Синхронное удлинение нескольких сегментов тонкой кишки с помощью биодеградируемых пружин в эксперименте

Резюме

Актуальность. Синдром короткой кишки (СКК) - это основная причина кишечной недостаточности у детей. Несмотря на развитие современных технологий, в том числе аутологичных реконструкций кишечника, это заболевание по-прежнему связано с высоким уровнем летальности. Одно из перспективных направлений в поиске новых методов лечения СКК - механическое удлинение кишечника, или дистракционный энтерогенез.

Цель - доказать возможность и эффективность механического удлинения тонкой кишки посредством имплантации нескольких биодеградируемых пружин без нарушения целостности желудочно-кишечного такта, а также проследить изменения, происходящие на разных этапах удлинения.

Методы. 6 свиньям в возрасте 2 мес и массой тела 20 кг в просвет тощей кишки имплантировали по 3 пружины из биодеградируемого полимера (поли-ε-капролактон). Пружины фиксировали в просвете кишки в сжатом виде с помощью зауживающих плик. Период послеоперационного наблюдения составил 6, 10, 20 и 30 сут соответственно. Животные после операции получали жидкую диету с постепенным переходом на привычный рацион. После окончания эксперимента проводили оценку макро- и микроскопических изменений кишечных сегментов в процессе их дистракции.

Результаты. 2 животных погибли от ранних хирургических осложнений. 4 животных после операции усваивали энтеральную нагрузку без потери массы тела и признаков кишечной непроходимости. Длина большинства сегментов тощей кишки с пружинами увеличилась в 2-2,5 раза. Гистологический анализ подтвердил наличие пролиферативных и адаптационных изменений во всех слоях кишечной стенки.

Заключение. Дистракционный энтерогенез с использованием внутрипросветных биодеградируемых пружин достоверно приводит к росту тонкой кишки за счет пролиферации всех ее слоев. Одномоментная имплантация нескольких пружин позволяет добиться большего суммарного удлинения тонкой кишки.

Ключевые слова:дистракционный энтерогенез, синдром короткой кишки, удлинение кишечника, биодеградируемые пружины

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов. Концепция, дизайн и координация исследования - Петров Д.А.; написание текста рукописи - Петров Д.А., Трофимчук Е.С., Крупнин А.Е.; изготовление и стерилизация имплантатов - Трофимчук Е.С., Седуш Н.Г.; проведение хирургической части эксперимента - Петров Д.А., Аверьянова Ю.В.; проведение морфологической части эксперимента - Цинзерлинг В.А., Семенова Н.Ю.; исследование свойств имплантатов, анализ и обработка экспериментальных данных - Крупнин А.Е., Мельников Д.Е.; корректировка текста рукописи - Аверьянова Ю.В., Седуш Н.Г., анализ и обсуждение результатов - Чвалун С.Н., Разумовский А.Ю.
Для цитирования: Петров Д.А., Аверьянова Ю.В., Трофимчук Е.С., Цинзерлинг В.А., Седуш Н.Г., Крупнин А.Е., Мельников Д.Е., Семенова Н.Ю., Чвалун С.Н., Разумовский А.Ю. Синхронное удлинение нескольких сегментов тонкой кишки с помощью биодеградируемых пружин в эксперименте // Клиническая и экспериментальная хирургия. Журнал имени академика Б.В. Петровского. 2020. Т. 8, № 4. С. 16-28. DOI: https://doi.org/10.33029/2308-1198-2020-8-4-16-28

В медицине есть несколько примеров влияния механического воздействия на активацию роста ткани. В естественных условиях это можно наблюдать при растяжении кожи передней брюшной стенки во время беременности, а также при адаптации и росте мягких тканей при их сдавлении опухолью. Направленная механическая стимуляция роста ткани впервые была описана на примере пластики обширных дефектов кожи. Методика с использованием баллонных экспандеров для растяжения кожи была предложена C.G. Numann и соавт. в 1957 г. и используется по сей день [1]. Г.А. Илизаров и соавт. описали метод дистракционного остеогенеза для механического удлинения трубчатых костей, который получил распространение в России и за рубежом [2]. Активное изучение механизмов механотрансдукции дало начало разработке устройств для удлинения кишечника при лечении синдрома короткой кишки.

Синдром короткой кишки (СКК) характеризуется уменьшением площади всасывательной поверхности тонкой кишки в результате обширных резекций, что приводит к развитию кишечной недостаточности (КН), проявляющейся мальабсорбцией питательных веществ, жидкости, витаминов и микроэлементов, необходимых для адекватной жизнедеятельности организма [3]. Основные причины развития СКК - некротический энтероколит, врожденные пороки развития (атрезия тонкой кишки, гастрошизис) и заворот кишечника [4]. Частота встречаемости СКК, по зарубежным данным, достигает 30 случаев на 100 тыс. живорожденных [5].

В основе нетрансплантологической технологии лечения СКК одну из ключевых ролей играет организация парентеральной нутритивной поддержки с целью восполнения объема необходимых питательных веществ [б]. Среди хирургических опций, разработанных для лечения СКК, наибольшую значимость имеют аутологичные реконструкции кишечника: продольное удлинение и зауживание кишечника (longitudinal intestinal lengthening and tailoring, LILT), последовательная поперечная энтеропластика (serial transverse enteroplasty, STEP) и спиральное удлинение и зауживание кишечника (spiral intestinal lengthening and tailoring, SILT) [7-9]. Все эти методики имеют свои преимущества и недостатки, но все они так или иначе приводят к увеличению общей выживаемости, способствуют достижению энтеральной автономии и снижают риск жизнеугрожающих осложнений [10, 11].

Несмотря на развитие современных технологий лечения СКК, это заболевание по-прежнему связано с высоким уровнем смертности, которая достигает 30% [12]. По зарубежным данным, при реализации всех компонентов нетрансплантологической стратегии лечения СКК >25% пациентов нуждаются в трансплантации кишечника [13]. Но даже среди пациентов, перенесших трансплантацию, 5-летняя выживаемость составляет ~50-б0% [14].

Самым достоверным фактором, влияющим на прогноз лечения СКК после выполнения аутологичных реконструкций, признана длина резидуальной тонкой кишки [15]. Таким образом, пациенты с длиной оставшейся тонкой кишки, составляющей ≤10% долженствующей длины, так называемые ультракороткие варианты СКК, заведомо относятся к группе с низкой эффективностью хирургического лечения [1б]. В связи с этим поиск новых методов лечения и возможностей увеличения всасывательной поверхности кишечника является крайне актуальным.

Механическое удлинение кишечника, или дистракционный энтерогенез, до сих пор активно изучается на экспериментальных моделях малых и крупных животных. Среди ранее описанных устройств для удлинения были винтовые системы, гидравлические пистоны, осмотические гели, внепросветные полимеры с памятью формы [17-20]. Последовательно была доказана эффективность концепции механического удлинения и функциональная состоятельность удлиняемых участков кишки [21]. В основе патогенеза дистракционного энтерогенеза лежит процесс трансформации механического воздействия в каскад биохимических реакций, приводящих к ремоделированию и пролиферации всех слоев кишечной стенки [22]. Помимо пролиферации клеток, которые непосредственно подвергаются механическому воздействию, существует и паракринная передача сигналов соседним интактным клеткам, что приводит к росту участков ткани, прилегающих к месту имплантации удлиняющего устройства [23]. Наиболее приближено к возможности внедрения в клиническую практику использование внутрипросветных пружин. В 2014 г. V.F. Sullins и соавт. предложили модель биодеградируемой пружины, которая в дальнейшем была протестирована как на малых (мыши, крысы), так и на больших животных (свиньи) [24, 25]. Во всех этих экспериментах описывалась имплантация единичных пружин в изолированные или отключенные участки тонкой кишки. Несмотря на то что биодеградируемые пружины более безопасны и не требуют повторного вмешательства для их экстракции, дальнейшие испытания эта группа исследователей проводила с использованием нитиноловых пружин, более простых в производстве. В последних работах описаны возможность имплантации и фиксации нескольких пружин последовательно, без нарушения целостности желудочно-кишечного тракта [26].

Цель данного исследования - доказать возможность и эффективность использования в эксперименте биодеградируемых пружин, имплантированных последовательно, без нарушения целостности желудочно-кишечного тракта, а также проследить макро- и микроскопические изменения, происходящие в стенке тонкой кишки на разных этапах удлинения.

Технические задачи эксперимента: отработать методику хирургической имплантации и фиксации пружин, подобрать безопасные и эффективные параметры их жесткости.

Материал и методы

Все эксперименты на животных проведены в соответствии с Политикой работы с лабораторными животными Комиссии по контролю содержания и использования лабораторных животных (Institutional Animal Care and Use Committee, IACUC).

В качестве тест-моделей в данном исследовании использовали 2-месячных домашних свиней массой тела 20 кг. Общее количество животных - 6. Применяемое устройство - пружина из биоразлагаемого полимера поли-ε-капролактона (Corbion, Нидерланды).

Эксперимент был разделен на 2 этапа, по 3 животных в каждом. На 1-м этапе отрабатывали хирургическую технику имплантации и фиксации пружин, оценивали безопасность использования пружин разной жесткости, а также эффект на ранних сроках после имплантации (6 сут). На 2-м этапе, помимо доработки технологии имплантации, оценивали эффективность действия пружин одинаковой жесткости на разных сроках после имплантации (10, 20 и 30 сут соответственно).

Технологический процесс производства пружин

Изготовление пружин

Для получения пружин использовали известный биосовместимый и биодеградируемый полимер поли-ε-капролактон, который активно применяется при разработке различных имплантатов, систем доставки лекарств, скаффолдов для тканевой инженерии [27, 28].

Из гранул поли-ε-капролактона методом экструзии на двухшнековом микрокомпаундере DSM Xplore 5 ml Microcompounder (Нидерланды) при температуре 100 °С и скорости вращения шнеков 30 мин-1 были получены стренги диаметром от 1,7 до 2,2 мм. Пружины сжатия длиной 75±5 мм (в сжатом состоянии 25±2 мм) и диаметром 13 мм получали методом термоформования на металлическом стержне диаметром 11 мм при температуре 60 °С с последующей термофиксацией и закаливанием. Количество витков 11±1 рассчитывалось с учетом геометрии пружины и диаметра стренги. Для полученных пружин определяли коэффициент жесткости и максимальную силу сжатия на универсальной испытательной машине INSTRON 4301.

На втором этапе эксперимента пружины помещали в желатиновые капсулы (размер № 13) (DR T&T, Великобритания) в сжатом виде. После этого капсулы дополнительно покрывали несколькими слоями поливинилацетата (использовали 10% раствор в этилацетате; остатки растворителя удаляли в вакуумном шкафу при 0,5 атм в течение 12 ч), чтобы обеспечить их отсроченную резорбцию, необходимую для надежной фиксации пружин в просвете кишечника. Вид исходной пружины в расправленном виде и помещенной в желатиновую капсулу представлен на рис. 1.

Рис. 1. Пружина из биодеградируемого полимера поли-ε-капролактона в расправленном и сжатом виде (помещенная в желатиновую капсулу)

Fig. 1. Spring made of biodegradable polymer poly-ε-caprolactone in expanded and compressed form (placed in gelatin capsule)

Механические испытания стенки кишечника. Оценка степени удлинения кишечника и допустимой жесткости пружины

С учетом данных, опубликованных в зарубежной литературе [25], на 1-м этапе эксперимента был выбран диапазон жесткости пружин для определения минимально эффективных и максимально безопасных значений. Средняя жесткость пружин составила 14, 20 и 24 Н/м (детальное распределение жесткости и максимальной силы сжатия пружин между исследуемыми тест-системами представлено в таблице). Жесткость пружин на втором этапе эксперимента составила 8 Н/м (±1 Н/м).

Распределение жесткости и максимальной силы сжатия пружин между исследуемыми тест-системами (первый этап эксперимента)

По завершении первого этапа эксперимента у исследуемых животных были выделены фрагменты интактной тонкой кишки для проведения измерений физико-механических характеристик кишечной стенки с целью определения критических параметров жесткости пружины и сопоставления с результатами удлинения. Исследование механических свойств стенки кишечника в осевом направлении при одноосном растяжении проводили на универсальной испытательной машине INSTRON 5965. Скорость испытаний - 40 мм/мин. Испытания проводили при температуре 23±2 °С. Выдержанные в натрий-фосфатном буфере образцы в виде полосок с длиной рабочей части 20 мм, шириной 16 мм и 20 мм, толщиной 1 мм испытывали до разрыва. В результате испытаний получили инженерные деформационные кривые в координатах "напряжение-деформация". Оценку степени удлинения кишечника и допустимой жесткости пружины проводили исходя из энергетического и прочностного критериев.

Энергетический критерий сформулировали в следующем виде: изменение потенциальной энергии деформации пружины при ее раскрытии ΔЕ равно энергии деформации стенки кишечника U при ее удлинении на величину lÊ.

Изменение потенциальной энергии деформации пружины:

где к - жесткость пружины, Δl - величина первоначального сжатия пружины.

Накопленную энергию деформации стенки кишечника определяли исходя из предположения о несжимаемости материала стенки кишечника и допущения о том, что геометрию деформируемого сегмента кишечника можно представить в виде цилиндрической поверхности:

где V0 = π · D · t · l0 - объем цилиндрического сегмента кишечника, D, t, l0 - его диаметр, толщина и длина до деформирования, σ(ε) - зависимость - зависимость напряжений от деформаций для стенки кишечника при растяжении, εκ - величина конечной деформации стенки кишечника после удлинения.

Вид кривой σ = σ(ε) определяли по результатам эксперимента. Прочностный критерий сформулировали в следующем виде: максимальное растягивающее напряжение σmax не должно превосходить растягивающее напряжение σр, при котором начинается разрыв стенки кишечника: σmax ≤ σP. Величину напряжения разрыва σр определяли по экспериментальным диаграммам. Максимальное растягивающее напряжение, возникающее в стенке кишечника, определяли в предположении о равномерном распределении напряжений по толщине стенки кишечника в процессе ее растяжения и на достаточном удалении от областей ее фиксации. Так как в процессе раскрытия сила упругости Fупр= kΔl, возникающая в пружине, уменьшается, рассмотрели опасный случай. В этом случае


отсюда определяли верхнюю границу жесткости пружины при заданной величине первоначального сжатия, диаметра и толщины стенки кишечника:

Техника операции

После внутримышечной премедикации золетилом и метидином животных интубировали с последующим проведением искусственной вентиляции легких (ИВЛ) смесью кислорода с изофлюраном на время оперативного вмешательства.

Выполняли верхнесрединную мини-лапаротомию. Выполняли мобилизацию начальных отделов тонкой кишки. На расстоянии около 20 см от связки Трейтца выполняли энтеротомию, через которую в просвет тощей кишки помещали пружины в сжатом виде. На первом этапе эксперимента пружины сжимали вручную и фиксировали под мануальным контролем сжатия (рис. 2, А). На втором этапе пружины в сжатом виде были предварительно помещены в желатиновые капсулы № 13 (рис. 2, Б). Для фиксации пружин выполняли пликирование (зауживание) просвета кишечника по обоим концам сжатой пружины. Плики формировали несколькими узловыми швами рассасывающимися нитями у проксимального и дистального краев пружины. Просвет кишки сужался в среднем на 50% (с 15 до 7,5 мм). Всем животным было имплантировано по 3 пружины последовательно, без нарушения целостности желудочно-кишечного тракта: 2 - проксимальнее энтеротомии, 1 - дистальнее. Расстояние между соседними пружинами составило около 5 см (рис. 2, В).

Рис. 2. Пружины, последовательно имплантированные в просвет тощей кишки: А - под мануальным контролем сжатия; Б - помещенные в желатиновые капсулы (по краям каждой пружины - фиксирующие плики); В - схема расположения пружин в просвете тощей кишки

Fig. 2. Springs continuously implanted into the jejunum: А - using manual compression; В - placed in gelatin capsules (fixating sutures are seen on both sides of each spring); С - arrangement of springs in the lumen of the jejunum

Для радиологического мониторинга процесса дистракции по краям каждой пружины на соответствующих участках брыжейки наносили метки узловыми швами из рентгеноконтрастной нити. Дефект стенки кишки в области энтеротомии ушивали однорядным серозно-мышечно-подслизистым швом.

Послеоперационное наблюдение

В послеоперационном периоде животные получали антибактериальную терапию и адекватное обезболивание. На 1-е сутки после операции возобновлялась энтеральная нагрузка сбалансированными смесями-гидролизатами Pepticate (Nutricia). Животным с долгосрочным периодом послеоперационного наблюдения (на втором этапе эксперимента) расширяли объем питания и рацион с добавлением каш с 7-х суток после операции и постепенным переходом на комбикорм к 14-м суткам.

Радиологический мониторинг

Сразу после имплантации, а также в послеоперационном периоде (на 10, 20 и 30-е сутки после операции) выполняли обзорные радиологические снимки брюшной полости в прямой проекции с целью мониторинга механического удлинения кишечника. Контрастные метки на брыжейке сопоставляли с метками на торцевых витках пружин.

Вывод животных из эксперимента и гистологический анализ

Животных эвтаназировали на 6-е (на первом этапе), 10, 20 и 30-е сутки после операции. При вскрытии брюшной полости визуализировали и мобилизовали сегменты кишки с пружинами, выполняли их резекцию для последующей оценки степени удлинения. После этого сегменты помещали в формалин для последующего гистологического анализа. Производили забор полнослойных фрагментов кишечной стенки в 4 локусах: по обоим краям и из середины каждого сегмента, а также фрагмент интактной тощей кишки (контроль). Фрагменты разрезали и заливали в парафин по стандартным методикам. Срезы окрашивали гематоксилином и эозином, по Маллори (для оценки соединительнотканных волокон), по Романовскому (для уточнения клеточного состава инфильтратов и выявления микроорганизмов). Кроме того, были проведены 2 иммуногистохимические реакции:

SMA - для выявления специфического антигена гладкомышечных клеток и CD34 - для выявления молодых эндотелиальных клеток - оценки неоангиогенеза.

Результаты

Общая выживаемость

На первом этапе эксперимента 2 из 3 свиней погибли на 2-е сутки после операции от перитонита. Третья свинья послеоперационный период перенесла без осложнений, энтеральную нагрузку усваивала практически полностью, отмечались умеренные моторно-эвакуаторные нарушения в виде единичных эпизодов рвоты и жидкого стула.

На втором этапе эксперимента все животные в послеоперационном периоде оставались стабильны, сохраняли массу тела, энтеральную нагрузку усваивали полностью, признаков кишечной непроходимости не было.

Данные радиологического мониторинга

Отдельно взятая пружина из поли-ε-капролактона хорошо контрастируется. На обзорных снимках брюшной полости после хирургической имплантации структура пружины прослеживается с трудом, однако можно выявить соответствие контрастных меток на торцевых витках пружин с метками на участках брыжейки (рис. 3). На отсроченных снимках отмечается хаотичность расположения меток и невозможность их сопоставления ввиду низкой контрастности пружины и суммации изображений.

Рис. 3. Обзорная рентгенограмма брюшной полости в прямой проекции после имплантации пружин

Fig. 3. Plain abdominal  adiograph after spring implantation

Макроскопическая картина

При вскрытии брюшной полости погибших животных отмечались массивный спаечный процесс, множественные перфорации, участки некроза, воспалительные изменения брюшины, мутный выпот. Перфорации наблюдались в местах наибольшего давления краевых витков пружин на кишечную стенку.

У свиней со стабильным послеоперационным периодом отмечали умеренно выраженный спаечный процесс в местах имплантации устройств без признаков воспаления и перфораций. Сегменты тонкой кишки с имплантированными пружинами удлинились с 25 до 60-70 мм, что примерно в 2,6-2,8 раза больше исходной длины. Увеличение длины сегментов отмечалось уже на ранних сроках наблюдения (рис. 4, А). Примечательно, что выраженной разницы в длине сегментов на 10, 20 и 30-е сутки после имплантации не было, однако снижалась степень натяжения тканей в области краевых витков пружин по мере продольного роста кишечной стенки (рис. 4, Б). 2 из 3 пружин у выжившего животного на первом этапе эксперимента частично мигрировали за пределы фиксирующих плик, что было связано с недостаточным зауживанием просвета кишки. Третья пружина находилась в месте имплантации и была надежно фиксирована зауживающими складками. Несмотря на то что исследуемый сегмент к тому моменту уже удлинился как минимум в 2 раза, в области краевых витков пружины отмечалось выраженное натяжение, это говорило о том, что процесс дистракции продолжается.

Рис. 4. Удлинение сегментов тощей кишки в раннем и отсроченном периоде после имплантации: А - удлиненный в 2,0 раза сегмент кишечника после установки пружины жесткостью 27,8 Н/м в рамках первого этапа исследований (6-е сутки после имплантации); Б - удлинение сегмента в 2,5 раза на 20-е сутки после имплантации (натяжение тканей отсутствует)

Fig. 4. Lengthening of jejunal segments in early and late stage after implantation: A - 2-fold lengthening of intestinal segment using a 27.8 N/m spring during short follow-up study (day 6 post-op); B - 2.5-fold lengthening of intestinal segment on day 20 after implantation

На втором этапе эксперимента у животных с длительным послеоперационным периодом (20 и 30-е сутки после имплантации) несколько пружин самопроизвольно эвакуировались с пассажем после 18 сут наблюдения. Тем не менее при вскрытии выяснилось, что длина сегментов, в которых находились эвакуированные пружины, была в 2,5 раза больше исходной. Таким образом, у животных с эффективным действием всех 3 пружин суммарное увеличение длины тонкой кишки достигало 13 см.

Гистологический анализ

На первом этапе эксперимента при исследовании всех фрагментов, относящихся к свиньям 1 и 2, погибших в раннем послеоперационном периоде, во всех слоях стенки опытных сегментов были выявлены признаки механического повреждения и отека. Кроме того, во многих полях зрения отмечали признаки свежего гнойного воспаления, переходящего на серозную оболочку. У третьей, выжившей, особи при сохранении общего строения стенки тонкой кишки во всех исследованных сегментах отмечена выраженная пролиферативная активность в области мышечного слоя и неоангиогенез (рис. 5, А). При окраске срезов по Маллори и иммуногистохимической реакции выявлена пролиферация как фибробластов, синтезирующих коллагеновые волокна, так и гладкомышечных клеток (рис. 5, Б).

Рис. 5. Гистологические изменения на 6-е сутки после операции (свинья 3, первый этап эксперимента): А - умеренный отек, неоангиогенез и пролиферативная активность в среднем слое стенки кишки (окраска гематоксилином и эозином, х100); Б - резко выраженная положительная активность SMA в мышечном слое (иммуногистохимическая реакция, х200)

Fig. 5. Histological findings on day 6 after spring placement (pig 3, 1st stage of the experiment): А - mild enema, neoangiogenesis and proliferative activity in the middle layer of intestinal wall (HE, х100); В - distinct positive SMA activity in the muscle layer (IHC, х200)

На втором этапе эксперимента были выявлены различия гистологической картины стенки тонкой кишки в исследуемых сегментах на 10, 20 и 30-е сутки после операции.

На 10-е сутки отмечали незначительную грануло- и лимфоцитарную инфильтрацию слизистой оболочки, очаговые кровоизлияния. В подслизистом слое наблюдали отек, резко выраженное полнокровие и неоангиогенез, повышенную пролиферативную активность за счет гладкомышечных клеток и фибробластов, в целом преобладала нежная соединительная ткань. Толщина мышечного слоя была практически равна контрольным значениям (187,96±22,8 мкм), однако регулярность волокон была нарушена. В области висцеральной брюшины - полнокровие и активный неоангиогенез.

На 20-е сутки после операции в слизистой оболочке признаки острого воспаления не определялись. Обращало внимание увеличение количества бокаловидных клеток. В подслизистом слое обнаруживали активные пролиферативные изменения и неоангиогенез (рис. 6). В мышечном слое наблюдали неравномерное прокрашивание мышечных волокон и существенную гипертрофию (302,52±24,78 мкм). В висцеральной брюшине сохранялся неоангиогенез.

Рис. 6. Пролиферативные изменения и неоангиогенез в подслизистой оболочке опытного сегмента на 20-е сутки после операции. Окраска по Маллори, ×40

Fig. 6. Proliferative changes and neoangiogenesis in submucosal layer of intestinal segment of day 20 after surgery (Mallory staining, ×40)

На 30-е сутки после операции в слизистой оболочке сохранялось значительное количество бокаловидных клеток (рис. 7, А), усиливались гладкомышечные и стромальные компоненты ворсин (рис. 7, Б). Мышечные слои примерно той же толщины, что и на 20-е сутки (312,77±12,15 мкм), т.е. более чем в 1,5 раза толще контрольных. Сохранялась неравномерная окраска мышечных волокон. Согласно уровню экспрессии CD34, активность неоангиогенеза во всех слоях умеренная.

Рис. 7. Гистологические изменения на 30-е сутки после операции: А (слева) - значительное количество бокаловидных клеток в слизистой оболочке (окраска по методу Романовского, х200); Б (справа) - утолщение гладкомышечных компонентов ворсин (ИГХ реакция на гладкомышечный актин, х200)

Fig. 7. Histological findings on day 30 after surgery: А (left) - a significant number of goblet cells in the mucous membrane (Romanovsky staining, х200); В (right) - thickening of the smooth muscle components of the villi (IHC for smooth muscle actin, х200)

Механические испытания стенки кишечника. Оценка степени удлинения кишечника и допустимой жесткости пружины

На рис. 8 показаны кривые деформирования для образцов кишечника. На исходных кривых деформирования в осях "сила-перемещение" (рис. 8, А) наблюдали области локализации пиковвозрастания-снижения нагрузки (вызванные небольшим проскальзыванием образцов в захватах) с общим положительным трендом. Стрелками показаны области, соответствующие началу разрыва образцов. Напряжение, соответствующее минимальному из этих значений, - σP = 0,3 МПа. Видно, что материал стенки свиного кишечника показывает ярко выраженное нелинейное поведение на широком диапазоне деформаций. Участки кривых, лежащие правее точки начала разрыва, интереса не представляют. Для оценки степени удлинения и допустимой жесткости аппроксимировали исходные кривые в диапазоне деформаций от 0 до 300% полиномиальными зависимостями по методу наименьших квадратов. Получили зависимости, показанные на рис. 8, Б. В эксперименте наблюдали выраженные области натяжения тканей в местах контакта с торцевыми витками, что говорит о концентрации напряжений, которая зависит от многих факторов: от геометрии пружины, пликирования, механических свойств ткани. Из-за вероятности импульсного воздействия резко раскрывшейся пружины на стенку кишечника, приводящего к дополнительным напряжениям и высокому риску разрыва ткани, целесообразно снизить расчетное значение σP= 0,3 МПа в 3-5 раз. Используя полученную величину допускаемого напряжения [σP] = 0,06 МПа, величину диаметра пружины 13 мм, толщину стенки кишечника 0,5 мм и величину первоначального сжатия пружины 50 мм, определили верхнюю границу допустимой жесткости пружины [к]  32 Н/м. На первом этапе эксперимента использовали пружину жесткостью 27,8 Н/м, наблюдали выраженное натяжение в местах контакта краевых витков и стенок кишечника без перфораций. Таким образом, значение жесткости 27,8 Н/м близко к критическому, при превышении которого возможны негативные последствия.

Рис. 8. Кривые деформирования образцов свиного кишечника шириной 20 мм (красная кривая) и 16 мм (черная кривая): А - слева; Б - справа

Fig. 8. Deformation curves of specimens of porcine intestines with a width of 20 mm (red curve) and 16 mm (black curve): А - left; В - right

Используя энергетический критерий, оценили степень удлинения стенки кишечника с использованием экспериментальных данных. Полагали k=27,8 Н/м, Δl=50 мм, D=13 мм, t=0,5 мм, l0=25 мм. Использовали зависимость σ=σ(ε), для которой определили напряжение начала разрыва. Решали полученное уравнение относительно параметра удлинения lÊ численно и получили значение - 22,9 мм. Тогда суммарное изменение длины определили как L=l0 + lÊ=47,9 мм. Экспериментальное значение составило около 45 мм. Погрешность по данным расчета составила 6,4%. Следует отметить, что для получения более точной аналитической модели и привлечения компьютерного моделирования (для более точного моделирования процесса дистракционного энтерогенеза, оценки напряжений в областях контакта торцевых витков и стенок кишечника) необходимо больше экспериментальных данных, так как вариабельность механических свойств кишечника очень высока.

Обсуждение

В результате проведенных экспериментов нам удалось выяснить, что использование биодеградируемых пружин из поли-ε-капролактона действительно приводит к удлинению сегментов кишечника не за счет эластичности кишечной стенки, а за счет активной пролиферации ее слоев. Одновременная имплантация нескольких пружин позволяет добиться большей суммарной длины тонкой кишки. Среди выживших животных ни сами пружины, ни фиксирующие плики не создавали проблем для пассажа и не вызывали явлений кишечной непроходимости. Все животные продолжали набирать массу и усваивать энтеральную нагрузку, начиная с жидкой диеты сбалансированными смесями с постепенным добавлением густого компонента (каш) и последующим переходом на комбикорм. Гистологический анализ показал общую динамику изменений, наблюдаемую в процессе дистракционного энтерогенеза на разных сроках после имплантации пружин. Начальные этапы дистракции характеризовались развитием умеренного острого воспаления в слизистой оболочке, подслизистом и мышечном слоях, при этом одновременно начиналась их активная пролиферация, ремоделирование мышечных волокон, запускался неоангиогенез. На более поздних сроках явления воспаления стихали, превалировали процессы пролиферации слоев, увеличивалось количество бокаловидных клеток, утолщались ворсины, происходила гипертрофия мышечной оболочки, усиливался неоангиогенез. Выраженных различий в гистологической картине между средне- (20 сут) и долгосрочным (30 сут) послеоперационным наблюдением не было.

Ранние хирургические осложнения на первом этапе эксперимента, приведшие к гибели 2 особей, были обусловлены высокой травматизацией кишечной стенки во время фиксации пружин. При отсутствии желатиновых капсул, сохраняющих пружину в сжатом виде и позволяющих проводить манипуляции без риска их расправления, приходилось сжимать пружины вручную через кишечную стенку, что создавало избыточное натяжение при формировании фиксирующих плик. Впоследствии это привело к перфорациям и перитониту.

Фиксация пружин - это один из самых важных этапов имплантации. При недостаточном зауживании просвета кишечника пружины могут частично или полностью мигрировать из места их установки, что наблюдалось в нескольких случаях в данной работе. При зауживании просвета кишки необходимо обеспечить надежную фиксацию пружины с двух сторон, при этом не создавая предпосылок к кишечной непроходимости. В работе G. Dubrovsky и соавт., описывающей различные варианты фиксации пружин, утверждается, что зауживание просвета кишечника менее чем на 50% исходного диаметра приводит к преждевременному расправлению пружины, ее частичной или полной миграции, а также способствует лишь минимальному удлинению сегмента тонкой кишки [29].

Выбор жесткости пружины не менее важен. Согласно данным J.D. Rouch и соавт., механические параметры пружины выбирают с учетом площади поперечного сечения кишки, массы объекта, а также длины расправления пружины; они могут быть экстраполированы на объекты разного калибра [25]. Мы выбрали ряд жесткостей от 8 до 27 Н/м, чтобы определить оптимальное, безопасное и эффективное значение, которое приводит к достаточному удлинению и не вызывает осложнений.

Несмотря на то что использование пружины максимальной жесткости не привело к перфорации, в месте ее имплантации отмечалось выраженное натяжение кишечной стенки. В то же время при использовании более мягких пружин натяжение было менее выражено, а конечная степень удлинения - идентичной. Пружины с наименьшей жесткостью привели к менее выраженному удлинению (в среднем от 1,5 до 2 раз от исходной длины сегмента) и не во всех случаях расправились до исходного состояния, потеряв свое стимулирующее воздействие на пролиферативную активность кишечной стенки.

Таким образом, по нашему мнению, для данной экспериментальной модели оптимальная жесткость ~15 Н/м. Тем не менее в клинической практике наблюдается высокая вариабельность механических свойств кишечной стенки пациентов, особенно у детей разных возрастов с различной пострезекционной анатомией, выраженностью воспаления, толщиной кишки. Это требует более персонифицированного подбора механических свойств удлиняющего устройства.

H.S. Hosseini и соавт. разработали компьютерную модель, с помощью которой можно достаточно точно рассчитать необходимые параметры удлиняющего устройства, ссылаясь на те же самые показатели (площадь поперечного сечения и масса), дополнительно учитывая толщину кишечной стенки [30]. При внедрении дистракционного энтерогенеза в клиническую практику выбор пружин с оптимальными механических параметрами можно будет делать интраоперационно из нескольких вариантов, с учетом особенностей и макроскопического состояния кишечника конкретного пациента.

Еще одна проблема данного исследования - неинформативность радиологического мониторинга, что не позволило наблюдать за эффективностью и последовательностью процесса дистракции. До сих пор открыт вопрос технологии контрастного усиления пружины из поли-ε-капролактона для ее более четкой визуализации на разных сроках после имплантации. Данная проблема отсутствует при использовании нитиноловых пружин [29].

Экстракция пружин по окончании дистракции также является предметом дискуссии. Использование биодеградируемых пружин не требует их специального извлечения, так как впоследствии они фрагментируются и подвергаются резорбции. В то же время формирование фиксирующих плик с помощью рассасывающегося шовного материала способствует последующей самостоятельной экстракции пружин с естественным пассажем по кишечнику, что позволяет применять устройства не из биоразлагаемых материалов.

До сих пор большинство экспериментальных работ с дистракционным энтерогенезом проводились на моделях здоровых животных без СКК. Моделирование СКК с целью тестирования устройств для механического удлинения может открыть новые нюансы на пути внедрения этой концепции в клиническую практику.

Заключение

Описанные пилотные эксперименты позволяют говорить об эффективности концепции дистракционного энтерогенеза, что соответствует зарубежным данным. Описанное устройство и методика имплантации максимально приближены к возможному использованию в клинической практике. Тем не менее требуется проведение дополнительных, более систематических экспериментов с большей выборкой и полноценными статистическими группами для более точного расчета механических параметров пружин с учетом индивидуальных особенностей объекта, а также более детального изучения изменений, происходящих в стенке кишечника на разных сроках дистракции.

Благодарности

Авторы выражают благодарность И.Х. Исмагилову и Л.А. Фомину за финансовую помощь в проведении исследования, С.В. Крашенинникову - за проведение испытаний механических характеристик стенки кишечника.

Литература

1.    Neumann C.G. The expansion of an area of skin by progressive distention of a subcutaneous balloon: use of the method for securing skin for subtotal reconstruction of the ear // Plast. Reconstr. Surg. 1957. Vol. 19. P. 124-130.

2.    Ilizarov G.A. Clinical application of the tension-stress effect for limb lengthening // Clin. Orthop. 1990. Vol. 250. P. 8-26.

3.    Pironi L. Definitions of intestinal failure and the short bowel syndrome // Best Pract. Res. Clin. Gastroenterol. 2016. Vol. 30, N 2. P. 173-185.

4.    Thompson J.S., Rochling F.A., Weseman R.A. et al. Current management of short bowel syndrome // Curr. Probl. Surg. 2012. Vol. 49, N 2. P. 52-115. DOI: https://doi.org/10.1067/j.cpsurg.2011.10.002.

5. Wales P.W., Allen N., Worthington P., George D., Compher C., Teitelbaum D.; American Society for Parenteral and Enteral Nutrition. A.S.P.E.N. clinical guidelines: support of pediatric patients with intestinal failure at risk of parenteral nutrition-associated liver disease // JPEN J. Parenter. Enteral Nutr. 2014. Vol. 38, N 5. P. 538-557. DOI: https://doi.org/10.1177/0148607114527772

6.    Duggan C.P., Jaksic T. Pediatric intestinal failure // N. Engl. J. Med. 2017. Vol. 377, N 7. P. 666-675.

7.    Bianchi A. Intestinal loop lengthening - a technique for increasing small intestinal length // J. Pediatr. Surg. 1980. Vol. 15, N 2. P. 145-151.

8.    Kim H.B., Fauza D., Garza J. et al. Serial transverse enteroplasty (STEP): a novel bowel lengthening procedure // J. Pediatr. Surg. 2003. Vol. 38. P. 425-429.

9.    Coletta R., Aldeiri B., Morabito A. Institutional experience with spiral intestinal lengthening and tailoring // Eur. J. Pediatr. Surg. 2019. Vol. 29, N 5. P. 412-416. DOI: https://doi.org/10.1055/s-0038-1660850

10.    Lauro A., Coletta R., Morabito A. Restoring gut physiology in short bowel patients: from bench to clinical application of autologous intestinal reconstructive procedures // Expert Rev. Gastroenterol. Hepatol. 2019. Vol. 13, N 8. P. 785-796. DOI: https://doi.org/10.1080/17474124.2019.1640600

11.    Аверьянова Ю.В., Разумовский А.Ю., Макаров С.П., Петров Д.А., Брюсов Г.П., Кочкин В.С. и др. Современная стратегия лечения детей с синдромом короткой кишки: 12-летний опыт // Анестезиология и реаниматология. 2018. № 6. С. 67-74. DOI: https://doi.org/10.17116/anesthesiology201806167

12.    Abi Nader E., Lambe C., Talbotec C., Pigneur B., Lacaille F., Garnier-Lengline H. et al. Outcome of home parenteral nutrition in 251 children over a 14-y period: report of a single center // Am. J. Clin. Nutr. 2016. Vol. 103. P. 1327-1336.

13.    Norsa L. et al. Long term outcomes of intestinal rehabilitation in children with neonatal very short bowel syndrome: parenteral nutrition or intestinal transplantation // Clin. Nutr. 2019. Vol. 38, N 2. P. 926933.

14.    Abu-Elmagd K.M. et al. Long-term survival, nutritional autonomy and quality of life after intestinal and multivisceral transplantation // Ann. Surg. 2012. Vol. 256, N 3. P. 494-508.

15.    Spencer A.U. et al. Pediatric short bowel syndrome: redefining predictors of success // Ann. Surg. 2005. Vol. 242, N 3. P. 403-409.

16.    Jones B.A., Hull M.A., Potanos K.M. et al. Report of 111 consecutive patients enrolled in the international serial transverse enteroplasty (STEP) data registry: a retrospective observational study // J. Am. Coll. Surg. 2013. Vol. 216. P. 438-446.

17.    Safford S., Freemerman A., Safford K., Bentley R., Skinner M. Longitudinal mechanical tension induces growth in the small bowel of juvenile rats // Gut. 2005. Vol. 54. P. 1085-1090.

18.    Luntz J., Brei D., Teitelbaum D., Spencer A. Mechanical extension implants for short-bowel syndrome // Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 2006. Vol. 6173. P. 1-24.

19.    Okawada M., Mustafa Maria H., Teitelbaum D.H. Distraction induced enterogenesis: a unique mouse model using polyethylene glycol // J. Surg. Res. 2011. Vol. 170. P. 41.

20.    Fisher J.G. et al. Extraluminal distraction enterogenesis using shape-memory polymer // J. Pediatr. Surg. 2015. Vol. 50, N 6. P. 938-942.

21.    Koga H., Sun X., Yang H., Nose K., Somara S., Bitar K.N. et al. Distraction-induced intestinal enterogenesis: preservation of intestinal function and lengthening after reimplantation into normal jejunum // Ann. Surg. 2012. Vol. 255, N 2. P. 302-310.

22.    Sueyoshi R., Woods Ignatoski K.M., Okawada M., Teitelbaum D.H. Distraction-induced intestinal growth: the role of mechanotransduction mechanisms in a mouse model of short bowel syndrome // Tissue Eng. Part A. 2014. Vol. 20, N 3-4. P. 830-841.

23.    Hosseini H.S., Wood L.S.Y., Taylor J.S. et al. Biomechanical signaling and collagen fiber reorientation during distraction enterogenesis // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2020. Vol. 101. Article ID 103425. DOI: https://doi.org/10.1016/jjmbbm.2019.103425

24.    Sullins V.F., Wagner J.P., Suwarnasarn A.T. et al. A novel biodegradable device for intestinal lengthening // J. Pediatr. Surg. 2014. Vol. 49. P. 109-113.

25.    Rouch J.D., Huynh N., Scott A. et al. Scalability of an endoluminal spring for distraction enterogenesis // J. Pediatr. Surg. 2016. Vol. 51. P. 1988-1992.

26.    Dubrovsky G., Huynh N., Thomas A.L., Shek-herdimian S., Dunn J.C. Intestinal lengthening via multiple in-continuity springs // J. Pediatr. Surg. 2019. Vol. 54, N 1. P. 39-43.

27.    Woodruff M.A., Hutmacher D.W. The return of a forgotten polymer - polycaprolactone in the 21st century // Prog. Polym. Sci. 2010. Vol. 35. P. 1217-1256. DOI: https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2010.04.002

28.    Morokov E.S., Demina V.A., Sedush N.G., Kalinin K.T., Khramtsova E.A., Dmitryakov P.V. et al. Noninvasive high-frequency acoustic microscopy for 3D visualization of microstructure and estimation of elastic properties during hydrolytic degradation of lactide and s-caprolactone polymers // Acta Biomater. 2020. Vol. 109. P. 61-72. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.04.011

29.    Dubrovsky G., Taylor J.S., Thomas A.-L. et al. Optimization of in-continuity spring-mediated intestinal lengthening // J. Pediatr. Surg. 2020. Vol. 55, N 1. P. 158-163. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpedsurg.2019.09.072

30.    Hosseini H.S., Taylor J.S., Wood L.S.Y., Dunn J.C.Y. Biomechanics of small intestine during distraction enter-ogenesis with an intraluminal spring // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2020. Vol. 101. Article ID 103413. DOI: https://doi.org/10.1016/jjmbbm.2019.103413

ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
Дземешкевич Сергей Леонидович
Доктор медицинских наук, профессор (Москва, Россия)
Медицина сегодня
Конференция "Неотложные состояния в акушерстве"

Две профессии - сотни жизней Приглашаем Вас принять участие в работе V всероссийской научно-практической конференции "Неотложные состояния в акушерстве", которая состоится 26-27 апреля 2021 года под эгидой ФГБУ "Национальный медицинский исследовательский центр акушерства,...

Современные технологии лечения витреоретинальной патологии

18-я Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием "Современные технологии лечения витреоретинальной патологии" 25-26 июня 2021 года Наука и практика офтальмологии сегодня развиваются стремительно. Появляются новые публикации, меняются подходы к...

IV Севастопольские онкологические чтения

Научно-практическая конференция "IV Севастопольские онкологические чтения" 1-2 апреля 2021 года Онкологические болезни остаются одной из наиболее актуальных проблем в медицинской науке. Множество исследований посвящено борьбе с ними и непрерывно ведется поиск более...


Журналы «ГЭОТАР-Медиа»