Электрическая стимуляция при заживлении переломов кости

Исходя из того, что костная ткань демонстрирует электрические потенциалы как в нормальных и патологических состояниях, электрическая стимуляция была использована, чтобы вызвать остеогенез в клинических исследованиях с 1812 года, когда успешное лечение несрастания большеберцовой кости на постоянном токе было задокументировано.

Особенно после открытия электромеханических свойств кости в 1950-х развитие этого метода лечения в качестве вспомогательного средства к костному заживлению было ускорено как теоретическими, так и экспериментальными методами. С тех пор были разработаны три основных метода электрического воздействия для клинического использования:

(а) с использованием постоянного тока (DC) с помощью электродов, имплантированных в дефектное место,
(б) с емкостной связью (CC) с использованием поверхностных электродов, расположенных около кости которая должна быть стимулирована, и
(в) индуктивной связью электромагнитного поля (ВЧМС) с помощью изменяющегося во времени магнитного поля.

С момента своего основания в начале 80-х, электростимуляция прошла длинный путь в лечении переломов, однако его глобальное использование по-прежнему ограничивается несколькими медицинскими центрами.

1. История электрической стимуляции на кости
Несрастание и замедленное срастание могут быть самым неприятным и непредвиденным осложнением в хирургии стопы и лечении переломов. Понимание принципов заживления костей и использование надлежащего внутреннего метода фиксации может значительно облегчить решение этой трудной проблемы. Роль электричества в качестве вспомогательного средства в заживлении кости была реализована в 1812 года, когда удар от токопроводящей жидкости был использован для лечения несрастающейся большеберцовой кости.

Позже Бойер, Дюшен, Гэрэт, Ленте, и Мотта использовали различные формы электрической стимуляции в качестве ускорения восстановления кости.

Понимание концепции не было в полной мере разработано и продемонстрировано до 1953 года, когда Ясуда детально описал пьезоэлектрические свойства кости. Пьезоэлектричество, проще говоря, это заряд, который образуется, когда усилие прилагается к материалам (живым или мертвым), в данном случае имеется в виду кость. Положительный эффект электричества на коллаген и заживления кости были детально изучены Фукада и Ясуда.

Эти исследования электрических потенциалов показывают, что кости под давлением приобретают отрицательный заряд и регенерируют костную ткань. Кость при растяжении генерирует положительный заряд и вызывает разрушение кости.

Беккер и Бассет предположили, что электрические потенциалы не могут быть вызваны только пьезоэлектрическими эффектами, потому что, они появляются с определенной задержкой после приложения силы.

Это показывает, что потенциал связан с клеточной и ионной реакцией тканей на приложение усилия. Было установлено, что заряд, формируемый живой костью отличается, от заряда мертвой кости. В 1964 году Бассет и др. сообщили, что кости наиболее электроотрицательны в зонах роста, таких как переломы и эпифизарные пластины. В этих биоэлектрических свойствах он обнаружил, что кости наиболее электроотрицательны на катоде.

В 1968 году Ян заключил что живые ткани имеют дополнительный источники электроэнергии от миграции неорганических материалов в кость. Он также заявил, что кальций и фосфаты притягиваются к катоду и ионы натрия и хлора мигрируют к аноду.

В 1971 году Фриденберг воспользовался этой концепцией путем применения постоянного тока для лечения несрастающего перелома лодыжки.

В 1981 году Брайтон предпринял первое исследование в нескольких центрах по использованию постоянного тока в лечении несращивания. В этом исследовании из 178 несращиваний 149 (83%) достигли полного сращивания с использованием прямой электрической стимуляции. С того времени, многочисленные модификации электрической стимуляции были использованы для оказания помощи в заживление кости . Постоянный ток, переменный ток и импульсное магнитное поле - три наиболее изученных методов электрической стимуляции.

2. Электрическая стимуляция кости
Электрические стимуляторы развивались с показаниями к применению в различных патологических состояниях кости. На сегодняшний день, стимуляторы кости были использованы для ускорения заживления с внутренней и внешней фиксацией. Срастание костных трансплантатов было получено за счет использования электрической стимуляции.

Кроме того, электрическая стимуляция показала свою эффективность в лечении инфицированных несращений . Стимуляторы кости также оказывают помощь в заживлениеи тяжелых артродезов. В последнее время использование стимуляторов кости показало хорошие результаты в лечении рассеянного остеопороза.

Стимуляция достигла такого уровня, что стала применяться в лечении невропатической артропатии, когда обычная терапия не помогает. Электрическая стимуляция также показала свою эффективность в лечении остеонекроза.

Стимуляторы кости были разделены на три основные категории: (1) инвазивные, (2) полуинвазивные, и (3) неинвазивные. По виду стимуляции они разделяются на: электромагнитная стимуляции, стимуляция постоянным и импульсным током, и с помощью емкостной связи.

2.1 Инвазивные устройства
Инвазивные стимуляторы кости - это имплантируемые устройства, которые обеспечивают постоянный ток с помощью генератора, который имплантируется в фасцию голени. Катод, который поставляет энергию в кость, помещается непосредственно в место дефекта. Микро-разъем присоединяет катод к генератору через отверстие подкожно.

Этот тип стимулятора требует иммобилизации шиной. Инвазивные устройства могут быть использованы одновременно с костными трансплантатами и могут обеспечить синергетический эффект для роста костей. Эти устройства также могут быть использованы при наличии активной инфекции, хотя это, как правило, не рекомендуется. Осложнения включают инфекцию, реакцию тканей, и дискомфорт поверхностных мягких тканей, вызванный выступающей частью устройства. Имплантируемые устройства представляют другие угрозы, такие как разрыв провода, ограниченный срок службы аккумулятора, потенциальная утечка батареи и выход батареи из строя.

Поэтому вследствие эффективности и доступности неинвазивных методов, использование инвазивных методов стало терять популярность.

2.2 Полуинвазивные устройства
Полуинвазивный метод стимуляции кости предполагает что постоянный ток прикладывается к месту несрастания через катод, состоящий из нержавеющей стали с тефлоновым покрытием, который вставляется подкожно в место несрастания.

Катод должен быть прикреплен к кости, так как он может сместиться. До четырех электродов могут быть размещены на месте, в зависимости от соответствующей анатомии и размера костного дефекта. Прикрепленный анод размещается в любом месте на поверхности кожи и прикрепляется к блоку питания, который встроен в гипсовую повязку. Гипсовую повязку без нагрузки следует носить в любое время, чтобы предотвратить движение, которое может привести к поломке катода или сместить из дефекта кости.

Существуют определенные преимущества и недостатки метода костной стимуляции. Ее преимущества в том, что она требует минимального хирургического вмешательства, так как катод помещается подкожно и в нем используется постоянный ток, который может составить в среднем 20 микроампер на катоде.

К недостаткам можно отнести раздражение кожи вызванное прикреплением анодной подушечки, которою надо менять у пациента через день.

2.2 Неинвазивные устройства
Неинвазивные стимуляторы кости делятся на два основных типа:

(1) с емкостной и
(2) индуктивной связью

Емкостные стимуляторы состоят из блока с источником питания (обычно 9-вольтовой батареи) и двух дисковых электродов. Диски крепятся непосредственно к коже на каждом из несрастаний и накладывается двустворчатая гипсовая повязка для того, чтобы разрешить доступ к электродам.

Стимулятор с его источником питания может быть включен в гипсовую повязку или прикреплен к ней зажимом. Затем устройство подключается к электродам. Функцией емкостного стимулятора является создание внутреннего электрического поля на частоте 60 килогерц (кГц).

Таким образом, они не требуют высокого напряжения источника питания. Идеальный рабочий ток равен от 5 до 10 мА. Большинство приборов требуют от 12 до 20 недель использования, 24 часа в сутки, чтобы добиться заживления. Преимущества различных емкостных стимуляторов многочисленны. Не существует боли или операций, связанных с их применением. Имеется тревожный звуковой сигнал, если электрод прилегает не достаточно плотно к коже или если аккумулятор не обеспечивает подходящего уровня тока.

Кроме того, ряд страховых компаний оплачивает лечение несращивания с их использованием потому, что исследования указывают на их эффективность в этой ситуации. Кроме того, его удобно использовать больным в домашних условиях.

Наконец, в большинстве случаев пациенту разрешается носить вес на загипсованной конечности, если нет чрезмерного движения. Есть несколько недостатков с использованием емкостной стимуляции. Это включает в себя раздражение кожи от электродного диска, постоянный мониторинг для обеспечения адекватного уровня заряда батареи, а также недовольство пациента долгим временем лечения.

Второй тип неинвазивной стимуляции кости – стимуляция с индуктивной связью .

Он использует импульсные электромагнитные поля для получения индуктивной связи электромагнитного поля в месте несрастания. Рост кости стимулируется через индуктивную связь за счет ускорения кальцификации хряща. Эта система состоит из двух внешних катушек, которые расположены параллельно друг другу над местом несрастания. Когда ток начинает течь через катушки, появляются электромагнитные поля. Эти поля распространяются наружу под прямым углом к катушкам и таким образом проникают в кости.

Преимущества индуктивной связи примерно те же, что и у емкостной связи. Кроме того, многие устройства с индуктивной связью включают внутреннюю память, которая записывает частоту и продолжительность использования пациентами, тем самым выполняется контроль за пациентом.

Недостатком индуктивной связи является то, что использование внутренней металлической пластины для фиксации кости может экранировать перелом от генерируемого поля. Кроме того, недостатком может быть также то, что пациент может удалить устройство по своему усмотрению и прерывать лечение без ведома врача.

Будущее неинвазивных стимуляторов кости представляется перспективным. Преимуществом является простота использования, отсутствие осложнений и высокий уровень скорости лечения, которые значительно перевешивают потенциальные недостатки и делает эти устройство ценным инструментами для лечения несрастания.

3. Фармакологическое действие электрической стимуляции
Было показано что электрическая стимуляция влияет на заживление кости за счет увеличения факторов роста и модуляции клеточной мембраны.

А) Повышенная экспрессия факторов роста:

Электрическая стимуляция увеличивает синтез некоторых факторов роста в месте перелома. Различные факторы роста имеют отношение к положительному воздействию электростимуляции.

Было показано что электрическая стимуляция регулирует трансформирующий фактор роста бета (TGF-β) мРНК, BMP, PGE2.

Увеличенный с помощью электрической стимуляции синтез TGF-β1 и экспрессии мРНК совпадают с ростом внеклеточного матричного синтеза белков и экспрессии генов в естественных условиях в образовании хрящевой ткани кости in vivo. Регуляция синтеза белка происходит в зависимости от дозы, как в плане амплитуды так и длительности воздействия.

В ответ на электрическую стимуляцию TGF-β1 уровни мРНК увеличились на 68%, активный белок 25%, а число иммунопозитивных клеток на 119% по сравнению с контрольными тканями. Электрическая стимуляция усиливает образование хрящевой ткани, ее кальцификацию и экспрессию TGF-β1.

Повышение синтеза фактора роста в ответ на электрическую стимуляцию продемонстрировало увеличение инсулин-подобный фактор роста II (IGF-II), РНК и белка из чего следует, что IGF-II могут частично быть посредником роста остеобласт-подобных клеток. Эти результаты аналогичны тем, которые наблюдаются в ответ на механическое воздействие, а стабильность сигнальных путей, позволяет предположить, что синтез фактора роста усиливает электрическую стимуляцию.

Б) Воздействие на клеточную мембрану:

электрические поля, возникающие в результате протекания тока значительно слабее уровней, необходимых для деполяризации клетки и поэтому биологическая активность этих полей зависит от механизмов усиления, которые наблюдается при связывании с мембраной. Вероятными местами усиления являются трансмембранные рецепторы.

На самом деле, было показано, что эффекты электростимуляции были вызваны на мембране клетки либо вмешательством во взаимодействие гормонов с рецепторами или путем блокирования рецепторов аденил-циклазы.

Первая демонстрация рецептор-опосредованной передачи сигнала показала взаимодействие электрической стимуляции и рецепторов паратиреоидного гормона (ПТГ). Как правило, паратиреоидный гормон увеличивает активность циклической аденозин-монофосфат в костных клетках.

Однако, при наличии электрической стимуляции этот эффект отсутствовал. Поле заблокировало тормозящее действие паратгормона на синтез коллагена , но не оказало никакого воздействия на 1, 25 дигидрокси витамин D3, что свидетельствует в пользу гипотезы, что электрическая стимуляция действует через мембранные рецепторы.

Дальнейшие исследования предположили, что эффект электростимуляции на сигнализацию паратгормона вызван конформационными изменениями трансмембранной части рецептора гормона паращитовидных желез.

В хондроцитах, напротив, электростимуляция усиливает реакцию cAMP в ответ на действие паратиреоидного гормона. В модели культуры остеобластов, стимуляция с емкостной связью уменьшила реакцию cAMP в ответ на гормон и уменьшила чувствительность остеобластов к паратиреоидному гормону.

Исследования фибробластов человека продемонстрировали увеличение транслокации кальция и число инсулиновых рецепторов в ответ на электрическое поле. Эти исследования показали, что электрические поля вызывают открытие управляемых напряжением кальциевых каналов с последующим увеличением внутриклеточного кальция. Поля с индуктивной связью стимулируют пролиферацию лимфоцитов путем расширенного использования IL-2 и экспрессии IL-2 рецепторов.

Эти исследования показали, что электрические и электромагнитные поля могут влиять на связывание лигандов и изменения в распределении и активности рецепторов, тем самым модулируя трансмембранную сигнализацию.

4. Доклинические исследования
Многочисленные исследования in vivo и in vitro показали, что правильно сформированная электроэнергия стимулирует синтез внеклеточных белков. Этот повышенный синтез находит свое отражение в лечении переломов и несращений в виде ускоренное восстановления кости.

А) Исследования in vitro

Исследования показали, что клетки, участвующие в формировании костей, в частности внутрихрящевое формирование кости можно стимулировать правильно настроенными электрическими полями на различных стадиях деления клеток Клеточные реакция зависят от преобладающей активности клеточной популяции. Стволовые клетки в костном мозге или костной мозоли реагируют на электрическую стимуляцию за счет увеличения синтеза внеклеточных молекул.

Клетки костного мозга в диффузионных камерах были стимулированы постоянным током для синтеза хряща с последующей его кальцификацией. Значительно большее количество культур, подвергшихся электрической стимуляции продемонстрировали образование хряща и кальцификации, чем контрольные образцы.

Клетки костных мозолей из мест переломов, взятых у излеченных крыс с закрытым переломом большеберцовой кости и выращенные в культуре показали значительное увеличение использования тимидина во время роста в ответ на электрическую стимуляцию постоянным током.

4.1 Исследования на животных
Эффект от электрической стимуляции изучались на нескольких животных моделях. В исследованиях рассматривались восстановление дефектов кости, свежие переломы и остеотомии, и несрастающиеся переломы.

Экспериментальные модели восстановления кости показали усиленную кальцификацию клеток и улучшение механической прочности костей при стимуляции постоянным током. Стимуляция с емкостной связью улучшила механическую прочность костей и ускорила процесс излечения остеотомии.

Ряд исследований с использованием электростимуляции стимуляции продемонстрировали увеличение кальцификации и механической прочности в исцелении кости. Воздействие электростимуляция показало ускорение образования костной мозоли и механических параметров в лечении остеотомии.

Объем периостальной мозоли, образование новой кости, и нормированный крутящий и боковой момент жесткости были значительно больше к 6 неделе в случае электростимуляции остеотомии по сравнению с контрольной группой. В исследовании, посвященном дозиметрии электростимуляции в экспериментах с остеотомией, доза была выражена как ежедневное воздействие. Остеотомия обработанная электрической стимуляцией в течение 60 минут / день показала нормальное значение вращающей силы на 14 день, по сравнению с 21 днем для остеотомии при дозе 30 минут / день и 28 дней в группе контроля.

Другие исследования дозиметрии, рассматривают ежедневное воздействия более 0,5, 3 или 6 часов в день, с 6-часовой стимуляцией как наиболее эффективной.

4.2 Исследования человека
Электрическое усиление лечения человеческих переломов началось в 1968 году вследствие впечатляющих результатов, полученных в экспериментах на животных в Японии и Америке. В исследованиях, проведенных Торбен и др. двадцати восьми пациентам с переломами голени прошедших курс лечения с помощью аппарата Гофмана была проведена электрическая стимуляция через костные винты.

Сорок три других пациента с переломами голени проходивших курс лечения с аппаратом Гофмана и без электростимуляции служили контрольной группой.

Рентгенологическое обследование проводилось каждый месяц. Электрические лечение было закончено, когда перелом достиг определенной степени жесткости.

Жесткость перелома определялась механическим измерительным мостом установленным на аппарат Гофмана с помощью которого на перелом оказывалось давление пружиной. Желаемая степень жесткости, при которой электрическая стимуляция была прекращена была эквивалентна клинической стабильности для каждого перелома.

Статистический анализ показал 30%-ое ускорение восстановления в группе с электрической стимуляцией.

Этой группе потребовалось в среднем 2,4 месяца для достижения клинической стабильности или желаемой степени жесткости голени с помощью аппарата Гофмана. Контрольной группе потребовалось 3,6 месяца для достижения той же степени жесткости.

Это различие между экспериментальной и контрольной группами было статистически значимым (р < 0,001). Другие исследования, с применением электрической стимуляции постоянным током или током смещения показали обнадеживающие результаты в лечении свежих переломов и остеотомии.

Заключение
Электрическая стимуляция дает сигнал клеткам соединительной ткани, о требованиях к биофизическому состоянию их физической среды и адекватности внеклеточного матрикса для удовлетворения этих требований.

Мышцы, связки, кости и суставы все реагируют на электрическую стимуляцию и эти биофизические факторы были использованы в терапевтических целях. Многие исследования обнаружили, что электрическая стимуляция увеличивает уровень фактора роста мРНК и синтез белка, повышение синтез внеклеточного матрикса белков и ускоряет восстановление тканей.

Электрическая стимуляции производит устойчивое повышение концентрации факторов роста в местах восстановления, что делает ее полезной для различных приложений в клинической практике и тканевой инженерии.

medbe.ru