в  развитии ультразвуковых нанотехнологий стало появление прибора "Проксон" - комбайна, состоящего из ультразвукового  скальпеля, блока для очистки  инфицированных и гнойных ран, и, наконец, блока воздействия на геморроидальные узлы. Если первые два блока имеют различные аналоги, то последний - эксклюзивен.

Данное ультразвуковое нановоздействие имеет более  широкий спектр. Ультразвуковое склерозирование  геморроидальных узлов основано на комбинировании ультразвуковой кавитации, химическом воздействии и диффузии склерозанта. Химический субстрат склерозирования (полидоконол или тетрадиэтил-сульфат) воздействует на эндотелий (внутреннюю выстилку сосудов). Вы когда-нибудь видели, как капелька растительного масла всасывается в губку? Представьте, как будет проникать масло, подаваемое под напором в несколько атмосфер. Точно так же отличается склерозирование геморроидальных узлов склерозантом от склерозирования с помощью ультразвука. Под воздействием ультразвука склерозант импрегнирует мелкие сосуды геморроидальных узлов, таким образом, ультразвуковая нанотехнология усиливает эффект обычного склерозанта во много раз и приближает эффективность процедуры к традиционной операции.

Эти и другие нанотехнологии в медицине имеют большое будущее. Важно лишь помнить, что использование высоких технологий не сама цель. И для врача самое важное, с одной стороны, их не проигнорировать, и, с другой стороны, точно знать, что данная новая методика необходима конкретному пациенту. 
 

Нанотехнологии  в хирургии воспалительных заболеваний позвоночника

Беляков М.В., Гусева В.Н., Виноградова  Т.И., Маничева О.А., Гордеев  С.К.

ФГУ «Санкт-Петербургский  НИИ фтизиопульмонологии  Росмедтехнологий», Санкт-Петербург, Россия

ТубИнформ, 2009, N 1

English version

Восстановительная хирургия воспалительных заболеваний позвоночника в настоящее время столкнулась с рядом трудностей, связанных с вопросами замещения межпозвонковых диастазов, образующихся после удаления разрушенных тел позвонков. При использовании для переднего спондилодеза биологических и небиологических имплантатов неудовлетворительные результаты отмечаются в 5,9-40% случаев [1,3,4,5]. Это потребовало поиска новых материалов для стабилизации позвоночного столба.

Сравнительно  недавно в медицинской практике начато использование углеродных наноматериалов (фуллерены, углеродные нанотрубки, наноалмазы), представляющих собой дисперсные системы, использование которых в медицинской практике затруднительно. Специалистами ФГУП “ЦНИИМ” и ФГУ “СПб НИИФ Росмедтехнологий” разработаны углеродные нанофрагментарные системы в виде трехмерных тел, обладающие достаточной прочностью и высокой пористостью (40-70%), величина пор составляет 5-10 нм [2]. Материалы могут быть изготовлены в виде блоков нужной формы и размеров. В модельных системах in vitro получены данные, свидетельствующие о способности углеродных нанокомпозитов адсорбировать и десорбировать лекарственные препараты. Это открывает перспективу применения трехмерных углеродных наноматериалов, позволяющих сочетать опороспособность с функцией лекарственного депо, при лечении костной патологии, что является новым и не имеет аналогов.

Цель  настоящей работы - повышение эффективности хирургического лечения воспалительных заболеваний позвоночника на основе экспериментальных и клинических результатов применения имплантатов из трехмерных углерод-углеродных наноматериалов для переднего спондилодеза.

Материал  и методы: углерод-углеродный имплантат (УУИ), 112 больных туберкулезом и остеомиелитом позвоночника, 176 животных (кролики, белые нелинейные мыши и крысы, морские свинки). Санитарно-химические, токсикологические, фармакокинетические методы, стандартный клинико-рентгено-лабораторный комплекс и хирургические методы.

Результаты  и обсуждение. Механические испытания показали, что имплантаты из углерод-углерода выдерживают существенно более высокие нагрузки, чем костные трансплантаты.

Санитарно-химическое исследование вытяжек из углерод-углеродных имплантатов показало, что среднее  изменение величин исследуемых  показателей (pH, содержание восстановительных примесей, оптическая плотность) в экстракте из УУИ не превышало допустимых значений. Уровни цитотоксичности в отношении сперматозоидов крупного рогатого скота и гемолиза эритроцитов под воздействием экстрактов из углерод-углеродных имплантатов не превышали нормативных данных. Исследование острой токсичности путем однократного внутрибрюшинноого введения белым нелинейным мышам экстрактов из УУИ в различных разведениях не выявило отрицательного влияния на их общее состояние, поведенческие реакции, а также не сопровождалось летальными исходами. По данным вскрытия и макроскопического исследования (через 14 дней) экстракты из УУИ не вызывали визуальных изменений внутренних и эндокринных органов, головного мозга, а также кожи, подкожной клетчатки, брюшины и слизистой кишечника. Обследование участков кожи кроликов в зоне однократного введения водных вытяжек из углерод-углеродных имплантатов не выявило макроскопических изменений. Гистологическое исследование срезов кожи из этих участков, произведенное по окончании срока наблюдения (6 суток), показало, что клетки всех слоев эпидермиса с четкими ядрами и оксифильной цитоплазмой, базальная мембрана отчетливая, сосуды сосочкового слоя дермы обычного диаметра, отека и воспаления нет. Эти данные указывают на отсутствие местного раздражающего действия экстракта из УУИ. Результаты изучения пирогенности водных вытяжек путем измерения ректальной температуры у животных доказали апирогенность экстрактов из углерод-углеродных имплантатов.

Результаты  визуальной оценки реакции иммунных комплексов у опытных животных в ответ на введение разрешающей дозы экстракта из УУИ оказались отрицательными. При гистологическом исследовании срезов кожи, взятых с участков введения экстракта, также не обнаружено признаков воспалительной клеточной реакции.

При подкожной  имплантации углерод-углеродного  имплантата различий клеточного ответа тканей гиподермы между тестируемым  имплантатом и контрольным материалом (полистирол ПСМ-15) не установлено.

В результате проведенных экспериментальных  исследований углерод-углеродных имплантатов установлено, что трехмерный углеродный наноматериал по санитарно-химическим и токсикологическим показателям отвечает требованиям безопас¬ности, предъявляемым к медицинским изделиям, контактирующим с кровью и мягкими тканями чело¬века, не обладает цитотоксичностью, гемолитическим, пирогенным, раздражающим и сенсибилизиру¬ющим действием, а также не оказывает местного раздражающего действия на окружающие ткани при дли¬тельной имплантации.

Исследования  по использованию УУИ в качестве контейнера лекарственных препаратов базировались на мониторировании биодоступности наиболее эффективного противотуберкулезного средства рифампицина, помещенного в имплантат. Проведенные экспериментальные исследования продемонстрировали возможность использования УУИ в качестве контейнера рифампицина: общее среднее время присутствия антибиотика в системном кровотоке в бактериостатических концентрациях для МБТ - 24 часа; в окружающих мягких тканях - до 7 суток; в костной ткани - до 30 суток.

В клинической практике углерод-углеродный имплантат применен для переднего спондилодеза при радикально-восстановительных операциях у 51 больного (основная группа). Длина УУИ составляла от 3 до 9 см. Сравнение ближайших и отдаленных результатов пластики позвоночника проводилось с контрольной группой больных (61 человек), передний спондилодез которым выполнен свободными костными аутотрансплантатами.

Анализ результатов  хирургического лечения показал, что  способ пластики с применением УУИ  несущественно укорачивал длительность операции и интраоперационную кровопотерю. Выявленное сокращение продолжительности операции и кровопотери в основной группе связано с отсутствием необходимости выкраивания костных аутотрансплантатов и моделирования их в соответствии с образовавшимся дефектом позвоночника. В ближайшем послеоперационном периоде у больных обеих групп осложнений, связанных с видом пластического материала, а также летальных исходов не наблюдалось.

Дополнительная  стабилизация позвоночника УУИ позволила  произвести подъем больных и реабилитационные мероприятия, с ним связанные, достоверно раньше (27,0±0,6 дня - в основной группе и 36,7±0,4 – в контрольной, p<0,001).

Рентгенометрические измерения, проведенные в ближайшем  послеоперационном периоде, показали одинаковую эффективность интраоперационной коррекции деформации позвоночника в обеих группах: в основной группе - в 66,7%, в контрольной - в 65,6%. Исправление кифотической деформации чаще обнаруживалось в грудном отделе позвоночника в обеих группах (72% - в основной и 67,6% - в контрольной группах) по сравнению с поясничным (68,7% - в основной и 60,0% - в контрольной группах), но различия статистически незначимы (p>0,05). В основной группе деформация исправлена в грудном отделе на 2,9±0,5º, в поясничном – на 3,0±0,5, в контрольной – на 2,3±0,7 и 3,0±0,6 соответственно. Появление начальных признаков костного сращения концов аутотрансплантатов к 1 месяцу после операции отмечено в основной группе у 70,6% пациентов, в то время как в контрольной - только у 47,5%.