Сборник материалов V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине (ТКМФ-5)», Троицк, 2012, т.2, с. 109-111.
Биофизические аспекты влияния электрохирургической сварки на процессы репарации поврежденной ткани
1,2, 1, 1, 2, 3, 2, 4, 5, 5,6, 6, 5, 5, 5,6
1 ФГБУН Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук
2 НИЦ «Курчатовский институт»
3 ФГБУН Институт биофизики клетки Российской академии наук
4 Индийский институт технологий, Отделение биотехнологий, Кхарагпур, Индия
5 Институт электросварки им. НАН Украины
6 Киевская городская клиническая больница № 1, Украина
*****@***ru
Проведено исследование воздействия метода высокочастотной электрохирургической сварки на структуру различных биологических тканей. На модельных образцах определены тестовые режимы электросварки, при которых не выявлены существенные различия в картинах рентгеновской дифракции и спектрах рентгеновской флуоресценции тканей после воздействия высокочастотной сварки. На основе экспериментальных и клинических данных показана возможность при действии ВЧ-электросварки на живую мягкую ткань сохранять ее жизнеспособность и в результате процессов структурной регенерации восстанавливать ее свойства и функции.
«Сварочные технологии победно шагают на земле, в подводном мире и космосе. Сварка начинает свой путь в медицине. Она успешно применяется для соединения поврежденных тканей человека и восстановления жизнедеятельности его органов» [].
Целью данной работы было исследование влияния высокочастотной электрохирургической сварки на молекулярную и наноструктурную динамику биологических тканей методами структурной биологии с использованием синхротронного излучения. В последние годы широкое применение в медицине по инициативе академика нашла высокочастотная электрохирургия. Она применяется для рассечения тканей и остановки или предупреждения кровотечений при разрезании тканей и сосудов. В настоящее время применяется около 200 хирургических методик с использованием высокочастотной сварки мягких живых тканей. Успешно выполнено около 70000 операций на людях.
Структурные исследования методами рентгеновской дифракции под малыми и большими углами (SAXS/WAXS) с использованием синхротронного излучения накопителя «Сибирь-2» проводили на разработанной нами станции «Дифракционное кино» ДИКСИ в НИЦ «Курчатовский институт», Москва. В экспериментах использовался разработанный в Киевском Институте электросварки им. НАНУ аппарат ПАТОНМЕД ЕКВЗ-300, который предназначен для работы в различных областях хирургии и обеспечивает 4 режима: резка, коагуляция, сварка ручная и сварка автоматическая [1]. Основные процессы, происходящие при сварке мягких тканей, схематически могут быть описаны следующим образом: соединяемые слои ткани при помощи сварочного инструмента вводятся в соприкосновение своими поверхностными слоями, хирург сжимает с помощью электродов свариваемый участок ткани и включает источник сварочного тока. После выполнения программы управления процессом сварки и отключения энергии захваченная ткань освобождается, затем процесс должен повторяться до полного закрытия раны.
Образцы биологических тканей получали от здоровых экспериментальных животных (свиньи) в процессе многочасовой хирургической операции под наркозом методом высокочастотной электрохирургической сварки. Были использованы ткани сердечнососудистой системы (аорта, артериальные и венозные сосуды различного диаметра); лимфатической (селезенка) и нервной системы; образцы эпителиальной и гладкомышечной тканей желудочно-кишечного тракта, поперечнополосатой скелетной мышцы, в также ткани трахеи, бронхов, легких, печени, почек, поджелудочной железы. Поскольку каркас биологических тканей стабилизируется фибриллярными структурами цитоскелета клетки и межклеточного матрикса, в качестве модельных объектов были выбраны различные природные биополимеры с разным типом фибриллярной организации: волокна коллагена, кератин ткани волоса человека и животных. Особый интерес в исследовании был уделен образцам природного шелка, который в силу его высокой прочности, биосовместимости и биодеградабельности традиционно используется в хирургии.
Отработанные в процессе многолетней клинической практики рабочие режимы электросварочного воздействия в физиологическом диапазоне позволили зарегистрировать следующие структурные события на молекулярном и наноструктурном уровнях.
· Показано, что при ВЧ-сварке более лабильные глобулярные белки претерпевают тепловую денатурацию: повышение температуры вызывает структурный переход типа «глобула-клубок», в результате чего формируются клееподобные субстанции. Метод склеивания широко распространен в хирургии; для этого используются специализированные медицинские клеи, или белковые препараты, которыми покрывают места соединения поврежденных структур, например, альбумином при лазерной коагуляции. Преимущество метода ВЧ-сварки в том, что удается избежать присутствия инородного материала и проблем иммунной несовместимости.
· Выявлена инертность наноструктурной организации «молекулярных машин», выполняющих в организме специализированные функции (например, сократительная и нервная системы), а также коллагеновых нитей, расположенных в межклеточном матриксе и выполняющих опорную функцию ткани [2]. Структурная инертность обеспечивает прочность соединения и сохранность функциональных свойств ткани.
· Под действием ВЧ-сварки выявлен уникальный феномен самосборки разнонаправленных фибрилл с наноструктурной периодичностью в упорядоченный межклеточный матрикс.
· На гистологических картинах электросварного шва сохраняются волокнистые структуры соединительной ткани: коллагеновые и ретикулярные волокна, базальные мембраны эпителия слизистой оболочки, желез, кровеносных сосудов. Указанные структуры претерпевают изменения под воздействием ВЧ-сварки, но сохраняют характерное строение, и, следовательно, обеспечивают прочность соединения [1].
· Рентгенограммы различных интактных образцов кокона шелка и ткани кишки мало информационны, они характеризуются интенсивным малоугловым диффузным рассеянием, индикатрисса которого имеет радиальную симметрию; дифракционные линии в области наноструктурной упорядоченности практически не выявляются. Подобные рентгенограммы говорят либо об отсутствии упорядоченности фибриллярных биополимеров, либо свидетельствуют об их незначительной концентрации в ткани. После ВЧ-воздействия рентгенограммы сварных швов ткани в области малых углов буквально «набиты» острыми дифракционными кольцами: в наноразмерном диапазоне от 10 до 0.4 нм зарегистрирована серия острых дебаевских колец с основным периодом 4.65 нм [3]. Наноструктурный инвариант 4.65(± 0.15) нм атрибутирован нами ранее как период идентичности, обусловленный регулярным прикреплением олигосахаридных цепей к белковому кору гигантской молекулы протеогликанов слизи и межклеточного матрикса тканей [4].
· Появление дифракционных линий под воздействием ВЧ-сварки можно объяснить понижением симметрии от сферической до аксиальной, характерной для данной группы биополимеров - протеогликанов и биотехнологических конструкций шелка (скефолдов). Снятие вырождения зависит не только от энергетического уровня структурной системы, но и от симметрии электромагнитного поля.
Таким образом, преимущества метода высокочастотной электрохирургической сварки при репарации поврежденной ткани, могут быть обусловлены следующими процессами. (1) По мере повышения температуры часть жидкости испаряется, эффективная концентрация элементного содержания биополимеров в замкнутой системе растет. (2) Геометрические особенности конструкции инструментов – плоские электроды, напаянные на щипцы – под влиянием механического сжатия создают трехмерную топологию активного пространства с уникальными физическими параметрами, которые могут обеспечить самосборку слоистых наноструктур жидкокристаллического типа. (3) Протеогликановые системы, являясь полидентатными лигандами, проявляют хелатирующий эффект: их комплексы с катионами (например, с Са) характеризуются высоким коэффициентом устойчивости. Катионы Са могут формировать статистические поперечные сшивки с отрицательно заряженными карбоксильными и сульфатными группами, вызывая изменения конформации полисахаридных цепей и вовлекая их в формирование трехмерной сетки. Температура плавления и другие термодинамические параметры полимерных сеток гораздо более чувствительны к незначительному изменению плотности поперечных сшивок, чем к их химической природе. Взаимодействие протеогликанов с катионами можно рассматривать как фактор, обеспечивающий модификационную адаптацию организма к экстремальным внешним воздействиям.
Использование экспериментального потенциала электросварочных технологий и структурных методов на основе синхротронного излучения для решения проблем биологии и медицины является важным ресурсом естествознания нашего времени.
Работы выполняются при поддержке гранта РФФИ № 11-02-00706.
1. «Тканесохраняющая высокочастотная электросварочная хирургия». Атлас. Киев, 2009.
2. , . Научные труды III съезда физиологов СНГ, 2011, Украина, Ялта, с. 225.
3. , , и др. Материалы 6-го международного научно-практического семинара «Сварка мягких живых тканей. Современное состояние и перспективы развития». Украина, Киев, 2011, с. 53-54.
4. A. A. Vazina, N. F. Lanina, A. A. Vasilieva et al. Nuclear Instruments and Methods in Phys. Res., 2009, A 603, 90-94.
Biophysical aspects of effects of electric welding surgery on REPARATION processes of the damaged tissue
Vazina A. A.1,2, Lanina N. F.1, Vasilieva A. A.1, Zabelin A. V.2, Korneev V. N. 3, Gruzinov A. Yu.2, Kundu S. C.4, Marinsky G. S.5, Podpryatov S. E.5,6, Gichka S. G.6, Chernets A. V.5, Tkachenko V. A.5, Podpryatov S. S.5,6
1 Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, RAS, Pushchino
2 National Research Center “Kurchatov Institute”, Moscow
3 Institute of Cell Biophysics, RAS, Pushchino
4 Indian Institute of Technology, Department of Biotechnology, Kharagpur, India
5 E. O.Paton Electric Welding Institute, NAS of Ukraine
6 Kiev municipal clinical hospital No. 1, Ukraine
Work on the study of the influence of high frequency electrosurgical welding on the structure of different biological tissue was carried out. Using model samples, the test welding conditions have been determined, which do not cause significant differences in X-ray diffraction patterns and fluorescence spectra from tissues affected by high frequency (HF) welding. Based on experimental and clinical data the possibility of HF welding affected tissue to maintain tissue vitality and to restore its physiological properties and functions due to regenerative processes has been demonstrated.
