Способ увеличения регенерации повреждений гиалинового хряща в области поверхностного дефекта коленного сустава Российский патент 2024 года по МПК A61N5/67 A61B17/00 

Изобретение относится к области медицины, в частности к травматологии и ортопедии, и может быть использовано при малоинвазивном восстановлении дефектов гиалинового хряща коленного сустава.

Для восстановления повреждений поверхности суставного хряща в настоящее время разрабатываются разные перспективные методики. Малоинвазивные процедуры представляют интерес в связи с тем, что они значительно снижают риск при проведении вмешательств и не связаны с длительной госпитализацией пациента, а также эффективны экономически. От повреждений гиалинового хряща в основном страдает именно коленный сустав. В то же время малоинвазивный доступ в область тазобедренного сустава сильного ограничен. Таким образом, в настоящее время активно разрабатываются перспективные методики восстановления повреждённого хряща именно коленного сустава.

Основной целью таких разработок является получение малоинвазивного, простого в применении, экономически обоснованного и в то же время эффективного способа, который приводит к полному или частичному восстановлению повреждённой поверхности гиалинового хряща. Особый интерес представляют те методики, которые не подпадают под жесткие законодательные ограничения и в сжатые сроки могут быть внедрены или транслированы в клиническую практику.

Одним из распространённых методов воздействия на повреждённый гиалиновый хрящ является использование физических факторов, например, электромагнитного излучения. Существуют данные об использования лазерного излучения для восстановления локальных дефектов гиалинового хряща.

Впервые об использовании лазерного излучения для восстановления гиалинового хряща было указано в зарубежной научной литературе в работе Ana Carolina Araruna Alves и соавт., опубликованной в 2013 году, где было доказано увеличение синтеза белков внеклеточного матрикса гиалианового хряща под действием низкоинтенсивного лазерного излучения и [1].

В 2003 году был запатентован способ, в котором для восстановления хряща использовали диодный лазер [2]. В рамках данного способа воздействие направлено на то, чтобы увеличить регенерацию хрящевой ткани за счет неинвазивной биофотомодуляции зоны поражения лазерным излучением. Однако, в данной работе в явном виде не приводятся положительные результаты терапии и не постулируются доказательства влияния лазерного излучения на хондрогенез. Аналогичные результаты были опубликованы в работах [3,4,5], где использовалось лазерное излучение различных длин волн, однако на клеточном и тканевом уровне не было показано положительного влияния данного вида воздействия восстановление гиалинового хряща.

В одной из опубликованных работ [6] была представлена не только потенциальная возможность использования лазерного излучения, но также проведены опыты на клеточных культурах, доказывающие эффективность воздействия такого типа. Однако в этом запатентованном способе не указывались полуколичественные или количественные положительные результаты, а также не приведены доказательства эффективности лазерного воздействия на хондрогенез.

В следующей работе были показаны исчерпывающие доказательства влияния низкоинтенсивного лазерного излучения на пролиферацию клеток, приведено большое количество доказательств на клеточной модели, а также описаны эксперименты с количественной и полуколичественной оценкой [7,8]. Однако в данной работе используют лазерный диод, который не является источником одномодового когерентного излучения.

В двух следующих работах отечественных авторов описывается устройство, принцип действия которого заключается в использовании оптического волновода для малоинвазивного доступа внутрь повреждённых тканей или органов. Указывается длина волны 632,8 нм, из чего следует использование авторами гелий-неонового лазера, а также описаны положительные результаты опытов на животных при восстановления гиалинового хряща. Тем не менее, в указанных работах отсутствует количественная и (или) полуколичественная оценка воздействия на клеточные культуры [9].

В статье Xiaohong Yang с соавторами зафиксировано и обосновано с использованием методов молекулярной биологии положительное влияние когерентного излучения лазера длиной волны 632,8 нм на хондрогенез. Однако нет указаний на клинический опыт и возможность малоинвазивного воздействия с использованием оптических волноводов [10].

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ, описанный в статье M. S. Bozhokin с соавт. работа [11]. В данной работе раскрыто положительное влияние когерентного излучения гелий-неонового лазера на хондрогенез, а именно на увеличение экспрессии основных генов, ответственных за хондрогенез и образование хондроагрегатов. Также приведено сравнение влияния излучения с длиной волны 632,8 нм с действием положительного контроля, а именно рекомбинантного белка TGF-β. Однако, данный способ был описан in vitro, учитывал локальное воздействие на изолированную клеточную культуру, и в работе не описан алгоритм малоинвазивного воздействия на внутреннюю поверхность сустава in vivo, не представлена схематично установка для осуществления терапевтических воздействий на гиалиновый хрящ коленного сустава.

Технической проблемой является разработка разрешенного к применению малоинвазивного способа увеличения регенерации гиалинового хряща в области поверхностного дефекта коленного сустава, лишенного вышеприведенных недостатков.

Технический результат заключается в обеспечении возможности использования волновода для непосредственного малоинвазивного облучения поврежденного участка гиалинового хряща с целью увеличения регенерации гиалинового хряща путём помещения тонкого оптического волновода внутрь суставной сумки.

Технический результат достигается тем, что в способе увеличения регенерации гиалинового хряща в области поверхностного дефекта коленного сустава, в ходе которого осуществляют фотобиомодуляцию ткани гиалинового хряща низкоинтенсивным когерентным излучением длиной волны 632,8 нм, согласно изобретению осуществляют малоинвазивный прокол суставной сумки коленного сустава, затем вставляют одноразовую иглу-кондуктор непосредственно в область повреждения поверхностного слоя гиалинового хряща, после чего в иглу-проводник устанавливают одноразовый оптический световод КИВЛ-01, который соединяют с магистральным световодом для аппаратов типа АЛОК-1, таким образом, чтобы выходящее излучение с торца световода КИВЛ-01 было непосредственно направленно на область повреждения гиалинового слоя коленного сустава, а затем осуществляют фотобиостимуляцию области повреждения с заранее выбранной длительностью, интенсивностью и кратности.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом: к источнику когерентного лазерного излучения длиной волны 632,8 нм подсоединяют магистральный световод, к которому, в свою очередь, подсоединяют одноразовый стерильный световод типа КИВЛ-01. КИВЛ-01 представляет собой медицинское изделие в виде комплекта из одноразового медицинского катетера со вставленным в него световодом. На входе световода установлен коннектор для подсоединения к магистральному световоду или излучающей головки. Облучение in vivo осуществляют введением в область суставной сумки под местной анестезией иглы-кондуктора и фиксацией последнего таким образом, чтобы его выход был направлен на место локального повреждения гиалинового хряща коленного сустава. После этого осуществляется терапевтическое облучение 30-60 минут, выбранной интенсивности и с длиной волны 632,8 нм и мощностью 2-6 мВт и когерентностью излучения для достижения максимального эффекта. Кратность воздействия подбирается индивидуально, в зависимости от площади и глубины (степени) повреждения гиалинового слоя, длительности и мощности облучения и возраста пациента. Затем кондуктор и световод КИВЛ-01 извлекаются из суставной сумки и утилизируются, а область пункции обрабатывается по правилам асептики.

Заявляемое изобретение поясняется примерами.

Пример 1.

Для оценки эффективности заявляемого способа были проведены экспериментальные исследования на лабораторных животных - половозрелых кроликах. Данное животное имеет существенные размеры коленного сустава, позволяет смоделировать повреждение поверхностного слоя гиалинового хряща, осуществить терапевтическое воздействие низкоинтенсивным лазерным излучением и, таким образом, является адекватной моделью для применения данного способа на человеке.

В начале эксперимента животных подготавливали путем иммобилизации коленного сустава в частности и всего животного в общем. Коленный сустав фиксировали в состоянии сгибания и асептировали область будущего малоинвазивного вмешательства. Далее к источнику когерентного излучения лазера подсоединили магистральный световод, к которому подсоединили одноразовый стерильный световод типа КИВЛ-01. Облучение in vivo осуществляли путем введения в область суставной сумки под местным наркозом иглы-кондуктора и фиксацией последнего таким образом, что его выход был направлен на место локального повреждения гиалинового хряща коленного сустава. Затем проводили однократное терапевтическое воздействие когерентным излучением длиной волны 632,8, мощностью 3 мВт и длительностью 45 минут. Схема применения показана на фиг. 1. Далее иглу-кондкутор и световод КИВЛ-01 извлекали из суставной сумки и утилизировали, а область пункции обрабатывали по правилам асептики.

В качестве примера была показана возможность применения данной технологии для восстановления повреждённой поверхности гиалинового хряща у человека, что показано на фиг. 2 и фиг. 3. Ввод иглы-кондуктора осуществляется под местной анастезией на основании результатов МРТ под контролем УЗИ. Мощность когерентного излучения лазера выбирается в диапазоне от 2-6 мВт, время экспозиция (от 10 до 30 минут) и количество процедур (от 10 до 20) подбирается индивидуально в зависимости от степени повреждения гиалинового слоя, глубины повреждения, площади повреждения, возраста больного, уточнённого диагноза и результатов терапии. Разработка детальных характеристик и точных параметров процедуры в зависимости от перечисленных факторов является сложной терапевтической задачей и явно выходит за рамки данного обсуждения.

На фиг. 1 представлена схема применения низкоинтенсивного лазерного излучения длиной волны 632,8 нм, в то числе указаны следующие позиции: коленный сустав 1, низкоинтенсивный когерентный источник излучения 2 (длина волны 632,8 нм), волновод 3 оптический для передачи излучения, стерильный световод 4 (типа КИВЛ - 01), внешняя поверхность 5 сустава, внутренняя поверхность 6.

На фиг. 2,3 представлен пример подсоединения КИВЛ-01 к волноводу и передача излучения когерентного излучения длиной волны 632,8 нм непосредственно на область повреждения гиалинового хряща.

Пример 2.

Для оценки терапевтического воздействия низкоинтенсивного лазерного когерентного воздействия длиной волны 632,8 нм был поставлен эксперимент на культуре мезенхимных стромальных клеток костного мозга половозрелой крысы на 5 пассаже полученные из ЦКП «Коллекция культур клеток позвоночных» ИНЦ РАН. В данном эксперименте было сформировано три группы «Контроль», «Лазер» и «TGF-β3». Во всех группах клеточная культура поддерживалась в стандартных условиях температуре 37°С, в атмосфере 5% СO₂. Смену питательной среды производили каждые три дня. В контрольной группе клеточная культура находилась без дополнительных воздействий. В группе «Лазер» на клеточную культуру накладывали дополнительное когерентное лазерное излучение длиной волны 632,8 нм по схеме 20 минут излучение и 40 минут без излучения. В группе «TGF-3» в питательную среду дополнительно добавляли рекомбинантный белок TGF-3 в концентрации 10 нг\мл. Через 7 и 14 суток после начала эксперимента осуществлялась фотофиксация агрегации клеточной культуры. Было зафиксировано, что в двух экспериментальных группах как применением когерентного низкоинтенсивного лазерного излучения длиной волны 632,8 нм, так и с применением рекомбинантного белка TGF-3, который заведомо положительно влияет на хондрогенез исходя из данных научной литературы, отмечено наличие агрегации клеток, что является одним из свидетельств начинающегося хондрогенеза, что показано на фиг. 4.

На фиг. 4 проиллюстрирована агрегация клеточной культуры при воздействии лазерного излучения длиной волны 632,8 нм и цитокина TGF-3.

Пример 3.

После фотографирования агрегации клеточной культуры, клеточная культура снимались с адгезивного культурального пластика. Далее выделялась тольльная РНК, затем с помощью реакции обратной транскрипции получалась кДНК, а затем ставилась реакция полимеразной цепной реакции в реальном времени с праймерами на ген домашнего хозяйства 18S по которому далее нормировались данные и генам col2a1 и acan. По результатам проведённых экспериментов было выявлено значительное увеличение относительной экспрессии генов col2a1 (примерно в 3 и 14 раз на 7 и 14 сутки) и acan (в 12 раз на 7 сутки и более чем в 60 раз на 14 сутки) - Диаграмма №1. Данный факт свидетельствует о том, что при воздействии низкоинтенсивного лазерного излучения длиной волны 632,8 нм на культуру клеток, в ней значительно увеличивается синтез основных белков внеклеточного матрикса гиалинового хряща.

На фиг. 5 представлена зависимость увеличения относительной экспрессии генов col2a1 (А) и acan (В) на 7 и 14 сутки наблюдения при воздействии низкоинтенсивным лазерным излучением длины волны 632,8 нм.

Список литературы

1. Alves, A.C.A., Albertini, R., dos Santos, S.A. et al. Effect of low-level laser therapy on metalloproteinase MMP-2 and MMP-9 production and percentage of collagen types I and III in a papain cartilage injury model. Lasers Med Sci 29, 911-919 (2014). https://doi.org/10.1007/s10103-013-1427-x

2. The backbone disk correcting therapeutic tool applied photo-chemical treatment (KR200326026Y1).

3. Phototherapy apparatus and method for bone healing, bone growth stimulation, and bone cartilage regeneration (US7513906B2).

4. Collagen Tissue Modification (US20210187165A1).

5. Способ магнитолазерной терапии деформирующего остеоартроза коленного сустава (RU2156148).

6. Method for Inducing In Situ Articular Cartilage Re-Growth Through Chondrocyte Stimulation (US20190126058).

7. Pfander, David, Jörgensen, Björn, Rohde, Ewa, Bindig, Uwe, Müller, Gerhard and Eric Scheller, Eike. "Der Einfluss von Laserlichtbestrahlung niedriger Leistungsdichte auf einen experimentellen Knorpelschaden im Kniegelenk des Kaninchens: eine in vivo-Untersuchung unter Berücksichtigung makroskopischer, histologischer und immunhistochemischer Veränderungen / The influence of laser irradiation of low-power density on an experimental cartilage damage in rabbit knee-joints: an in vivo investigation considering macroscopic, histological and immunohistochemical changes" , vol. 51, no. 3, 2006, pp. 131-138. https://doi.org/10.1515/BMT.2006.022

8. Cartilage-tissue analysis device (US20190343394A1).

9. Способ лечения деформирующего остеоартроза крупных суставов (RU2136249).

10. Yang X, Liu TC, Liu S, Zhu W, Li H, Liang P, Ye S and Cui S (2020) Promoted Viability and Differentiated Phenotype of Cultured Chondrocytes With Low Level Laser Irradiation Potentiate Efficacious Cells for Therapeutics. Front. Bioeng. Biotechnol. 8:468. doi: 10.3389/fbioe.2020.00468

11. Bozhokin, M.S., Vcherashnii, D.B., Yastrebov, S.G. et al. Low-intensity photobiomodulation at 632.8 nm increases tgf3, col2a1, and sox9 gene expression in rat bone marrow mesenchymal stem cells in vitro. Lasers Med Sci 37, 435-441 (2022). https://doi.org/10.1007/s10103-021-03279-0/

Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, и может быть использовано для увеличения регенерации гиалинового хряща в области дефекта коленного сустава. Осуществляют фотобиомодуляцию пролиферации хрящевой ткани низкоинтенсивным когерентным излучением длиной волны 632,8 нм. Осуществляют разрез суставной сумки коленного сустава. Вставляют одноразовую иглу-кондуктор к области повреждения гиалинового хряща. В иглу-кондуктор устанавливают одноразовый оптический световод КИВЛ-01, который соединяют с магистральным световодом аппарата АЛОК-1 таким образом, чтобы выходящее излучение с торца световода КИВЛ-01 было направленно на область повреждения гиалинового хряща. Проводят облучение мощностью 2-6 мВт, продолжительностью 10-30 минут, в количестве от 10 до 20 процедур. Способ обеспечивает увеличение регенерации гиалинового хряща в области поверхностного дефекта коленного сустава за счет использования волновода для непосредственного малоинвазивного облучения поврежденного участка гиалинового хряща. 5 ил., 3 пр.

Способ увеличения регенерации гиалинового хряща в области дефекта коленного сустава, в ходе которого осуществляют фотобиомодуляцию пролиферации хрящевой ткани низкоинтенсивным когерентным излучением длиной волны 632,8 нм, отличающийся тем, что осуществляют разрез суставной сумки коленного сустава, затем вставляют одноразовую иглу-кондуктор к области повреждения гиалинового хряща, после чего в иглу-кондуктор устанавливают одноразовый оптический световод КИВЛ-01, который соединяют с магистральным световодом аппарата АЛОК-1 таким образом, чтобы выходящее излучение с торца световода КИВЛ-01 было направленно на область повреждения гиалинового хряща; проводят облучение мощностью 2-6 мВт, продолжительностью 10-30 минут, в количестве от 10 до 20 процедур.