За последние десятилетия мы стали свидетелями стремительного развития медицинских технологий. Корень мандрагоры в качестве анестезии или трепанация черепа для выведения зла из организма уже давно ушли в прошлое и стали не более чем страшилками для студентов-медиков. Однако, несмотря на весь этот прогресс, подавляющее большинство инвазивных методов лечения сопряжено с послеоперационным наложением швов на участок, где проводился надрез. В современной медицине имеется множество разновидностей шовного материала: нерассасывающиеся нити (полиэстеры, полипропилены и т.д.), рассасывающиеся нити (шелк, капрон и т.д.) и даже стальные скобы. Однако, какой бы из материалов не использовался, наложение швов связано с определенными рисками для здоровья пациента, особенно если шов расположен на внутренних органах. Группа ученых из Массачусетского технологического института (США) предложили альтернативу швам в виде разработанного ими же хирургического пластыря. Из чего сделан пластырь, как он показал себя по сравнению с классическими швами, и сможет ли он их полностью заменить? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Для своего исследования и для практических экспериментов ученые решили сосредоточиться на дефектах желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), неудачное хирургическое лечение которых может привести к «пробоинам» в анастомозе*. Для пациента подобный «брак» швов может привести к серьезным негативным последствиям для здоровья и даже к смерти.
Анастомоз* (в хирургии) — создание сообщения между сосудами, органами или полостями посредством оперативного вмешательства.
Несмотря на риски, хирургическое закрытие и восстановление дефектов желудочно-кишечного тракта обычно достигается именно посредством швов и ручного их наложения. К сожалению, примерно 20% пациентов после подобных операций сталкиваются с нарушением целостности анастомозов в той или иной степени тяжести.
Причин, по которым шов может повредиться, достаточно много, но медики выделят три основных:
- сложность процесса наложения шва, требующая высокого мастерства;
- повреждение тканей из-за прокола иглой;
- точечное закрытие, приводящее к концентрации напряжения вокруг точек шва (1А).
Изображение №1
Последнее время в хирургии внутренних органов (в том числе и ЖКТ) все чаще начали применять хирургические степлеры и скобы вместо игл и нитей. Однако эта методика сопряжена с теми же проблемами и ограничениями, что были перечислены выше.
Еще более нестандартным методом является применение адгезивных материалов и герметиков. Тем не менее, существующие клеи и герметики в основном используются в виде вязких жидкостей, которые требуют диффузионного взаимопроникновения в ткани и/или затвердевания в результате химической реакции или внешних раздражителей (например, ультрафиолетовое излучение). Эти особенности приводят к ряду ограничений: меленная и/или слабая герметизация тканей, необходимость использовать внешнее устройство (источник УФ-излучения) и сложный процесс подготовки вещества.
Недавно были разработаны биоадгезивы, обеспечивающие быструю и/или прочную адгезию с влажными тканями. Однако используемые материалы и лежащие в их основе механизмы герметизации недостаточно оптимизированы для таких сложных процедур, как восстановление дефектов желудочно-кишечного тракта.
Другими словами, тема эффективного и безопасного устранения дефектов ЖКТ остается открытой. Посему авторы рассматриваемого нами сегодня исследования и предприняли попытку решить проблему швов посредством разработанного ими хирургического «пластыря» (1B), который они назвали GI-patch (ЖКТ-пластырь).
Структура ЖКТ-пластыря
ЖКТ-пластырь представляет собой тонкую, гибкую и прозрачную повязку, состоящую из неадгезивного верхнего слоя и сухого биоадгезивного нижнего слоя (1C). Поверх верхнего слоя может дополнительно накладываться дополнительный наружный слой, способный в определенных условиях улучшить работу ЖКТ-пластыря (1C и 1D).
Неадгезивный верхний слой состоит из гидрофильного полиуретана для обеспечения гидрофильного и неадгезивного контакта с окружающими тканями, при этом обеспечивая биосовместимость и механическую прочность ЖКТ-пластыря.
Сухой биоадгезивный слой состоит из взаимопроникающих сетей ковалентно-сшитого эфира полиакриловой кислоты (PAA-NHS от polyacrylic acid—N-hydroxysuccinimide) для биоадгезии и физически сшитого поливинилового спирта (PVA от polyvinyl alcohol) для механического усиления (1E и 1F). Биоадгезив может быстро и прочно прилипать к влажным тканям ЖКТ за счет механизма сухого сшивания*.
Сшивание* — связь или короткая последовательность связей, соединяющая одну полимерную цепь с другой.
Если коротко, то гидрофильные и гигроскопичные PAA-NHS и PVA в сухом биоадгезивном слое позволяют абсорбировать и очищать межфазную воду на влажных тканях ЖКТ при контакте (1Е). Впоследствии группы карбоновой кислоты и сложноэфирные группы NHS в PAA-NHS способствуют быстрой и прочной адгезии к поверхности тканей ЖКТ на основе физического сшивания посредством водородных связей (1G) и ковалентного сшивания с помощью имидных связей (1H).
Полученный ЖКТ-пластырь достаточно гибкий и не требует предварительной подготовки или же дополнительных устройств для его нанесения (как, например, УФ-излучение для жидкостных адгезивов).
После прикрепления к тканям и закрытия дефектов ЖКТ-пластырь дополнительно гидратируется и набухает во влажной физиологической среде. Из-за этого он становится мягким (модуль Юнга 135 кПа), растяжимым (в 5 раз больше от исходной длины) и прочным (вязкость разрушения* 758 Дж/м2) гидрогелем.
Вязкость разрушения* — сопротивление материала распространению трещин.
Стоит отметить, что латеральные (боковые) изменения размеров (т. е. в длину и ширину) ЖКТ-пластыря, вызванные набуханием, были устранены за счет предварительной деформации сухого биоадгезивного слоя, эквивалентной коэффициенту его набухания. Эта особенность крайне важна, так как предотвращает отделение краев раны друг от друга, что приводит к более длительному заживлению.
Чтобы свести к минимуму механическое несоответствие ЖКТ-пластыря с тканями ЖКТ, модуль Юнга пластыря был оптимизирован в соответствии с таковым у тканей желудочно-кишечного тракта на основе экспериментально измеренных модулей Юнга в толстой кишке и желудке свиньи.
Опыты показали, что ЖКТ-пластырь сохраняет свои исходные значения модуля Юнга, предельного растяжения и прочности на растяжение в течение месяца после его наложения на рану.
Характеристики ЖКТ-пластыря
Чтобы количественно оценить способность ЖКТ-пластыря формировать быструю и прочную адгезию с тканями ЖКТ, ученые оценили его межфазную прочность, прочность на сдвиг, прочность на растяжение и прочность на разрыв на толстой кишке и желудке свиньи ex vivo (т.е. на органах вне организма).
Изображение №2
Эксперименты показали, что пластырь обеспечивает надежную адгезивную герметизацию тканей уже спустя 5 секунд после его наложения, при этом наблюдается высокая межфазная прочность (более 350 Дж/м2 — толстая кишка; более 500 Дж/м2 — желудок), прочностью на сдвиг (более 65 кПа — толстая кишка; более 80 кПа — желудок) и прочность на растяжение (более 60 кПа — толстая кишка; более 65 кПа — желудок) (2A—2F).
При этом ЖКТ-пластырь показал куда более сильную адгезию по сравнению с различными клеями и герметиками (цианоакрилатный клей, герметик на основе полиэтиленгликоля) как на толстой кишке (2A—2C), так и на желудке (2D—2F).
Далее была проведена оценка герметизации (2G) дефектов толстой кишки и желудка свиньи. Благодаря быстрой и прочной адгезии к тканям желудочно-кишечного тракта пластырь может легко образовывать непроницаемую для жидкости герметизацию дефектов диаметром 5 мм в толстой кишке и желудке менее чем за 10 секунд после наложения.
Кроме того, «заплата», образованная ЖКТ-пластырем, демонстрирует высокое давление разрыва, превышающее 180 мм рт. ст., что значительно превосходит показатели коммерчески доступных клеев/герметиков и классических швов (2H).
На следующем этапе тестирования проверку проходили биосовместимость и биоразлагаемость ЖКТ-пластыря.
Изображение №3
LIVE/DEAD окрашивание клеток эпителия кишечника человека (Caco-2), культивированных в среде с ЖКТ-пластырем в течение 24 часов, показало жизнеспособность клеток, сравнимую с клетками в контрольной среде (p = 0.12). А вот инкубация клеток в среде с жидкостным тканевым адгезивом (ТМ Coseal или Histoacryl) показала значительное снижение жизнеспособности клеток (3A).
Биосовместимость ЖКТ-пластыря и комерческих тканевых клеев (Coseal или Histoacryl) сравнивалась на основе in vivo (в живой организм) имплантации в интактную толстую кишку и желудок крысы на 4 недели с последующими гистопатологией, иммунофлуоресценцией и анализами крови (3B—3J).
Гистологическая оценка показала что ЖКТ-пластырь вызывает минимальное воспаление подлежащих и окружающих тканей или вообще не вызывает его (3F и 3G), что сравнимо с таковым в группе «Coseal» (3B и 3C). Напротив, цианоакрилатный клей (Histoacryl) показал более низкую биосовместимость (были следы воспаления и фиброза), чем ЖКТ-пластырь и адгезив Coseal (3D и 3E).
Иммунофлуоресцентное окрашивание (3B—3G) и анализ интенсивности иммунофлуоресценции (3H) фибробластов (αSMA), коллагена I, макрофагов (CD68) и Т-клеток (CD3) дополнительно подтвердили, что степень раздражения от ЖКТ-пластыря сопоставима с таковой от адгезива Coseal и значительно ниже, чем от Histoacryl.
Анализ крови особей из всех трех групп не показал заметной системной токсичности в течение 4-недельного периода исследования (3I и 3J).
Оценка биоразлагаемости ЖКТ-пластыря проводилась in vivo на модели подкожной имплантации крысам в течение 12 недель. Гистологическая оценка через 2, 4, 8 и 12 недель после имплантации показала, что пластырь сохраняет свою пленкообразную форму до 4 недель, при этом заметное уменьшение толщины происходит через 8 недель. На 12 неделе наблюдения пластырь показывал значительную фрагментацию и деградацию, подтверждая его биоразлагаемость.
Изображение №4
Далее для подтверждения эффективности бесшовного восстановления дефектов желудочно-кишечного тракта с помощью ЖКТ-пластыря in vivo, ученые провели оценку скорости, надежности и непроницаемости обработанного участка толстой кишки и желудка у крыс. Для сравнения имелась и контрольная группа особей, у которых дефекты ЖКТ исправлялись классическим зашиванием (4А и 4F).
Дефект представлял собой 10-мм надрез на толстой кишке (4B) или желудке (4G), который ЖКТ-пластырь успешно герметизировал менее чем за 10 секунд после наложения без какой-либо дополнительной подготовки.
А вот точечное закрытие тканей швами занимало гораздо больше времени (более 2 минут) и вызывало повреждение тканей в результате пункции (т.е. из-за проколов иглой вдоль шва).
Через 4 недели после операции в обеих группах (ЖКТ-пластырь и швы) наблюдалось заживление без макроскопических признаков дефектов. ЖКТ-пластырь сохранял прочную адгезию на протяжении всего времени наблюдений (4С и 4Н).
Гистологическая оценка показала, что дефект, устраненный с помощью ЖК-пластыря, заживал с минимальным образованием фиброзной ткани (4E и 4J), тогда как при использовании швов наблюдалось воспаление и фиброз вокруг шва (4D и 4I).
Иммунофлуоресцентное окрашивание (4D, 4E, 4I и 4J) и анализ интенсивности иммунофлуоресценции (4K) для фибробластов (αSMA), коллагена I, макрофагов (CD68) и Т-клеток (CD3) показали, что заживление дефектов, устраненных ЖКТ-пластырем, сравнимы с таковыми, что лечились с помощью швов.
Общий (4L) и биохимический (4M) анализы крови через 4 недели после операции не показали каких-либо отличий между контрольной группой и особями с ЖКТ-пластырем.
Изображение №5
Для дальнейшего подтверждения эффективности ЖКТ-пластыря было принято решение провести аналогичные наблюдения, но на модели свиньи. В этом варианте дефект толстой кишки был представлен смежными пункциями диаметром 5 мм (5А и 5В). В общей сложности 5 особей получили в совокупности десять пункций (т.е. по 2 дефекта на 1 особь).
В отличие от крыс, на свиньях тестировался пластырь как со съемной прокладкой, так и без нее, чтобы оценить какой из вариантов наиболее эффективен (5C).
Обва варианта пластыря смогли создать прочную адгезию и герметизацию уже через 10 секунд после наложения (5D).
Единственным отличием было то, что ЖКТ-пластырь без съемного слоя был более удобен для работы хирургов ввиду его прозрачности, обеспечивающий больший контроль над процессом наложения. Другими словами, врачу было лучше видно, куда именно необходимо наложить пластырь, так как он был прозрачен.
Стоит отметить, что дефекты кишки (пункции в 5 мм) у свиней считаются потенциально летальным повреждением. Тем не менее после операции и наложения ЖКТ-пластыря все особи не просто выжили, а и показали быстрое выздоровление (нормальное питание и нормальный набор массы тела).
Свиней ежедневно осматривал ветеринар, подтвердивший отсутствие каких-либо признаков аномальных состояний здоровья (например, лихорадки или вялости) или осложнений, связанных с заживлением ран.
Гистологическая оценка восстановленной толстой кишки спустя 4 недели после наложения пластыря показала, что дефекты полностью зажили с фиброзной тканью вокруг них без признаков образования гранулемы или интрамурального абсцесса (5E и 5G). Кроме того, другие органы брюшной полости (печень, селезенка, почки, необработанная толстая кишка) в обеих группах особей были совершенно здоровы без каких-либо признаков воспаления или реакции на инородное тело.
Между пластырями со съемным слоем и без него были отличия. В первом варианте при гистологической оценке наблюдался более выраженный фиброз вокруг дефекта (5E) и повышенная экспрессия коллагена I, Т-клеток (CD3) и макрофагов в иммунофлуоресцентном анализе (5F). Эти же показатели пластырь без съемного слоя были ниже (5G и 5H).
Из этих данных следует, что оба варианта пластыря способны обеспечить прочную адгезию тканей с постоянной герметизацией на протяжении всего периода восстановления. Но вариант без съемного слоя обеспечивает более надежное крепление и гистологически более благоприятный результат. Это может быть связано именно с прозрачностью такого пластыря, что положительно влияет на процесс его наложения хирургом.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые обратили внимание на проблему наложения швов для устранения дефектов внутренних органов. Использование классических швов хоть и дает необходимый результат, но связано с рисками для здоровья пациента в случае их повреждения. В качестве альтернативы ученые предложили разработанный ими пластырь, который накладывается на дефект вместо швов.
Опыты на крысах и свиньях показали, что ЖКТ-пластырь, примененный для устранения дефектов толстой кишки и желудка, полностью справляется с поставленной задачей. При этом не наблюдалось какого-либо негативного влияния на здоровье подопытных, что указывает на полную биосовместимость пластыря. К тому же пластырь биоразлагаем, т.е. не требует дополнительных процедур по его удалению после восстановления, как это часто происходит с классическими швами.
Авторы разработки отмечают, что шанс разрыва шва составляет порядка 20%, что весьма внушительная цифра. В случае применения ЖКТ-пластыря этот риск удается полностью нивелировать за счет прочной и долгой адгезии, а также эффективной герметизации обрабатываемых дефектов.
Вполне очевидно, что такой разработке будут рады не только пациенты, чье здоровье стоит на кону, но и врачи, так как работать с ЖКТ-пластырем намного проще, чем с классическим шовным материалом.
Несмотря на то, что ученым предстоит еще немало работы по совершенствованию их разработки, уже сейчас можно уверенно заявить, что ЖКТ-пластырь обладает колоссальным потенциалом.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
