Список сокращений
ТЧМТ — тяжелая черепно-мозговая травма
ДТЧ — декомпрессивная трепанация черепа
ВЧГ — внутричерепная гипертензия
ШКГ — шкала комы Глазго
Введение
Концепция закрытия посттравматических дефектов черепа основана на восстановлении анатомических соотношений для максимально возможного восстановления функции мозга [1]. Все большую значимость, с точки зрения эффективного восстановительного лечения, приобретает возможность проведения ранней краниопластики [1—3]. Это обусловлено тем, что в условиях обширного дефекта свода черепа развивается патофизиологический синдромокомплекс, который в литературе называют синдромом «трепанированного черепа». Его клинические проявления отличаются полиморфизмом и сопровождаются развитием дополнительных неврологических нарушений, усугубляющих сформировавшийся посттравматический дефицит, что, в свою очередь, может значимо влиять на реабилитационный потенциал пострадавшего [1].
В настоящее время в арсенале нейрохирургов имеется широкий спектр материалов для реконструкции сложных дефектов черепа: PMMA (полиметилметакрилат), HA (гидроксиапатит), TiAlV (титановый сплав), PE (полиэтилен), TCP (трикальцийфосфат), PEEK (полиэфирэфиркетон) и др., но оптимальным материалом для краниопластики остается собственная кость пациента [4—6]. Преимуществами аутотрансплантатов являются полная биологическая совместимость и экономическая доступность.
Особенно актуально использование аутокости для детской категории пострадавших, когда реконструкция осуществляется в условиях растущего черепа. На сегодняшний день нет ни одного пластического материала, отвечающего требованиям для реконструкции черепа у детей до 3 лет, т. е. единственно эффективным материалом для восстановления остается аутокость [7].
С середины прошлого века накоплен очень большой опыт использования аутотрансплантатов для реконструкции дефектов черепа, при этом вопросы консервации и подготовки аутотрансплантата остаются по сей день открытыми. Согласно имеющимся публикациям, применение аутокости сопровождается наибольшим процентом осложнений в виде резорбции и инфекции. Последнее, по данным литературы, достигает 20—50% [4, 6]. В ГБУЗ «Научно-исследовательский институт неотложной детской хирургии и травматологии Департамента здравоохранения Москвы» в 2015 г. был разработан метод хранения и стерилизации аутокости на основе плазменной стерилизации парами перекиси водорода, который получил клиническое применение [8].
Цель исследования — оценить эффективность способа консервирования и подготовки костного аутотрансплантата для закрытия дефектов свода черепа у детей.
Ожидаемый результат — снижение риска инфекционных осложнений после реконструкции гигантских дефектов свода черепа.
Материал и методы
В исследование вошло 79 пациентов в возрасте 10,2±5,5 года, находившиеся на лечении в ГБУЗ «Научно-исследовательский институт неотложной детской хирургии и травматологии Департамента здравоохранения Москвы» с 2015 по 2022 г. с диагнозом тяжелой черепно-мозговой травмы (ТЧМТ). Всем пациентам была выполнена декомпрессивная трепанация черепа в связи с развитием рефрактерной внутричерепной гипертензии (ВЧГ). В 69 случаях произведена лобно-теменно-височная декомпрессивная трепанация черепа (ДТЧ), в 7 — бифронтальная ДТЧ и в 2 наблюдениях — двусторонняя гемикраниэктомия.
Для реконструкции дефекта черепа во всех случаях использована аутокость, предварительно подготовленная согласно разработанному методу хранения и стерилизации. Краниопластика выполнялась через 66,7±34,6 дней после ДТЧ. Минимальное время составило 15 дней, максимальное — 187. Относительным ограничением для раннего закрытия дефекта черепа являлись трофические нарушения мягких тканей свода черепа, соматические заболевания, инфекционно-воспалительные осложнения со стороны центральной нервной системы.
В раннем послеоперационном периоде повторные хирургические вмешательства не производились. Всем больным проводилось компьютерно-томографическое (КТ) исследование до операции и через 6 мес после операции. Катамнестическое наблюдение составило от 1 года до 8 лет.
Распределение пациентов по шкале исходов Глазго (ШИГ) через 1 мес после травмы и через 6 мес после закрытия дефекта представлено на рис. 1.
Рис. 1. Распределение пациентов по шкале исходов Глазго через 1 мес после травмы и 6 мес после закрытия дефекта.
В подавляющем большинстве (77%) пациенты через 1 мес после травмы восстановились до уровня минимального сознания. Через 6 мес на фоне реконструкции дефекта черепа и восстановительного лечения процент больных с хорошим восстановлением увеличился до 52%.
Оценка эффективности метода хранения и подготовки аутотрансплантата включала в себя изучение механических свойств кости после стерилизации, интраоперационный микробиологический мониторинг, частоту встречаемости инфекционно-воспалительных осложнений в раннем послеоперационном периоде, катамнестическое исследование с изучением частоты резорбции.
Метод хранения и подготовки аутотрансплантата
После обработки костного лоскута 3%-ным раствором перекиси водорода аутотрансплантат помещается в специальную упаковку для стерилизации, состоящую из многослойной пленки и нетканого синтетического полотна типа Tyveks, с последующей герметизацией пакета при помощи термозапаивающей машины. В дальнейшем пакет с аутокостью замораживается в воздушной среде при температуре 80 °C. Срок хранения трансплантата до 6 мес. Перед реконструкцией аутотрансплантат размораживают в 3% растворе перекиси водорода, тщательно высушивают, упаковывают в бумажно-пленочный пакет для стерилизации и помещают в стерилизатор STERRAD 100S (Advanced Sterilization Products, США). Принцип работы стерилизатора основан на создании в вакуумной камере с парами перекиси водорода биоцидной плазменной среды. В среднем стандартный цикл стерилизации в стерилизаторе STERRAD 100S занимает менее 55 минут и проходит при низкой температуре, не превышающей 60° (в среднем 56 °C). Стерилизация осуществляется путем диффузии паров перекиси водорода в камеру с последующим электромагнитным возбуждением молекул до состояния низкотемпературной плазмы. Каждая загрузка проходит восемь последовательных стадий: вакуум, инъекция, диффузия, плазма, инъекция, диффузия, плазма, вентиляция. Одной из отличительных особенностей STERRAD является контролируемое дозирование химического стерилянта в каждом цикле низкотемпературной стерилизации. Концентрированная перекись водорода располагается в специальной кассете с 10 ячейками. На один цикл стерилизации расходуется перекись водорода из 2 ячеек, в каждой из которых содержится не менее 1750 мкл 58% пероксида водорода.
Уровень стерильности аутокости контролировался интраоперационным микробиологическим мониторингом с последующей интерпретацией результатов не менее 7—10 дней после взятия материалов на посев.
Оценка влияния стерилизационной обработки на механические свойства костной ткани
Для оценки изменений механических свойств кости после стерилизации изучены свойства костного лоскута трех погибших пациентов с ТЧМТ после ДТЧ в возрасте 7—10 лет до и после стерилизации. Всего было 6 фрагментов костей черепа, по 2 образца для каждого. На рис. 2 представлен общий вид полученных образцов.
Рис. 2. Общий первоначальный вид фрагментов костей свода черепа.
а — после разморозки; б — после стерилизации.
Для исследования костный лоскут нарезали на мелкие фрагменты — по 2 см длиной и 0,5 см шириной каждый (рис. 3). Количество образцов соответственно составило по 20 фрагментов стерилизованных и 5 размороженных.
Рис. 3. Образец костного лоскута после маркировки для последовательной резки.
Наноиндентирование проводили на поверхностях костей с использованием автоматизированного наноиндентора (сканирующие нанотвердометры, микротвердометры NanoScan, тестер нанотвердости модели NanoScan-4D, Троицк, Россия) и 3-стороннего алмазного индентора Berkovich с радиусом наконечника 90 нм. Этот метод лежит в основе международного стандарта определения твердости ISO 14577. В качестве способов приложения механической нагрузки использованы: а) динамическая циклическая нагрузка равномерно распределенным давлением с внутренней стороны сводчато-арочного площадного образца, что моделирует нормальную пульсацию мозга; б) ударное или квазистатическое испытание на изгиб с внешней стороны образца-балки или сводчато-арочного площадного образца, что моделирует нагрузку на свод черепа при травме. Было выбрано механическое испытание по схеме трехточечного изгиба (см. ниже) с построением кривой нагрузки до разрушения с помощью микроиспытательного устройства Deben Microtest 1kN (Deben UK Ltd., Великобритания). Кроме того, проводилось измерение твердости с построением цифрового двойника костной ткани. Построение кривых вдавливания-разгрузки при наноиндентации (метод Оливера—Фарра) с помощью прибора «Наноскан-4Д» осуществлялось в режиме постоянной скорости заглубления индентора Берковича до глубины 5 мкм.
Для механического испытания применялся трехточечный изгиб до разрушения (рис. 4).
Рис. 4. Схема испытания на трехточечный изгиб.
Пересчет нагрузки:
,
,
где σmax — напряжение (МПа); Fmax — усилие (H); L — расстояние между опорами (мм); b — ширина (мм); d — толщина (мм); δ — прогиб в точке C (мм); — эффективный упругий модуль (МПа).
Использовались работа упругой деформации (We) и работа пластической деформации (Wp).
Результаты
В таблице приведены значения механических характеристик разных типов образцов.
Механические свойства образцов, полученные с помощью трехточечного изгиба
| После криогенной консервации | Прочность, МПа | Модуль упругости, МПа |
| Образец 1 | 18,7±3,7 | 894±152 |
| Образец 2 | 22,6±5,1 | 1083±225 |
| Образец 3 | 14,2±3,3 | 818±150 |
| После криогенной консервации и стерилизации | Прочность, МПа | Модуль упругости, МПа |
| Образец 1 | 4,7±0,7 | 180±31 |
| Образец 2 | 4,0±2,7 | 388±82 |
| Образец 3 | 4,6±1,1 | 199±64 |
Сравнение величин модуля упругости и твердости-прочности для наноиндентации и трехточечного изгиба показали, что значения механических характеристик, полученные при испытаниях после стерилизации, снизились.
Согласно полученным результатам, стерилизационная обработка привела к увеличению упругого модуля (не менее 40%). Произошло снижение прочностных свойств матричной и связующей составляющей композитного материала (денатурация коллагена) и повышение объемной доли прочного минерального наполнителя, что проявилось повышением упругого модуля и прочности при испытании на сжатие коллагена.
Таким образом, стерилизация с использованием STERRAD 100S приводит к снижению прочности при растяжении и повышению прочности при сжимающих напряжениях.
Клиническая оценка
Хороший результат хирургического лечения достигнут у 71 пациента. К категории «хороший клинический результат» отнесены больные, у которых на протяжении всего времени наблюдения не зарегистрированы осложнения, связанные с реконструкцией дефекта свода черепа с использованием аутокости (инфекционные осложнения и резорбция аутотрансплантата).
Клинический случай
Ребенок Ю., 8 лет. Упал со второго яруса кровати на пол. При поступлении — ТЧМТ, ШКГ — 7 баллов. В связи с развитием рефрактерной ВЧГ на 6-е сутки выполнена бифронтальная ДТЧ (рис. 5, а). Изъятый фрагмент свода черепа обработан в соответствии с вышеописанной методикой. После стабилизации состояния на 34-е сутки произведена реконструкция свода черепа с использованием аутотрансплантата (рис. 5, б). Аутотрансплантат также подготовлен в соответствии с вышеописанной методикой.
Рис. 5. Пример использования аутотрансплантата у ребенка 8 лет.
а — состояние после бифронтальной декомпрессивной трепанации черепа; б — 6 мес после реконструкции дефекта черепа с использованием аутотрансплантата; в — 28 мес после операции. Регенерация костей свода черепа.
По результатам микробиологического интраоперационного мониторинга роста аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов в исследуемых образцах не обнаружено. Послеоперационный период протекал без особенностей. Через 28 мес на контрольной КТ — удовлетворительное состояние аутотрансплантата (рис. 5, в).
Представленное наблюдение демонстрирует эффективное использование предлагаемого метода подготовки и стерилизации аутокости. Способ прост в использовании, экономичен, доступен, позволяет минимизировать инфекционные осложнения и при минимальных затратах выполнить реконструкцию обширного дефекта черепа в короткие сроки. Катамнестическое исследование показало хороший результат в виде восстановления целостности свода и регенерации костей черепа.
Осложнения
Инфекционные осложнения в раннем послеоперационном периоде зарегистрированы у 2 пациентов. При посеве обнаружен золотистый стафилококк. Аутокость удалена в обоих случаях. Через 4 мес выполнена реконструкция дефекта черепа с использованием индивидуальной титановой пластины. В позднем периоде инфицирование аутотрансплантата зарегистрировано у одного пациента с исходом 3 по ШИГ (психоэмоциональные расстройства) через 3 мес после операции. Возможная причина — экзогенное механическое самоповреждение и инфицирование послеоперационного рубца нормальной микрофлорой кожи человека.
Полная резорбция аутотрансплантата, потребовавшая повторного хирургического лечения — 10,1% (6 случаев). При повторной реконструкции дефекта черепа использовались индивидуальные титановые имплантаты в 4 наблюдениях и индивидуальный имплантат Custombone на основе гидроксиапатита — в 2 наблюдениях.
Обсуждение
Опыт использования аутотрансплантатов для реконструкции дефектов черепа уходит в прошлое столетие. За это время накопился достаточно большой опыт хранения и консервации ауто- и аллокостей. К наиболее распространенным методам относится хранение костного лоскута в подкожно-жировой клетчатке передней брюшной стенки или передненаружной поверхности бедра. Такой метод хранения представляется привлекательным, с точки зрения доступности и экономичности, при этом биологические характеристики и механические свойства кости остаются неизменными. Однако метод имеет существенные недостатки — это резорбция костного лоскута при длительном хранении, образование сером и инфицирование. К этому можно добавить и дополнительную травму мягких тканей [4, 5]. Методы консервации в значительной степени разрабатывались для аллотрансплататов, создавались костные банки. К наиболее распространенным методам относятся слабые растворы формалина, заморозка и т. д. Кроме этого, в литературе есть указания на использование ионизирующего излучения, оксида этилена, тепловой стерилизации, спиртового раствора надуксусной кислоты, озона, микроволнового излучения, химической стерилизации комбинацией асептических растворов и/или антибиотиков для стерилизации аллотрансплантатов [9, 10]. Основной проблемой использования алло- и аутотрансплантатов для реконструкции дефектов свода черепа оставались инфекционные осложнения и высокий процент резорбции.
Предложенный нами метод хранения и подготовки аутотрансплантата включает глубокую заморозку с последующей низкотемпературной стерилизацией парами перекиси водорода.
Впервые исследования по спороцидной активности плазмы паров пероксида водорода были проведены в США в 1986 г. Плазма генерируется в стерилизационной камере с образованием большого количества свободных радикалов с незавершенными электронными орбиталями, которые контактируют с клеточными компонентами (ферментами и нуклеиновыми кислотами) микроорганизмов, окисляя их и прерывая метаболизм [11]. В отличие от газовой стерилизации, остаточные продукты после стерилизации пероксидом водорода — H2O и O2 — не являются токсичными для пациента. Новизна способа заключается в совокупности предлагаемых условий хранения аутотрансплантата и его последующей подготовке к реконструкции.
Стерилизационная обработка аутокости приводит к заметным изменениям механических свойств костной ткани: при ее нагружении в условиях растяжения (как при растяжении, изгибе или ударе) прочность снижается. В то же время при нагружении костной ткани в условиях сжимающих напряжений (как при сжатии, индентации, сверлении и т.п.) прочность, наоборот, возрастает. Такое разнонаправленное изменение механических свойств характерно для композитных материалов с мягкой и податливой матрицей и твердым и жестким наполнителем. Костная ткань как композит коллагенового матрикса и наполнителя из гидроксиапатита полностью соответствует такому описанию, а изученная стерилизация ведет к деградации коллагеновой матрицы. Описанные изменения не нарушают функциональных характеристик, предъявляемых к аутотрансплантату, и позволяют применять его по назначению.
Инфекционные осложнения при использовании алло- и аутотрансплантатов по сегодняшний день являются одной из основных причин сдержанного отношения к их применению. В литературе последних лет процент инфекционных осложнений колеблется от 6,9 до 21% [7, 12, 13]. Современные требования к стерильности биологического костного материала предполагают отсутствие каких-либо микроорганизмов. Эффективность стерилизации оценивается по уровню гарантии стерильности — sterility assurance level (SAL). Этот показатель характеризует частоту инфицированности продукта. Это величина степени вероятности того, что один стерилизованный продукт по отношению к общему количеству может быть инфицирован [14—16]. В настоящее время в FDA (Food and drug Administration) он соответствует 1:1000 (SAL 103). Многие мировые тканевые банки работают по более жестким требованиям — 1:1 000 000 (SAL 106), предложенным AAMI (Association for the Advancement of Medical Instrumentation).
Общий процент осложнений в нашем исследовании составил 14% (9 наблюдений), из которых в 3 имелось инфицирование, что составило 3,7% от общего числа.
Эффективность стерилизации для данного метода обработки аутокости с точки зрения доказательной базы требует дальнейшего изучения. Вместе с тем, полученный результат — снижение процента инфекционных осложнений (3,7%) — позволяет рассматривать этот метод консервации и стерилизации как возможную опцию для хранения и подготовки костного аутотрансплантата для закрытия дефектов черепа у детей после ДТЧ.
Частота резорбции, согласно данным литературы, варьирует от 3 до 23% у взрослых и до 50% у детей [3, 13, 15, 16]. По данным R.D. Martin и соавт., резорбция достигает 66,7% [12]. В одном из последних обзоров 2018 г. процент резорбции составил 16,5% [17]. В наших наблюдениях процент резорбции оказался ниже — 10,1%, что, возможно, связано с изменением механических свойств кости — увеличением прочности в условиях сжимающих напряжений.
Полученные результаты представляются важными, особенно для определенной категории — детей до 5 лет, так как, несмотря на все достижения в технологии производства индивидуальных имплантатов для замещения дефектов сводов черепа, использование последних в этой возрастной группе очень ограничено. Ограничения обусловлены тем, что хирургическое вмешательство предполагается в условиях еще не сформированного, растущего черепа, при которых использование ксенотрансплантатов (полиметилметакрилата, титана, гидроксиапатита и др.) с высокой степенью вероятности может привести к грубым деформациям и нарушениям. С другой стороны, очевидно, что реконструкция обширного дефекта черепа — это хирургический этап реабилитации для маленького пациента, пережившего острую церебральную недостаточность. При таком подходе восстановление анатомической целостности черепа не должно быть отложено во времени, так как от этого зависит дальнейший прогноз и ресурс следующего этапа восстановительного лечения. В этих условиях оптимальным остается реконструктивная хирургия обширного дефекта свода черепа с использованием аутокости. Предлагаемый способ хранения и стерилизации сопровождается низким риском таких осложнений, как инфекция и резорбция.
Выводы
1. Применение низкотемпературной стерилизации (при температуре не более 60° C) парами перекиси водорода до состояния низкотемпературной плазмы в стерилизаторе STERRAD 100S позволяет бережно и надежно стерилизовать кость пациента.
2. Применение плазменной стерилизации парами перекиси водорода изменяет механические свойства кости и приводит к увеличению прочности в условиях сжимающих напряжений и снижению прочности в условиях растяжения.
3. Хранение аутокости при темперуре –80˚C с последующей стерилизацией с использованием низкотемпературной плазмы пероксида водорода может рассматриваться как безопасный и эффективный метод подготовки костного аутотрансплантата для закрытия дефектов черепа у детей после декомпрессивной трепанации черепа.
Участие авторов:
Концепция и дизайн исследования — Семенова Ж.Б., Корсунский А.М.
Сбор и обработка материала — Салимон А.И., Садыкова Ю.А., Мельников А.В., Статик Е.С., Маршинцев А.В.
Статистическая обработка — Лукьянов В.И.
Написание текста — Семенова Ж.Б., Салимон А.И.
Редактирование — Семенова Ж.Б.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Комментарий
Статья посвящена актуальной проблеме аутокраниопластики у детей с обширными посттрепанационными костными дефектами. В настоящее время золотым стандартом краниопластики у детей раннего возраста является использование аутокости. Это обусловлено рядом уникальных свойств аутокости, позволяющих избежать осложнений и нежелательных последствий при аутопластике. Актуальность исследования также связана с увеличением количества выполняемых в клиниках Российской Федерации декомпрессивных краниотомий с применением костно-пластических трепанаций у пациентов детского возраста после тяжелых черепно-мозговых травм, сосудистых нарушений и состояний, сопровождаемых резистентной к терапии внутричерепной гипертензией. Несмотря на бурное развитие технологий, направленных на разработку ксеноматериалов, в настоящее время не существует метода краниопластики, сравнимого по эффективности с аутокостью. Тем не менее остается нерешенной проблема хранения и стерилизации аутокости, ее обработки и подготовки к реимплантации. Известные методы стерилизации, представленные в литературе, сопровождаются высокими цифрами инфекционных осложнений, а также резорбции аутокости. В представленной статье освещен новый метод стерилизации аутокости, хранения и подготовки к реимплантации, основанный на научно обоснованном изобретении авторов, и защищенном патентом. Проведенный анализ отдаленных результатов аутопластики с использованием предложенного метода позволил авторам получить результаты, по осложнениям и нежелательным последствиям выгодно отличающиеся от предложенных методов других научных коллективов. Более того, проведенный материаловедческий анализ по применению стерилизованной кости в низкотемпературной плазменной среде показал сохраняющиеся высокие прочностные характеристики аутокости. Представленный метод стерилизации продемонстрировал высокую эффективность в виде низкой частоты инфекционных осложнений и резорбции аутокости в отдаленном катамнезе.
Л.А. Сатанин (Москва)