СПОСОБ СТИМУЛЯЦИИ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТКАНЯХ Российский патент 1997 года по МПК A61B17/225 

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для стимуляции метаболических процессов при ускорении заживления послеоперационных ран, костных переломов, трофических язв, пролежней и т. п.

Известен способ стимуляции метаболических процессов органов и тканей, включающий стимуляцию заживления ран с помощью метилурацила (1). Недостатком способа является то, что он имеет достаточно низкую эффективность при развитии хронического процесса (гнойные раны, пролежни).

Более близким техническим решением из известных к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ стимуляции метаболических процессов в тканях, включающий приложение через поверхность биообъекта к зоне стимуляции волновой нагрузки (2).

В известном способе, реализуемом в стимуляторе типа "Интрафон 1", звуковая волновая нагрузка с длительностью миллисекундного (7,5±10,5 мс) диапазона подводится пачками (длительность пачки 170 230 мс) к зоне стимуляции.

Недостатком данного способа является то, что стимуляция с миллисекундной длительностью импульсов соответствует длинам волн метрового диапазона (или диапазона в десятки сантиметров) и эффективность таких волн с точки зрения воздействия на ткани на клеточном уровне практически сводится к нулю из-за различия в размерах объекта интереса и размерах инициируемого в зоне интереса волнового возмущения.

Соответственно достаточно низкой эффективностью обладает этот способ и применительно к стимуляции клеточного метаболизма тканей.

Доказательством существенности выбора отличительных признаков предлагаемого способа является то, что к зоне интереса подводят ударно-волновую нагрузку импульсами микросекундного диапазона в пределах 3 -20 МПа по амплитуде и в диапазоне 15 -60^o по углу наклона фронта ударно-волнового импульса к оси времени на полумикросекундной развертке, при котором характерные размеры возмущения соответствуют 1-3 мм, и уже возможна активная стимуляция метаболических процессов в тканях и регенерация при заживлениираневых поверхностей. Наиболее эффективно эти процессы происходят при нагрузке близкими к колоколообразным импульсам и с амплитудой сжатия (т. е. положительной фазы импульса) менее 20 МПа. Этот предел подтвержден в эксперименте и доказывается практически по результатам действия аппаратов, в которых ударно-волновые импульсы используются для дробления конкрементов, например, в литотриптере "УРАТ-П", в котором рабочие амплитуды импульсов сжатия составляют 30 80 МПа (3). Эти амплитуды уже могут привести к деструкции тканей в области терапевтического фокуса и не применимы для стимуляции.

Наклон фокуса ударно-волнового импульса в предлагаемом способе варьируют от 15 до 60^o (относительно оси времени на полумикросекундной развертке импульса в координатах амплитуда-время), а нижний предел амплитуды сжатия ударно-волнового импульса создают не меньше, чем на 3 МПа, поскольку при наклонах фронта менее чем 15^o (на полумикросекундной развертке) стимуляционный процесс резко идет на убыль из-за превышения характерных размеров по длине волны импульса, характерных размеров стимуляционной области в зоне интереса и, кроме того, просто недостаточно амплитуды для активации процессов на клеточном уровне. При наклоне, большем 60^o, в ударно-волновом импульсе уже начинают проявляться характеристики с поражающим фактором, поскольку при использовании ударно-волновых импульсов для дробления конкрементов угол наклона фронта к оси времени порядка 70 87^o.

Подачу ударно-волновых импульсов проводят при длительности импульса на полувысоте его амплитуды от 0,6 до 2,0 мкс, потому что при меньших длительностях угол наклона (крутизны фронта) импульса превышает величину в 60^o (на полумикросекундной развертке) и динамика возмущения может способствовать деструкции тканей, и с другой стороны при длительностях, больших 2,0 мкс, уже время существования самого возмущения может привести к деструкции тканей из-за слишком "длительного" (относительно к времени естественного отвода излишней энергии из точки ее поглощения к соседним тканям биообъекта) времени воздействия возмущения. Именно поэтому ударно-волновая нагрузка подводится импульсно.

В целом стимулирующие ударно-волновые импульсы в данном способе стимуляции (по крутизне фронта и амплитуде) не обладают характеристиками ударно-волновых импульсов для литотрипсии (последниеимеют значительную составляющую именно ударной волны) с одной стороны, но и с другой стороны стимулирующие ударно-волновые импульсы нельзя отнести к чисто волновым (звуковым) нагрузкам из-за длительности, амплитуды и формы импульса.

При реализации способа жизнедеятельности органов и тканей биообъекта последний размещают на лежаке (подобном комплексу "УРАТ-П" и аналогичным в "УРАТ-П" способом (за счет перемещения биообъекта или лежака) совмещают зону стимуляции с областью распространения стимулирующего ударно-волнового пучка.

Ударно-волновой пучок инициируют в рефлекторе так же, как и в "УРАТ-П" электрогидравлическим способом и подводят через согласующую среду (вода) к поверхности биообъекта для исключения отражений пучка от кожного покрова биообъекта, т. е. выполняют обычные процедуры подготовки при осуществлении процедуры литотрипсии.

Затем устанавливают амплитуду импульсов сжатия в пределах от 3 до 20 МПа за счет изменения зарядной емкости генератора импульсов, уровня зарядного напряжения и межэлектродного расстояния в подводном разряднике, т.е. известным приемом выполняют мероприятия для осуществления параметров данного способа и проводят серии импульсов (например, от 500 до 3000) за сеанс.

Регулировку наклона фронта импульсов и выбор его в диапазоне 15 60^o осуществляют в зоне интереса конструктивным способом за счет выбора положения разрядника в излучающем пучок рефлекторе. Длительность импульсов регулируют за счет изменения межэлектродного расстояния в подводном разряднике (большее межэлектродное расстояние соответствует большей длительности ударно-волнового импульса), а также за счет изменения емкости генератора импульсов.

Пример 1. Белой беспородной крысе (самцу) массой 260 г под гексенальным наркозом иссекали участок кожи овальной формы размером 1,2х1,0 см на левом боку, такую процедуру выполняли и для контрольной крысы, которую не подвергали ударно-волновой обработке.

Образовавшуюся кожную рану первой подвергали воздействию стимулирующих ударно-волновых импульсов, непосредственно после операции и в дальнейшем с интервалами в 2 3 суток, воздействовали на рану с аналогичными для первого сеанса параметрами импульсов. Всего было проведено 7 сеансов (по 500 импульсов каждый) воздействия при электрогидравлическом инициировании ударно-волновых импульсов и параметрами: зарядное напряжение (U) генератора 14 17 кВ, зарядная емкость (С) генератора 20 нФ, межэлектродное расстояние (l) в подводном разряднике 0,8 мм, амплитуда импульсов 8 МПа, длительность 0,7 мкс.

По мере проведения сеансов отмечали быстрое развитие грануляционной ткани, уменьшение размеров раны и ее полную эпителизацию на 13-е сутки.

Вскрытие животного производили через 7 суток после последнего сеанса воздействия и через 21 сутки после начала операции по иссеканию кожи.

При гистологическом исследовании (для крысы, подвергнутой ударно-волновому воздействию по предлагаемому способу) зажившей раны отмечали разрастание зрелой соединительной ткани в собственно коже и на незначительных участках подкожной жировой клетчатки. В собственной пластинке эпидермиса и подкожной клетчатке отмечается обилие кровеносных сосудов микроциркулярного русла, лимфатикусов и единичных нервных окончаний. Эпидермис был правильно сформирован с обычным расположением клеточных слоев и в него вдавливались хорошо выраженные диаметральные сосочки. При окраске арсеином определялся хорошо выраженный эластичный каркас, соединяющий дерму с базальной мембраной.

При гистологическом исследовании области раны у контрольной крысы (полное заживление раны у нее наступило на 18 сутки) отмечали большую (по сравнению с "обработанным" экземпляром) площадь разрастания грубо волокнистой соединительной ткани как в дерме, так и в подкожной жировой клетчатке, а также меньшую сохранность гладкомышечных волокон дермы.

Пример иллюстрирует, что воздействие по предлагаемому способу способствует ускорению заживления раны и более полной регенерации кожи за счет активации метаболических процессов в тканях.

Пример 2. На белую беспородную крысу (самец) массой 320 г воздействовали на правую почку стимулирующими ударно-волновыми импульсами с параметрами, аналогичными для первого примера.

Провели 7 сеансов воздействия (по 500 импульсов каждый) с интервалом 2-3 суток. Через 7 суток после последнего воздействия и через 21 сутки от первого сеанса, вскрыли животное, удалив почки для гистологического исследования. При проведении последних очевидных альтернативных изменений не было обнаружено. Отмечалась зернистая дистрофия эпителия извитых канальцев, которая по имеющимся в настоящее время представлениям относится к морфологическим признакам функциональной активности нефроцитов.

Кроме того, отмечалось выраженное полнокровие сосудов микроциркулярного русла коркового и мозгового вещества, причем преимущественно расширялись капилляры и артериолы.

Совокупность морфологических изменений свидетельствует о высокой функциональной активности эпителиоцитов извитых канальцев и о повышении интенсивности кровотока через почку. Таким образом, стимулирующее ударно-волновое воздействие не только не оказывает повреждающего действия, но приводит к активации метаболических процессов, связанных с функциональной активностью органа.

Для сравнения предлагаемого способа и отличия стимулирующих ударно-волновых импульсов от ударно-волновых импульсов при дроблении конкрементов приведен следующий пример.

Пример 3. Белой крысе весом 320 г (самец) производили ударно-волновое на правую почку воздействие с параметрами, используемыми при дроблении конкрементов: U= 17-20 кВ, С=60 нФ, l=1,3 мм, P=7 МПа, длительность импульса 0,5 мкс. Произведено 500 импульсов.

Контрольной белой крысе весом 300 г (самец) производили ударно-волновое воздействие на правую почку с параметрами ударно-волнового импульса по предлагаемому способу. Также произведено 500 импульсов.

На следующий день почки обеих крыс удалили и исследовали гистологически.

Пример 4. На белую беспородную крысу (самец) массой 360 г воздействовали на правую почку стимулирующими ударно-волновыми импульсами с параметрами, аналогичными для первого примера. Условия воздействия импульсов были аналогичны тактовым в примере N 2.

Через 7 суток после последнего воздействия и через 21 сутки после начала эксперимента почки были удалены для проведения гистоферментохимического и калориметрического исследования (см. табл. N 1, 2).

На белую беспородную крысу (самец) массой 320 г воздействовали на область правой ягодицы стимулирующими ударно-волновыми импульсами с параметрами, аналогичными для первого примера, и условиями воздействиями, аналогичными для первого примера. В сроки, аналогичные предыдущему эксперименту, осуществили забор поперечно-полосатой мускулатуры из правой ягодичной области для проведения гистоферментохимического и микрокалориметрического исследования.

Гистоферментохимическое исследование проводили для определения активности основных оксидоредуктаз (сукцинадегидрогеназы, лактатдегидрогеназы и НАДФ-диафоразы) по общепринятым методикам. Материал сфокусировали в жидком азоте, ферменты визуализировали с применением нитросинего тетразолия с последующей количественной активности ферментов на приборе ЛЮМАМ-4 м с фотометрической насадкой ФМЭЛ-4А.

Микрокалориметрическое исследование проводили на микрокалориметре типа Тьена-Кальве фирмы "СЕЛЕГРАМ" при соотношении максимальной регистрируемой мощности к минимальной 10 в 6-й степени. Количество выделяемого тепла регистрировалось с пятиминутным интервалом (табл. 2). Эксперимент проводили при 33^oС.

При анализе данных количественной гистоферментохимии (табл. N1) отмечается активация сукцинатдегидрогеназы с одновременным снижением активности лактатдегидрогеназы, что свидетельствует о стимуляции энергетически более обоснованного пути тканевого обмена цикла Кребса с одновременным некоторым снижением активности гликолиза; данная закономерность отмечается как в отношении клеток извитых канальцев почки, так и в отношении рабдомиоцитов поперечно-полосатой мускулатуры. Повышение активности НАДФ-диафоразы в опытной группе животных по сравнению с контрольной свидетельствует (опосредованно) о повышении пластических процессов в тканях, поскольку этот фермент функционально связан с глюкозо 26-фосфат дегидрогеназой основного фермента пентозомонофосфатного шунта.

Динамика теплопродукции изолированных тканей после ударно-волнового воздействия проводилась фактически в условиях тепловой ишемии, что делает результаты исследования еще более информативным. Из таблицы видно, что показатели теплопродукции для обеих видов ткани имеют сходные тенденции к двухфазному разделению: фаза быстрого падения теплопродукции с 15 мин и фаза медленного снижения с 20-й по 60 мин. Первая фаза характеризуется в условиях их деэнергизации до базального уровня. Последующее снижение теплопродукции (вторая фаза) характеризует сохранность пластических процессов. Эти процессы описываются параметрами f₁ и f₂, рассчитывающимися по следующим формулам:

где V₅, V₁₀, V₂₀, V₆₀ скорости теплопродукции на соответствующих минутах: 5, 10, 20 и 60. Суммарное тепловыделение за 60 мин (Е60, см. табл. 2) является показателем общего резерва энергии клетки (в основном гликолиз и частично на первых минутах окислительное фосфорилирование). Данные, приведенные в табл.2, свидетельствуют о достоверно лучшем энергообеспечении ткани в опытной группе животных.

При использовании ударно-волнового воздействия с параметрами для дробления конкрементов отмечали выраженные альтернативные изменения (различные варианты гидропической дистрофии), вплоть до очагов некробиоза в области терапевтического фокуса размером до 0,3 мм.

При использовании предлагаемого способа альтернативных изменений не выявлено, отмечено нокровие сосудов микроциркулярного русла, преимущественно артериального колена.

Предложенный способ стимуляции жизнедеятельности органов и тканей биообъекта обеспечивает ускорение процессов регенерации при заживлении кожной раны, что является демонстрацией стимуляции метаболических процессов в тканях.

Кроме того, в предложенном способе происходит выраженная стимуляция артериального кровотока в почке в сочетании с внутриклеточной гиперплазией митохондрий эпителиоцитов извитых канальцев (проявлением чего является их зернистая дистрофия), это также свидетельствует об активации метаболических процессов способствующих повышению функциональной активности органа.

Использование: в области медицинской техники, предназначен для стимуляции с помощью ударно-волновых импульсов метаболических процессов при ускорении заживления послеоперационных ран, трофических язв, пролежней, стимуляции почечной деятельности. Сущность: cпособ стимуляции метаболических процессов в тканях заключается в подведении через поверхность биообъекта к зоне стимуляции ударно-волновой нагрузки импульсами микросекундного диапазона с амплитудой сжатия 3 - 20 МПа. Угол наклона фронта импульса выбирают в диапазоне 15 - 60^o относительно оси времени в координатах давление - время при полумикросекундном делении развертки измерительного прибора. Подачу ударно-волновых импульсов проводят при длительности импульса на его полувысоте 0,6 - 2,0 мкс, причем больший угол наклона фронта ударно-волнового импульса соответствует верхнему пределу амплитуды сжатия, а меньшая величина амплитуды соответствует большей величине длительности ударно-волнового импульса. Технический результат: достижение активной регенерации заживления кожной раны и активной стимуляции артериального кровотока в почке. 1 з. п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ стимуляции метаболических процессов в тканях, включающий подведение через поверхность биообъекта к зоне стимуляции волновой нагрузки, отличающийся тем, что подводят ударно-волновую нагрузку импульсами микросекундного диапазона в пределах 3 20 МПа по амплитуде и в диапазоне 15 60^o по углу наклона фронта ударно-волнового импульса к оси времени на полумикросекундной развертке. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу ударно-волновых импульсов проводят при длительности импульса на полувысоте амплитуды сжатия 0,6 2,0 мкс, причем больший угол наклона фронта ударно-волнового импульса соответствует верхнему пределу амплитуды сжатия, а меньшая величина амплитуды соответствует большей величине длительности ударно-волнового импульса.