Изучение особенностей ремоделирования костной ткани под действием низкоэнергетической наносекундной лазерной терапии с применением лазерного устройства для роботизированной хирургии в экспериментальном морфометрическом исследовании

Авторы:

Чунихин А.А.,

Базикян Э.А.,

Олег Вадимович Зайратьянц,

Алимова М.Я.

Журнал: Российская стоматология. 2018;11(3):29-34.

DOI: 10.17116/rosstomat20181103129

Прочитано: 1360 раз

Скачать PDF

Резюме

Цель исследования — оценить эффективность влияния низкоэнергетической наносекундной лазерной терапии на ремоделирование костной ткани челюстных костей с помощью морфометрического анализа в экспериментальном исследовании in vivo. Материал и методы. В работе использовали 70 половозрелых крыс-самцов стока Wistar, поделенных поровну на основную и контрольную группы. В обеих группах моделировали перемещение первого моляра с помощью ортодонтической пружины. Основная группа подвергалась лазеротерапии новым лазерно-диодным устройством для роботизированной медицины. Лечение проводили в течение 21 дня с недельным перерывом. В группе контроля дополнительное лечение не применялось. На этапах эксперимента животных выводили с помощью эвтаназии для проведения морфологического и морфометрического анализа. Для морфометрической оценки результатов использовали количественный метод оценки остеокластов в периодонтальной связке на границе с альвеолярной костью и в лакунах резорбции. Результаты. На 3-и сутки наблюдения в основной группе отмечалось расширение и выраженное полнокровие сосудов периодонтальной связки по сравнению с контрольной группой. На 5-е сутки в основной группе достигнута пролиферация мелких сосудов и расширение просвета сосудов в периодонтальной связке и костной ткани альвеолы со стороны давления и растяжения. На 7-е сутки в основной группе увеличилось число остеокластов в обширных участках лакунарной резорбции альвеолярной кости, активация фибробластов, остеобластов и цементобластов с формированием нового цемента корня зуба, в группе контроля такие изменения произошли лишь на 14-е сутки. На 21-е сутки в группе контроля отмечался очаговый отек периодонтальной связки, выраженная диффузная воспалительная инфильтрация лейкоцитами с примесью лимфоцитов и макрофагов, окружающая фрагменты частично резорбированной альвеолярной кости. В основной группе к 21-м суткам наблюдалась морфологическая картина почти завершенного процесса ремоделирования костной ткани без признаков воспаления в тканях пародонта. Результаты морфометрического исследования показали увеличение количества остеокластов в основной группе на разных этапах наблюдения в 1,5—3,3 раза по сравнению с группой контроля. Заключение. В результате экспериментального исследования показана возможность ускорения регенерации костной ткани под действием лазерного излучения с определенными параметрами, что важно для ускорения реабилитации при проведении хирургических вмешательств на челюстных костях.

Ключевые слова

синглетный кислород
лазерное излучение
наносекундный импульсный лазер
ремоделирование костной ткани
роботизированная медицина

Дата публикации: 04.05.2020

Технологии с применением электромагнитных и световых волн широко используются в медицинской практике почти во всех областях медицины благодаря уникальным свойствам лазерного света [1, 2]. Эффекты воздействия лазерного света на организм человека различны и напрямую зависят от параметров излучения — длины волны, мощности, частоты, в зависимости от которых они и определяются как фототермические, фотодинамические и фотохимические. Наибольший интерес вызывают фотохимические процессы, связанные с воздействием лазерного излучения на кислород и воду в тканях, которые обусловливают возможность поглощения фотонов лазерного света как фотоакцепторы [3]. Под действием лазерного света происходит генерация активных форм кислорода — триплетного и синглетного, являющихся сильными окислителями, воздействующими на мембранные структуры клеток [4]. Свободный кислород содержится в тканях в небольших количествах, поэтому фотореакции с генерацией активных его форм приобретают стимулирующую направленность воздействия на объект [5]. Прецизионность действия и способность глубоко проникать в биологические структуры с оказанием сочетанного хирургического и терапевтического воздействия определяет направление поиска оптимальных параметров лазерного излучения. Интерес ученых вызывают методики с применением импульсного излучения, при котором мощность лазерной энергии высока в пике, но сам импульс настолько короткий, что не вызывает биодеструктивного нагрева параллельных структур. Такие возможности открываются при использовании ультракоротких наносекундных импульсов лазерного излучения [6, 7].

В регенеративной медицине использование лазеров нашло широкое применение для стимуляции процессов заживления тканей, ускорения сроков реабилитации [8]. Изучение процессов регуляции ремоделирования костной ткани и возможностей стимуляции репаративного остеогенеза в челюстно-лицевой области имеет важное практическое значение в связи с проведением ортодонтического лечения, лечения болезней пародонта, хирургических вмешательств по реконструкции лицевого скелета и дентальной имплантации [9]. Процесс ремоделирования костной ткани обусловлен многочисленными метаболическими и иммунными факторами. Несомненно, важное значение в репаративном остеогенезе имеют клеточные элементы кости, такие как остеокласты и остеобласты [10]. Вопрос стимуляции репаративного остеогенеза с применением различных физических факторов, в том числе с использованием лазерного излучения, не теряет своей актуальности. Поиск оптимальных параметров лазерного излучения сопряжен с разработкой новых устройств для проведения научных исследований и их применения в медицинской практике. Исследовательской группой кафедры хирургии полости рта МГМСУ им. А.И. Евдокимова разработано такое устройство с основным излучателем с длиной волны, соответствующей максимуму поглощения кислорода в тканях и наносекундной частотой импульсного излучения [11]. Компактные размеры устройства позволяют встроить его в роботический хирургический комплекс, а уникальные характеристики гармоник излучения способствуют повышению точности воздействия при проведении операций с применением роботической хирургии [12].

Лабораторные исследования, проведенные на биохимических средах и биологических жидкостях, показывают высокие возможности комплексного воздействия на ткани с возбуждением стимулирующих эффектов за счет генерации активных форм кислорода [7, 11, 12]. Представляется актуальным изучение возможностей воздействия данного устройства на процессы ремоделирования костной ткани в экспериментальном морфометрическом исследовании in vivo.

Материал и методы

Экспериментальное исследование проводили на половозрелых крысах-самцов стока Wistar. После внутримышечного наркоза моделировали медиальное перемещение первого моляра нижней челюсти с помощью ортодонтической пружины с силой сжатия 40 Н/см² по методике K. Kawasaki, N. Shimizu [13], для чего один конец пружины был закреплен к первому моляру нижней челюсти лигатурной проволокой, другой — к центральному резцу с помощью композиционного материала (рис. 1).

Рис. 1. Схема и клиническая картина наложения пружины для моделирования перемещения первого моляра.

В работе использовали 70 животных, которых разделили на две равные группы (основную и контрольную) по 35 в каждой. После фиксации пружины в основной группе начинали терапию с использованием нового лазерного устройства, разработанного для роботомедицинского многофункционального хирургического лазерного комплекса с сенсорным дисплеем управления на полупроводниковых кристаллах. Данное устройство имеет основной оптический излучатель с длиной волны в инфракрасном диапазоне, соответствующей максимуму поглощения кислорода — 1265—1275 нм, и дополнительный диодный излучатель в красном спектре с длиной волны 660 нм, используемый в качестве пилотного луча. Лечение проводили в течение 7 дней с экспозицией 5 мин со средней мощностью 2±0,06 Вт с медиальной и дистальной стороны первого моляра с вестибулярной и оральной стороны попеременно, совершая круговые движения световодом диаметром 400 мкм вокруг зуба с сохранением фокусного расстояния 1—3 мм. Параметры рассчитали таким образом, чтобы суммарная мощность излучения составляла 200 мДж/см². Далее в лечении был 7-дневный перерыв, затем в течение последующих 7 дней терапия была повторена с теми же параметрами. Для сравнительной оценки с помощью морфометрического анализа на разных этапах лазеротерапии животных в обеих группах выводили из эксперимента на 3, 5, 7, 14 и 21-е сутки. После эвтаназии лабораторных животных для проведения морфологического исследования нижнюю челюсть выделяли и фиксировали в 10% растворе формалина, затем проводили декальцинацию и выделяли фрагмент, включавший первый моляр с отступлением в каждую сторону по 10 мм, фиксировали в парафиновые блоки. Гистологические срезы изготавливали толщиной 3 мкм с окраской гематоксилином и эозином, препараты исследовали и фотографировали на микроскопе Axio Lab. A1 («Carl Zeiss Microscopy», Германия). Морфологическую оценку проводили отдельно для стороны давления (медиальная) и стороны растяжения (дистальная).

Морфометрическую оценку проводили с помощью подсчета количества остеокластов в периодонтальной связке на границе с альвеолярной костью в поле зрения микроскопа в 10 случайным образом отобранных полях зрения, проводили статистическую обработку результатов с расчетом среднего значения и среднеквадратического отклонения (М±σ) с выведением критического уровня достоверности 0,05.

Результаты и обсуждение

Результаты морфологического наблюдения уже на 3-и сутки эксперимента показали значительные отличия в периодонтальной связке в основной группе по сравнению с группой контроля. На данном этапе наблюдения как со стороны давления, так и со стороны растяжения в основной группе отмечалось значительное расширение и выраженное полнокровие сосудов периодонтальной связки по сравнению с контрольной группой, что свидетельствует о развитии реактивного воспаления под действием лазерного излучения, способствующего стимуляции роста сосудов. Это подтверждается и наблюдением на 5-е сутки эксперимента: в основной группе отмечалась существенная пролиферация мелких сосудов и расширение просвета сосудов с обеих сторон наблюдения, выраженный отек периодонтальной связки в основной группе с очаговой воспалительной инфильтрацией лейкоцитами, в то время как в группе сравнения наблюдался очаговый отек и выраженная очагово-диффузная воспалительная инфильтрация лейкоцитами с примесью лимфоцитов и макрофагов. На 7-е сутки в основной группе наблюдалось значительное увеличение числа остеокластов в обширных участках лакунарной резорбции альвеолярной кости, активация фибро-, остео- и цементобластов с формированием нового цемента корня зуба. Впервые такая активация данных клеточных элементов и формирование нового цемента корня зуба в контрольной группе отмечались только на 14-е сутки эксперимента. В то же время в группе сравнения наблюдалась выраженная диффузная воспалительная инфильтрация лейкоцитами с примесью лимфоцитов и макрофагов по сравнению с основной группой, что связано, видимо, с противовоспалительным действием лазерного излучения (рис. 2 а,

Рис. 2. Морфологическая картина области исследования со стороны давления на 14-е сутки эксперимента. а — в основной группе: 1 — периодонтальная связка, 2 — пролиферация мелких сосудов и расширение их просвета в периодонтальной связке, стрелки — значительное увеличение числа остеокластов в участках лакунарной резорбции альвеолярной кости; б — в группе контроля: 1 — периодонтальная связка, 2 — альвеолярная кость, стрелки — остеокласты в участках лакунарной резорбции альвеолярной кости. Отмечается выраженная диффузная воспалительная инфильтрация лейкоцитами с примесью лимфоцитов и макрофагов. Окраска гематоксилином и эозином, ×600.

б). Со стороны растяжения на данном этапе отмечалась активация фибро-, остео- и цементобластов с формированием нового цемента корня зуба в основной группе наблюдения, в то время как в группе сравнения зафиксированы лишь очаги формирования нового цемента (рис. 3 а,

Рис. 3. Морфологическая картина области исследования со стороны растяжения на 14-е сутки эксперимента. а — в основной группе: 1 — корень моляра, 2 — периодонтальная связка, 3 — альвеолярная кость, стрелка — формирование нового цемента корня зуба; б — в группе контроля: 1 — корень моляра, 2 — периодонтальная связка, 3 — альвеолярная кость, стрелка — очаг формирования нового цемента корня зуба. Окраска гематоксилином и эозином, ×400.

б).

На 21-е сутки наблюдения в основной группе со стороны давления отмечалось значительное увеличение числа остеокластов в обширных участках лакунарной резорбции альвеолярной кости по сравнению с группой контроля, отсутствие лимфоцитарной инфильтрации, отсутствие отека. В группе контроля наблюдался очаговый отек периодонтальной связки, выраженная диффузная воспалительная инфильтрация лейкоцитами с примесью лимфоцитов и макрофагов, окружающая фрагменты частично резорбированной альвеолярной кости. Со стороны растяжения на 21-е сутки в основной группе отмечалось формирование новых структур альвеолярной кости, в то время как в группе контроля — лишь очаговое формирование нового цемента корня зуба, но не наблюдалось формирование новых структур альвеолярной кости.

Для подтверждения данных морфологического исследования проводили количественную оценку остеокластов в периодонтальной связке со стороны давления на границе с альвеолярной костью, в том числе в лакунах ее резорбции, в поле зрения микроскопа, вычисляли среднее количество по результатам всех наблюдений с относительным среднеквадратическим отклонением (M±σ). Были получены следующие результаты: в основной группе на 3-и сутки данное значение составило 9,7±3,20, в контрольной группе — 3,7±1,34; на 5-е сутки в группе исследования — 16,2±2,86, в контрольной — 9,3±3,59; на 7-е сутки — 16,4±3,21 и 11,9±1,66, на 14-е сутки — 17,7±3,68 и 12,8±1,93; на 21-е сутки 17,9±3,32 и 13,6±1,78 соответственно при статистически достоверной разнице (р<0,05). Полученные данные представлены в виде диаграммы, из которой видно, что количество остеокластов в периодонтальной связке со стороны давления на границе с альвеолярной костью, в том числе в лакунах ее резорбции, выше на всех этапах наблюдения в основной группе после проведения лазеротерапии (рис. 4).

Рис. 4. Среднее количество остеокластов с расчетом среднеквадратического отклонения (М±σ) на этапах эксперимента в периодонтальной связке со стороны давления на границе с альвеолярной костью.

Результаты морфометрического исследования доказывают, что лазерное излучение с выбранными параметрами способствует стимулированию остеокластогенеза из мезенхимальных стволовых клеток.

Заключение

В экспериментальном исследовании на животных с помощью морфометрического метода и морфометрического анализа доказано, что проведение лазеротерапии с использованием нового лазерного устройства, разработанного на кафедре хирургии полости рта МГМСУ им. А.И. Евдокимова, в том числе для применения в роботизированном мультифункциональном комплексе, способствует ускорению ремоделирования костной ткани челюстных костей. Полученные данные доказали развитие реактивного воспаления на ранних этапах терапии под действием лазерного излучения, что способствует стимуляции пролиферативного роста сосудов в тканях пародонта, остеобластогенеза и остеокластогенеза из мезенхимальных стволовых клеток, что объясняет морфологическую картину более раннего и выраженного формирования новых структур альвеолярной кости и нового цемента корня зуба.

Данные, полученные в исследовании, свидетельствуют о перспективности применения новой методики лазеротерапии в клинической практике с целью ускорения реабилитации пациентов при проведении различных вмешательств в челюстно-лицевой области, связанных с ремоделированием костной ткани.

Применение в эксперименте робототехнического медицинского комплекса тестировалось и апробировалось в рамках субсидии по государственному заданию Министерства здравоохранения РФ 056−00139−16.

Все авторы в равной степени участвовали в подготовке материала.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

*e-mail: docca74@yandex.ru