Медицинская исследовательская группа из Университета Саара под руководством профессора Бергиты Гансе открыла новый подход к мониторингу заживления переломов костей путем измерения кровоснабжения тканей в месте перелома и уровня кислорода в крови. Регенерацию костей можно быстро и легко контролировать с помощью ближнего инфракрасного света, а не вредного коротковолнового излучения.

До сих пор врачам приходилось полагаться на рентгеновские снимки и КТ-сканы, чтобы время от времени получать моментальные снимки места перелома. Ганс и ее команда теперь опубликовали свои выводы в Biosensors and Bioelectronics и Journal of Functional Biomaterials .

Представьте себе, что вы достаете из кармана небольшое устройство, помещаете его на кожу над местом перелома, и уже через несколько секунд вы знаете, насколько хорошо заживает перелом. Если наложен гипс, в гипсе должно быть небольшое отверстие для контакта с кожей. Эта интригующая идея вскоре может стать частью стандартного послеоперационного наблюдения по всему миру.

Новый метод позволяет точно контролировать кровоток и уровень кислорода в крови в ткани перелома без необходимости использования вредного коротковолнового излучения. «Коммерчески доступные устройства для исследования кровотока и насыщения кислородом в коже и мышцах используют безвредный светодиодный и лазерный свет , который достаточно яркий, чтобы проникать в лежащую под ним костную ткань», — объясняет Ганс.

Работая со своей командой в Университете Саара, Гансе обнаружила, что эти устройства также можно использовать для мониторинга процесса заживления переломов костей . Недавно команда продемонстрировала успешность этого подхода, применив методологию для изучения пациентов с переломами костей голени (большеберцовой кости).

«Наш метод не предназначен для замены рентгеновской визуализации. Мы рассматриваем его как полезное дополнение — метод быстрого контроля, который предоставляет дополнительную информацию в областях, где существующие методы оставляют пробелы», — объясняет Гансе, который занимает должность профессора по специальности «Инновационная разработка имплантатов» Фонда Вернера Сименса в Медицинском кампусе Саарского университета в Хомбурге.

До сих пор переломы костей контролировались с помощью рентгеновских снимков или компьютерной томографии, что означало воздействие на пациента высокоэнергетического излучения, а это нельзя повторять слишком часто.

«Еще одним недостатком использования рентгена и КТ является их задержка чувствительности к ранней активности заживления кости. По мере заживления перелома мягкая костная ткань формируется поперек щели перелома, но плотность кости все еще недостаточно высока для обнаружения с помощью рентгена. Повышение плотности кости происходит, когда соли кальция откладываются в месте перелома (минерализация), но это происходит только на поздних этапах процесса заживления», — объясняет Ганс.

До того, как произошла минерализация, процесс заживления по сути невидим, и трудно определить, правильно ли заживает перелом или нет. «КТ-сканы и рентгеновские снимки дают нам только моментальные снимки, но то, что разворачивается между двумя сканированиями или двумя изображениями, в значительной степени невидимо», — говорит Ганс.

Новая методика, разработанная в Сааре, позволяет осуществлять непрерывный неинвазивный мониторинг заживления кости — непосредственно через кожу. В результате пациенты получают лучшее представление о том, как протекает процесс заживления. Этот дополнительный мониторинг места перелома означает, что потенциальные осложнения могут быть обнаружены раньше.

«Изучая переломы голени, мы знаем, что в 14 из 100 случаев возникают осложнения, но их часто обнаруживают только на поздней стадии», — объясняет Ганс. «Чем раньше мы замечаем, что что-то не развивается так, как должно, тем раньше мы можем вмешаться, а раннее вмешательство может значительно улучшить результаты лечения пациентов».

«У нас есть целый ряд инструментов для целенаправленного восстановительного лечения, таких как импульсный ультразвук, ударно-волновая терапия и терапия магнитным полем», — говорит Ганс.

Иногда проблема носит механический характер: «В месте перелома может быть просто слишком много движения, что может нарушить процесс восстановления и потребовать более надежной фиксации».

Ганс видит реальный потенциал в том, чтобы сделать эту технологию мониторинга широкодоступной. «Небольшие, доступные по цене устройства для мониторинга могли бы улучшить лечение переломов в условиях отсутствия доступа к большому и дорогостоящему оборудованию, такому как рентгеновские аппараты, особенно в странах с низкими ресурсами или отдаленных районах».

Восстановление перелома — сложный, многофазный процесс. Ганс объясняет процесс регенерации кости : «Сначала тонкая соединительная структура из фиброзной ткани начинает перекрывать перелом. Со временем образуется новая костная ткань, которая постепенно снабжается кровью по мере формирования новых кровеносных сосудов».

Команда из Саарского университета изучила детали процесса заживления переломов и измерила, как изменяется кровоток и насыщение кислородом по мере восстановления кости. В двух отдельных исследованиях Гансе и ее аспиранты Оана Шольц и Седрик Новицки в течение нескольких месяцев отслеживали процесс заживления у 55 пациентов с переломами большеберцовой кости и сравнивали свои данные с контрольной группой из 51 здорового человека.

Результаты оказались поразительными. «Кровоток и насыщение кислородом следуют очень характерной схеме во время регенерации костей», — говорит Ганс. Это первый случай, когда столь подробные наблюдения за процессом заживления переломов были сделаны у пациентов-людей.

«Вначале кровоток резко возрастает и достигает пика. Примерно через две-три недели уровень снова начинает снижаться». Насыщение кислородом тканей, окружающих место перелома, также следует характерной схеме: сначала оно падает до минимума, а затем снова повышается через две-три недели, поскольку начинают формироваться новые кровеносные сосуды.

«Мы можем отслеживать оба этих процесса с помощью относительно простых, неинвазивных измерений», — объясняет Ганс. «Мы использовали коммерчески доступное устройство, которое сочетает в себе технологию лазерной допплерографии для мониторинга кровотока со спектроскопией белого света для определения насыщения тканей кислородом. Если значения не возвращаются к норме через несколько недель, это часто является ранним признаком того, что что-то не развивается так, как должно».

Первоначальные результаты исследования команды показывают, что закономерности кровотока и насыщения кислородом различаются в зависимости от основной причины замедленного заживления. «Поскольку до сих пор мы наблюдали лишь несколько случаев, когда перелом не заживал, необходимы дополнительные исследования, прежде чем мы сможем сделать окончательные выводы об этих различиях», — говорит Ганс.

Существует множество причин, по которым перелом может не срастись должным образом. «Пациент мог слишком много двигаться и недостаточно иммобилизовать сломанную конечность, или могут быть сопутствующие факторы риска, такие как курение или рак, которые ухудшают заживление», — объясняет Ганс. «Если вы используете рентген, эти проблемы становятся заметны только на относительно поздней стадии. Но наш метод, похоже, способен обнаружить их раньше».

Однако одним из текущих ограничений метода мониторинга на основе света является глубина измерения. «В настоящее время мы не можем исследовать переломы, которые лежат более чем на пять сантиметров под кожей», — объясняет Ганс.

Команда Ганса также работает над другими инновационными способами мониторинга заживления переломов костей, такими как использование самочувствующих материалов с эффектом памяти формы, которые могут предоставлять данные об изменениях жесткости и эластичности места перелома по мере заживления кости.

Исследовательская работа является частью проекта «Умные имплантаты», который координирует профессор Гансе. Проект, который реализуется уже пять лет, предполагает междисциплинарное сотрудничество между исследовательскими группами Саарского университета, работающими в области медицины, инженерии и компьютерных наук.

Команды уже разработали несколько прототипов и патентов на смарт-пластины для переломов. Эти индивидуальные имплантаты разработаны не только для мониторинга заживления с момента операции, но и для его активной поддержки — например, путем микромеханической стимуляции места перелома или динамической регулировки жесткости имплантата. А данные из новых исследований мониторинга лазерной допплерографии и спектроскопии белого света теперь интегрируются в следующее поколение этих смарт-имплантатов.

В настоящее время команды работают над миниатюризацией технологии, чтобы ее можно было встроить в интрамедуллярные гвозди, ширина которых составляет всего несколько миллиметров.

Ганс и ее команда теперь стремятся выйти за рамки переломов большеберцовой кости и работают над применением своего нового метода к другим типам переломов и дефектов костей. «Я с нетерпением жду, как быстро эта технология найдет применение как в исследовательской работе, так и в повседневной клинической практике», — говорит Ганс, которая привносит уникальный взгляд из своего опыта в космической медицине.

Ганс сотрудничает с Европейским космическим агентством (ESA), Немецким аэрокосмическим центром (DLR) и NASA в США, изучая, среди прочего, как кости и мышцы деградируют в космосе. Ее исследования внесли вклад в разработку программ тренировок, которые помогают астронавтам противодействовать этому типу дегенерации опорно-двигательного аппарата во время длительных миссий.

Внимание, автоперевод! За ошибки перевода ответственности не несём. Первоисточник по ссылке.