Полный текст

Проблема профилактики и лечения раневой инфекции остро стоит перед современной медициной. Частота инфекций в общей структуре хирургических заболеваний составляет 24-36%, а летальность достигает 25-50% [1]. Рост числа послеоперационных осложнений воспалительного и инфекционного характера, а также появление резистентных по отношению к антибиотикам штаммов патогенных микроорганизмов актуализируют разработку новых эффективных методов лечения ран [2]. Альтернативой антибиотикам традиционно считается использование местных неселективных антимикробных препаратов - антисептиков, однако и они имеют ряд недостатков: сложность дозирования, способность окрашивать ткани, тем самым затрудняя оценку течения раневого процесса, эффективность в отношении ограниченного числа патогенов; их применение также может вызывать аллергические реакции, дерматиты, химические ожоги, что приводит к замедлению скорости регенерации тканей [3]. Одним из перспективных направлений развития методик лечения раневой инфекции является применение физических факторов, в том числе фототерапии [4]. Ведущую роль в развитии раневого процесса играет микробный фактор, поэтому при терапии пораженных участков наиболее важным является наличие в излучаемом спектре ультрафиолетового (УФ) диапазона. Биоцидное действие УФ-излучения известно сравнительно давно (с 1877 г.), как и то, что разные участки УФ-спектра обладают различной биологической активностью. Максимальным биоцидным действием, вызывающим инактивацию (гибель) микроорганизмов различных видов - бактерий [5], спор [6], вирусов [7],- обладает УФ-С область (от 200 до 280 нм). Механизмом инактивации считается повреждение нуклеиновых кислот и белков, которое приводит к генетическим мутациям или гибели патогенных микроорганизмов [8]. Диапазон УФ-В (от 280 до 315 нм) обладает ранозаживляющим и иммуностимулирующим действием, УФ-А (от 315 до 400 нм) влияет на сигнальную систему клеток (анальгетический и противовоспалительный эффекты) [9]. Отрицательной стороной использования УФ при лечении является риск возникновения побочных эффектов (канцерогенез), что важно учитывать при планировании лечения. Эффект воздействия УФ зависит от энергетической дозы (Дж/см2), определяемой произведением интенсивности излучения (Вт/см2) и времени экспозиции [10]. В качестве источников коротковолнового УФ-излучения традиционно используются ртутные лампы низкого давления (РЛНД). Однако они имеют ряд принципиальных недостатков. Ограничение по вкладываемой мощности не более 1-3 Вт на 1 см длины приводит к низкой (10-6-10-3 Вт/см2) облученности обрабатываемого объекта, что увеличивает время экспозиции, требуемое для достижения необходимого биоцидного эффекта. Еще один недостаток РЛНД связан с монохроматичным характером спектра. Поскольку различные патогены имеют в УФ-области разные спектральные полосы поглощения, то эффективно РЛНД могут инактивировать только микроорганизмы, чей максимум спектральной чувствительности совпадает или близок к спектральной линии излучения источника (253,7 нм) [11], чем, возможно, объясняется низкая биоцидная эффективность в отношении ряда вирусов, споровых (в том числе патогенных) видов микрофлоры, грибов [5]. Кроме того, РЛНД необходимо время для выхода на рабочий режим (порядка 3-5 мин), а также они содержат ртуть, что может привести к экологическим последствиям при случайном разрушении оболочки лампы. Поиск возможностей преодоления вышеперечисленных недостатков привел к созданию нового высокоэффективного метода лечения и обеззараживания, основанного на обработке контаминированных объектов серией коротких (десятки микросекунд) высокоинтенсивных (до 1 кВт/см2) световых вспышек от мощной импульсной ксеноновой лампы (ИКЛ) [11-13]. ИКЛ представляет собой газоразрядный прибор, состоящий из двух вольфрамовых электродов, впаянных в кварцевую колбу. Спектр излучения такой лампы является сплошным, непрерывно перекрывающим не только УФ, но и видимую и инфракрасную области, при этом ИКЛ практически мгновенно выходит на рабочий режим [14]. Обработка микроорганизмов излучением сплошного спектра оказывает деструктивное воздействие сразу на несколько биомишеней патогенного микроорганизма (нуклеиновые кислоты, белки, биомембраны), что значительно повышает биоцидную эффективность такого вида воздействия по сравнению с излучением РЛНД [11, 15]. В настоящее время применение ИКЛ как биоцидного инструмента получает все большее распространение. Проведены успешные исследования по увеличению сроков хранения и улучшения качества продукции в пищевой промышленности [16], разработаны установки для эффективного обеззараживания воды [13, 17], упаковочной тары [18], найдены возможности применения в косметологии [19]. В медицинской области ИКЛ на сегодняшний день применяются в установках для обеззараживания воздуха и поверхностей [20, 21]. Первые экспериментальные исследования возможностей применения высокоинтенсивного импульсного широкополосного УФ-излучения для лечения ран и дерматологических заболеваний были проведены в начале 1990-х годов [11]. Впоследствии был разработан ряд медицинских аппаратов на основе ИКЛ (установка «Пакт» [11], аппараты «Мелитта-01» [11, 22], «Биоквант» [23]), клинические испытания которых показали достаточно высокую терапевтическую эффективность импульсного широкополосного УФ-излучения при профилактике и лечении заболеваний раневой инфекции, гнойно-септических осложнений в открытых операционных ранах, гнойных ран различной локализации, особенно на фоне выраженных иммунодефицитных, аллергических состояний и сахарного диабета, термических ран [11, 13, 24-28]. Настоящая работа продолжает развитие высокоинтенсивных плазменно-оптических технологий в медицине в направлении создания новых импульсных фототерапевтических облучателей. Объектом исследований является аппарат импульсного оптического облучения «Заря», разработанный совместно НИИ энергетического машиностроения МГТУ им. Н. Э. Баумана и АО «Государственный Рязанский приборный завод» (ГРПЗ) в рамках инновационного проекта Концерна «Радиоэлектронные технологии». Аппарат создан на новой элементной базе с использованием патентованных схемотехнических решений и интегрирует положительный опыт ранее проведенных разработок. В качестве источника излучения применена малогабаритная ИКЛ, излучающая мощный сплошной спектр (континуум) в области длин волн 200-2700 нм, значительная доля энергии которого приходится на УФ-диапазон. Прибор планируется к использованию в клинических и амбулаторных условиях: в операционных, перевязочных, процедурных кабинетах и палатах стационаров, а также в условиях полевых госпиталей и мобильных станций скорой помощи для профилактики и лечения заболеваний раневой инфекции различной этиологии. Целью данных доклинических исследований является определение на примере лечения модельных ран у лабораторных животных терапевтической эффективности аппарата «Заря» и сравнение ее с эффективностью традиционных методов лечения ран. Материалы и методы Объект исследования. В исследованиях использовался опытный образец аппарата «Заря» (производитель - АО ГРПЗ, г. Рязань). Прибор состоит из сервисного блока и облучателя. Принцип действия устройства основан на импульсном облучении пораженных участков площадью до 40 см2 высокоинтенсивным оптическим излучением сплошного спектра, генерируемым ИКЛ. В облучателе аппарата использована ксеноновая лампа типа ИНП 5/60 с внутренним диаметром кварцевой колбы 5 мм и длиной межэлектродного промежутка 60 мм. Лампа работает в импульсно-периодическом режиме с частотой импульсов 5 Гц и средней электрической мощностью 100 Вт. Средняя мощность излучения лампы в УФ-С диапазоне спектра (200-280 нм) составляла 3 Вт, импульсная мощность УФ-С-излучения - 24 кВт. В аппарате предусмотрено три режима с длительностью цикла облучения 10 с (режим 1 - 50 импульсов), 20 с (режим 2 - 100 импульсов) и 40 с (режим 3 - 200 импульсов); обработка ран осуществляется с расстояния 5 и 10 см от пораженной поверхности. Терапевтическое действие аппарата «Заря» сравнивалось с эффективностью сертифицированного медицинского УФ-облучателя на основе РЛНД с мощностью излучения в УФ-С-диапазоне 5 Вт, а также с известным ранозаживляющим и антибактериальным препаратом - мазью «Левомеколь» - средством, которое уже на протяжении 20 лет успешно применяется в терапевтической практике. В состав мази входят два активных компонента - хлорамфеникол и метилурацил. Хлорамфеникол является антибиотиком широкого спектра действия, метилурацил обладает свойством ускорять регенерацию тканей и процессы репарации. Контроль излучения. Излучательные характеристики аппарата «Заря» в различных спектральных диапазонах и в интегральном спектре регистрировались мультиспектральным измерительным фотоэлектрическим преобразователем «Спектр-01» [29], калиброванным УФ-С-фотодетектором TOCON C8 (Sglux GmbH, Германия), спектрометром Solar S100 (Solar Laser Systems, Беларусь) с высокочувствительным датчиком Hamamatsu S13496 [30] и широкополосным неселективным пироэлектрическим датчиком PEM 8 (SLT Sensor- und Lasertechnik, Германия). ps202105.4htm00097.jpg В результате проведенных измерений определены энергетические дозы излучения, создаваемые облучателем аппарата «Заря» в УФ-С-диапазоне спектра (200-280 нм) и во всем спектре (200-2700 нм) на расстоянии 5 и 10 см от облучателя. Дозы определены для всех трех режимов работы аппарата. Результаты измерений приведены в табл. 1. Средняя энергетическая облученность в УФ-С-диапазоне составляла 5 мВт/см2 (импульсная - 40 Вт/см2) на расстоянии 5 см от облучателя и уменьшалась в два раза на расстоянии 10 см. Энергетическая облученность, создаваемая медицинским облучателем на основе РЛНД, измерялась УФ-радиометром «ТКА-ПКМ» (НТП «ТКА», Россия) также на расстоянии 5 и 10 см. Мощность излучения составляла 1,5 и 0,75 мВт/см2 соответственно. Данные этих измерений хорошо коррелировали с паспортными значениями изготовителя прибора. Тест-объекты. Для исследования использовались 60 половозрелых крыс-самцов породы Вистар. Животные были поделены на группы: •опытная группа (23 крысы) облучалась аппаратом «Заря»; •группа сравнения 1 (23 крысы) облучалась аппаратом с РЛНД; •группа сравнения 2 (7 крыс) проходила курс лечения препаратом «Левомеколь»; •контрольная группа (7 крыс) не подвергалась никакому воздействию. Животные во всех группах проявляли идентичные ориентировочно-исследовательские реакции: активно передвигались по клетке, принюхивались, делали стойки на задних лапах. Состояние шерстного покрова характеризовалось как обычное, не имеющее признаков патологии. Средняя масса крыс в опытной группе составила 274±24 г, в группе сравнения 1 - 288±23 г, в группе сравнения 2 - 226±17 г, в контрольной - 225±22 г. Моделирование линейной раны и методики обработки. Линейная рана моделировалась по стандартной методике под эфирным наркозом [31]. Животным выбривали шерсть на спине, после чего делали разрез кожи и подкожной жировой клетчатки длиной 5 см, на рану накладывались три шва на равном расстоянии друг от друга. Терапевтические процедуры проводились ежедневно в течение 7 сут. ps202105.4htm00099.jpg Cравнение эффективности аппарата «Заря» и аппарата с РЛНД производилось из условия равенства доз в УФ-С-области. Количество сеансов и величины устанавливаемых доз (табл. 2) выбирались на основе рекомендаций физиотерапевтического руководства [32, 33]. Облучатель крепился на штативе и располагался над тест-объектом. Животное удерживалось в стационарном состоянии на протяжении всего процесса обработки. Оценка бактерицидного действия. Бактерицидное действие изучалось на основе мазков из раны на флору на 2, 5, 7-е сутки. Посев производился в чашки Петри методом истощающего штриха на плотную питательную среду (мясопептонный агар) толщиной 3-5 мм. Материал наносили с помощью бактериологической петли параллельными штрихами на расстоянии 5 мм друг от друга, сначала по поверхности первого сектора, а затем последовательно оставшимися на инструменте клетками засевались все другие секторы. При каждом последующем штрихе происходило уменьшение количества засеваемых клеток. Чашки выдерживались в термостате при температуре 37 °С на протяжении 3 сут, затем подсчитывались образовавшиеся колонии. Определение прочности рубца на разрыв и гистологическое исследование рубцовой ткани. На 8-е сутки животные подверглись эвтаназии, вырезался кусок кожного покрова размером 2 × 3 см (по 1,5 см в обе стороны от рубца) и с помощью модифицированных аптечных весов определялась прочность ткани на разрыв подвешиванием груза увеличивающейся массы к лоскуту кожи. Часть рубцовой ткани сохранялась в формалине для гистологического исследования. Гистологическое исследование включало в себя следующие этапы. 1. Проводка - дегидратация фрагмента ткани и пропитка его парафином. 2. Заливка - создание блока, достаточно твердого, чтобы быть пригодным для резки (микротомирования); выполнялась путем заливания фрагмента ткани жидким парафином. 3. Микротомирование с толщиной среза 4±1 мкм. 4. Окрашивание срезов; проводили гематоксилином и эозином, что позволяло оценить структуру клеток. Результаты исследования Влияние терапии на общее состояние исследуемых животных. Оказанные воздействия существенно не повлияли на поведение крыс, состояние шерстного покрова и массу. У животных проявлялись ориентировочно-исследовательские реакции. Температура тела во всех группах на 2-е сутки достоверно повышалась. Это связано с общей реакцией организма животного на повреждение в рамках ответа острой фазы. В опытной группе и группе сравнения 1 на 5-е сутки отмечалось достоверное снижение температуры. В контрольной группе нормализация температуры у крыс отсутствовала, что свидетельствует о протекании инфекционного процесса. Оценка бактерицидного действия. Наибольший бактерицидный эффект достигается при применении аппарата «Заря» (табл. 3). В опытной группе к 7-м суткам наблюдалось отсутствие колоний микроорганизмов. В других группах подобного эффекта не наблюдалось. Количество бактериальных колоний при использовании аппарата «Заря» уже на 2-е сутки было в 6 раз меньше, чем при облучении аппаратом на основе РЛНД. Определение прочности рубцовой ткани на разрыв и гистологическое исследование. ps202105.4htm00101.jpg В опытной группе наблюдались достоверные различия (р<0,05) в бóльшую сторону по массе выдерживаемого груза, что свидетельствует о более активном процессе формирования рубцовой ткани при обработке раны излучением аппарата «Заря». Согласно гистологическим исследованиям, область раны в опытной группе представлена прослойками молодой волокнистой соединительной ткани - этим может объясняться более высокая прочность на разрыв. Имеются участки созревающей грануляционной ткани с маленькими сгустками фибрина и инфильтрирующими кровоизлияниями. В отличие от групп сравнения поверхность раны чистая, покрыта тонким слоем эпителия, местами тонкой корочкой, под которой имеется наползание эпителия, восстановительные процессы проходили равномерно по площади раны, быстрее произошла смена фазы воспаления на грануляцию и фиброгенез. В группе сравнения 1 края раны представлены грануляционной тканью. Поверхность покрыта гнойным экссудатом. В дерме, прилежащей к грануляционной ткани, умеренный отек, замечено начало формирования волокнистой соединительной ткани. В целом гистологическое исследование раны после облучения РЛНД не позволило выявить существенных отличий от контрольной группы. При применении препарата «Левомеколь», как и в опытной группе, отмечено достоверное различие по массе выдерживаемого груза по сравнению с контрольной, но в меньшей степени. Слой тканевого детрита замещался грануляционной тканью. Зона некроза значительно уменьшилась по сравнению с контрольной группой. Количество соединительнотканных клеток увеличилось по сравнению с РЛНД, также встречались очаги развития фазы эпителизации раневой поверхности. В группе контрольных животных на дне раны в зоне демаркационного воспаления наблюдались полнокровные кровеносные сосуды, увеличение количества фибробластов, миофибробластов, гистиоцитов. В краях раны в дерме обнаруживалась хорошо развитая грануляционная ткань с большим количеством соединительнотканных клеток. В эпидермисе появлялись участки разрастания и регенерации эпителия по краям раны. Таким образом, исследование выявило, что наиболее развитая структура регенерировавших тканей получена при терапии аппаратом «Заря». Заключение В настоящей работе представлены результаты доклинических исследований нового медицинского аппарата - аппарата импульсного высокоинтенсивного оптического облучения «Заря». Исследования проведены с целью предварительной оценки его терапевтической эффективности и сравнения ее с эффективностью традиционных методов лечения ран: обработкой излучением стандартной кварцевой бактерицидной лампы (ртутной лампы низкого давления) и лечением типовым антибактериальным и ранозаживляющим препаратом «Левомеколь». Показано, что высокоинтенсивное оптическое излучение аппарата «Заря» обладает выраженным бактерицидным и ранозаживляющим действием: при равных дозах УФ-облучения бактерицидный эффект аппарата «Заря» существенно превышает антимикробное действие обычного кварцевого УФ-облучателя, терапевтическое действие аппарата «Заря» в целом выше по сравнению с типовым ранозаживляющим средством «Левомеколь». Гистологическое исследование раневой поверхности после терапии с использованием аппарата «Заря» выявило возможность сокращения длительности как одиночных процедур, так и всего курса лечения в целом по сравнению с традиционными методами. Микробиологические показатели, анализ динамики заживления и структуры раневой поверхности по окончании курса лечения свидетельствуют в целом о потенциальной перспективности использования аппарата импульсного высокоинтенсивного оптического облучения «Заря» в медицинской практике и целесообразности проведения клинических исследований. Полученные в работе результаты будут использованы при формировании программы клинических исследований и разработки методик применения аппарата «Заря». Исследование не имело спонсорской поддержки. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Об авторах

В. П. Архипов

ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»

В. В. Багров

ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»

Ю. Ю. Бяловский

ФГБОУ ВО «Рязанский государственный медицинский университет имени академика И. П. Павлова» Минздрава России

А. С. Камруков

ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»

Email: kamrukov@mail.ru

Д. С. Куспаналиева

ФГБОУ ВО «Рязанский государственный медицинский университет имени академика И. П. Павлова» Минздрава России

М. В. Маслова

ФГБОУ ВО «Рязанский государственный медицинский университет имени академика И. П. Павлова» Минздрава России

А. К. Одегов

ФГБОУ ВО «Рязанский государственный медицинский университет имени академика И. П. Павлова» Минздрава России

В. В. Давыдов

ФГБОУ ВО «Рязанский государственный медицинский университет имени академика И. П. Павлова» Минздрава России

Р. М. Воронин

ФГБОУ ВО «Рязанский государственный медицинский университет имени академика И. П. Павлова» Минздрава России

Список литературы

Статистика