Селективность воздействия

     Воздействие излучения лазерного литотриптора комплекса на био-объекты различной структуры

   Режимы воздействия при разных параметрах излучения лазерного литотриптора на первых этапах тестировались в условиях «in vitro» с камнями разного химического состава.Целью экспериментов было определение эффективности фрагментации и оптимальных параметров излучения.
   Фрагментация камней проводилась контактным способом, волоконным инструментом с диаметром кварцевой сердцевины 300 мкм. Камни помещались в кювету с физиологическим раствором. В диапазоне энергий лазерного импульса от 80 мДж до 123 мДж фрагментированы все имеющие камни (37 камней разного химического состава).
    В Таблице 1 представлены химический состав камней, параметры излучения при их разрушении и режимы воздействия. Большинство камней разрушено излучением с энергией в импульсе до 120 мДж. Камни типа струвит и цистин требуют увеличения энергии импульса более 120 мДж. Количество импульсов требуемых для разрушения камней лежало в диапазоне от 98 до 687.

   Для определения степени воздействия лазерного излучения на близлежащие к камню ткани, проведены эксперименты «in vivo». В качестве экспериментальных животных использованы кролики в количестве 6 особей.
   Органы при работе вскрывались, и воздействие осуществлялось на внутренние поверхности слизистых при тех же режимах генерации что при фрагментации камней. Воздействие на слизистые мочеточника, желчного пузыря, мочевого пузыря и толстой кишки осуществлялось в самом жестком варианте, который не реализуется в реальных условиях. Дистальный торец волоконного инструмента находился в контакте перпендикулярно поверхности ткани. Область контакта слизистой поверхности и конца волоконного катетера при воздействии находилась в физиологическом растворе.
   В таком положении осуществлялось 500 выстрелов по поверхности
ткани. Затем ткань резецировалась и отправлялась на анализ.

Фрагментация “in vitro” композитного камня: (58% оксалат моногидрат+42% трикальция фосфат). Время фрагментации – 26 c, количество импульсов – 262

   Прежде чем охарактеризовать тканевые изменения, развивающиеся при использовании лазерного воздействия необходимы некоторые уточнения. При характеристике процесса, развивающегося под воздействием лазерного излучения, оценивалась совокупность общепатологических процессов, свидетельствующих об обратимости, либо необратимости повреждения.
   В группу обратимых процессов входят зернистая и мелкокапельная дистрофии, полнокровие, как венозное, так и артериальное (не сопровождающееся склерозом или гиалинозом сосудистой стенки), отек, лимфостаз, поверхностная дезорганизация соединительной ткани (мукоидное набухание), серозное воспаление (без примеси полиморфноядерных лейкоцитов либо высокомолекулярных плазменных белков).
   В группу необратимых патологических процессов отнесены крупнокапельные и баллонные варианты гидропической дистрофии, некробиоз, некроз и фибриноидные изменения в межуточной субстанции соединительной ткани.
   Развитие обратимых либо необратимых состояний характеризует выраженность повреждающего действия внешнего фактора. При воздействии лазерного излучения в отделах препарата, вне зависимости от тканевой принадлежности, выделяются следующие зоны:
  1. Зона некроза – характеризуется тотальной гибелью клеточных элементов в виде коагуляционного некроза. Определить границы между клеточными элементами не представляется возможным, ядра в клетках не определяются. Отмечаются явления карбонизации ткани.
  2. Зона транзиторных изменений – характеризуется значительным разнообразием морфологических изменений. Отмечается сочетание обратимых и необратимых изменений. В отделах прилежащих к зоне карбонизации (зона некроза) отмечается доминирование необратимых процессов, в то время как в отделах прилежащих к следующей зоне – зоне демаркационного воспаления доминируют обратимые изменения. Следует отметить, что в транзиторной зоне отмечается выраженный полиморфизм морфологических изменений и тесное переплетение обратимых и необратимых процессов.
  3. Зона демаркационного воспаления характеризуется сочетанием выраженных явлений отека, полнокровия сосудов микроциркуляторного русла и наличия круглоклеточного инфильтрата.
   4. Зона относительно сохранной ткани. В этой зоне тканевые изменения практически отсутствуют.

   Результаты морфометрии представлены в Таблице 2.

    При воздействии на слизистую оболочку мочеточника при энергии 80 мДж необратимых процессов в эпителиальных клетках нами обнаружено не было. Основные проявления альтерации заключались только в наличии зернистой дистрофии. Цитоплазма эпителиальных клеток содержала гранулярный эозинофильный материал. Кроме того, отмечалось наличие выраженного полнокровия сосудов микроциркуляторного русла. В отдельных локусах небольшие диапедезные кровоизлияния.
    При увеличении энергии до 90 мДж принципиальных различий с предыдущей группой не отмечается. Обнаруживаются признаки зернистой дистрофии и полнокровия сосудов микроциркуляторного русла.
При энергии 100 мДж морфологические изменения более выражены. Усиливается полнокровие сосудов микроциркуляторного русла, увеличивается количество клеточных элементов с признаками дистрофии. Появляются эпителиоциты с явлениями гидропической дистрофии. В отдельных локусах просматриваются эпителиоциты с явлениями тотальной вакуольной дистрофии и признаками некробиоза.
    Более выражены альтеративные изменения при применении лазерного излучения при пережатых сосудах. Это следствие того, что практически все варианты альтерации одним из составляющих компонентов имеют транспортные нарушения – это патология накопления. Чем хуже функционируют транспортные системы (кровоток, лимфоток), тем в большей степени выражены явления альтерации.
   В условиях «in vivo» изучалось воздействие излучения на ткани мочеточника 8 беспородных собак. Воздействие осуществлялось контактно на внутреннюю стенку мочеточника. В каждом случае производилось воздействие 500 импульсов лазерного литотриптора. Материал фиксировали в 10% растворе нейтрального формалина и заливали в парафин. Сразу после воздействия образцы ткани, подвергшейся воздействию, изымались для проведения морфометрического анализа. Срезы окрашивали гематоксилином, эозином и пикрофуксином. На Рис.1 представлена фотографии срезов ткани мочеточника после контактного воздействия на внутреннюю поверхность мочеточника. На рисунке выделена область воздействия, стрелкой отмечено место контакта дистального торца волокна со слизистой мочеточника.

Рис.1 Фотография среза ткани мочеточника: а — подвергшейся контактному воздействию на внутреннюю поверхность 500 импульсов с энергией импульса 130 мДж (стрелкой отмечено место контакта дистального торца волокна со слизистой); б – та же область с увеличением. Результаты морфометрии при воздействии на стенку мочеточника: признаки повреждения незначительны и носят обратимый характер

    Морфологические изменения мочеточника, развивающиеся немедленно после лазерного воздействия, охватывали все тканевые элементы его стенки. В слизистой оболочке за время воздействия лазерного излучения происходило отторжение ее эпителиальной выстилки и возникал коагуляционный (фибриноидный) некроз поверхностных соединительных пучков собственной пластинки слизистой глубиной до 0,3 мм, состоящий из прерывистых глыбчатых бесструктурных эозинофильных масс.
    Далее от зоны некроза в глубоких слоях слизистой отмечались нарушения микроциркуляции, проявляющиеся тромбозом и деструкцией сосудистой стенки, диапедезными кровоизлияниями и межуточным отеком. В гладкомышечной оболочке определялись некробиотические, некротические, дистрофические изменения и микроциркуляторные расстройства, которые нарастали по мере увеличения мощности лазерного излучения. Преимущественно развивались диапедезные кровоизлияния, локальный распад и лизис мышечных волокон. В адвентициальной оболочке стенки мочеточника и прилегающих к ней рыхлой соединительной и жировых тканях регистрировались в основном микроциркуляторные расстройства, степень выраженности и распространенности которых зависела от мощности излучения лазера. При этом в тканях развивались полнокровие сосудов, диапедезные кровоизлияния, скопление и выход за пределы сосудистой стенки нейтрофильных лейкоцитов и формирование очаговых лейкоцитарных инфильтратов.
    При воздействии излучения с энергией импульса 100 мДж в стенке мочеточника обнаруживался дефект слизистой оболочки с отторжением клеток эпителиальной выстилки. В собственной пластинке слизистой определялся очаг коагуляционного некроза соединительнотканных элементов в виде глыбчатых бесструктурных масс, отек межуточной ткани, незначительные диапедезные кровоизлияния и тромбоз отдельных сосудов. Гладкомышечный слой стенки мочеточника был несколько уплотнен и истончен, в некоторых волокнах выявлялся кариопикноз ядер. Волокнистоэластическая адвентициальная оболочка умеренно гиперемирована с небольшими диапедезными кровоизлияниями. На месте применения лазера в стенке мочеточника обнаруживался дефект слизистой оболочки длиной 5 мм с отторжением клеток эпителиальной выстилки.
   При повышении энергии импульса до 120 мДж происходило отторжение эпителиальной выстилки слизистой, развивался коагуляционный некроз соединительной ткани в собственной пластинке в виде аморфных глыбчатых масс, отек межуточной ткани, тромбоз сосудов, мелкие диапедезные кровоизлияния. В гладкомышечной оболочке определялись очаги некроза и некробиоза, разволокнение и отек межмышечной соединительной ткани. В адвентициальной оболочке наблюдались полнокровие, отек, диффузные массивные диапедезные кровоизлияния, небольшие скопления лейкоцитов.
    При увеличении энергии до 130 мДж отмечалось отторжение эпителиальной выстилки, коагуляционный некроз соединительной ткани поверхностных слоев собственной пластинки слизистой в виде глыбчатых масс, тромбоз мелких сосудов, отек и диффузные диапедезные кровоизлияния. В гладкомышечном слое наблюдался некробиоз и некроз отдельных мышечных волокон, полнокровие сосудов, обширные мышечные диапедезные кровоизлияния с разъединением и разволокнением мышечных волокон. В адвентиции выявлялось резкое полнокровие сосудов, краевое стояние и скопление нейтрофильных лейкоцитов с эмиграцией их за пределы сосудистой стенки и образованием очаговых инфильтратов. В адвентиции микроциркуляторные расстройства распространялись несколько шире от места воздействия лазера. При воздействии двухволнового излучения лазерного литотриптора с энергией импульса, при которой происходит эффективная фрагментация камней, несмотря на продолжительность воздействия от 500 до 1000 импульсов с частотой повторения импульсов от 6,25 Гц до 10 Гц
ни в одном из случаев не наблюдалось перфорации мочеточника
у экспериментальных животных (кролики и собаки).

Контактное воздействие на слизистую мочеточника (кролик)

    Из Таблицы 2 видно, что признаки повреждения (альтерации) нарастают по мере повышения энергии лазерного импульса или количества выстрелов. Увеличивается количество клеток с признаками различных вариантов дистрофии, в том числе зернистой, когда в цитоплазме клеток появляется большое количество мелких эозинофильных гранул, либо гидропической (вакуольной) дистрофии, характеризующейся появлением в цитоплазме вакуолей различной величины. Но если появление мелких вакуолей (мелкокапельная гидропическая дистрофия) и в небольшом количестве – явление обратимое, то когда вакуоли занимают большую часть пространства цитоплазмы, либо имеют величину сравнимую с величиной ядра – процесс необратим и со временем неминуемо перейдет в некробиоз и некроз. Таким образом, увеличивается величина зоны альтерации по прошествии некоторого времени, за счет морфологических изменений ткани, имеющих про-межуточный характер.
   Увеличивается количество клеточных элементов с явлениями некробиоза, преимущественно за счет развивающегося процесса фокального либо тотального коликвационного некроза. Появляются очаги деструкции в соединительнотканной строме, характеризующиеся развитием γ-метахромазии. Однако эти очаги не носят характер необратимых вариантов повреждения соединительной ткани, а ограничиваются лишь явлениями мукоидного набухания и явлений отека. Таким образом, можно отметить, что признаки повреждения выражены незначительно и большинство из них носят обратимый характер. Увеличение среднего диаметра сосудов микроциркуляторного русла свидетельствует о возможной активации репаративных процессов, которые достаточно быстро смогут возместить небольшие фокусы повреждения.
   Следует для сравнения сказать о степени поврежения стенок мочеточника при использовании в литотрипсии наиболее распространенных сегодня лазерных литотрипторов на основе гольмиевых лазеров. Гольмиевые лазеры, работающие в режиме свободной генерации, имеют длину волны излучения 2,1 мкм и выходную мощность излучения до 80 Вт. Имея высокий коэффициент поглощения в воде, излучение Ho:YAG лазера хорошо поглощается как веществом камня, так и водой содержащейся в них. Сильное поглощение излучения веществом камня и водой, присутствующей в них, позволяет использовать такие лазеры и для фрагментации камней. Реализуется фототермический механизм разрушения камней за счет процессов плавления и химического разложения сквозь водно-паровой канал формируемый при поглощении излучения.
   В отличие от гольмиевых лазеров, использование для контактной лазерной уретеролитотрипсии двухволнового лазерного излучения микросекундной длительности, основного излучения лазера на кристалле Nd:YAG с длиной волны 1,0796 мкм и второй гармоники излучения с длиной волны 0,5398 мкм позволяет реализовать фотоакустический механизм разрушения камней, за счет генерации ударных волн, распространяющихся в веществе камня после схлопывания кавитационного пузыря на поверхности камня.
    Согласно результатам проведенных в условиях in vitro и in vivo экспериментов двухволновое излучение микросекундного диапазона длительностей эффективно и безопасно для контактной лазерной литотрипсии, что подтверждается клиническим опытом ее применения.

    

Иллюстрацией избирательности воздействия литотриптора на ткани разной структуры является разрушение скорлупы сырого куриного яйца, при которой мягкая подскорлуповая оболочка не повреждается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Статья:
А. Л. Бондаренко, А. Е. Бубнов, В. И. Кирпатовский, Д. Г. Кочиев, Ю. В. Кудрявцев, М. М. Лагиев, Р. В. Серов, О. В. Теодорович. Определение степени повреждения мягких тканей при фрагментации камней и коагуляции тканей излучением лазерного урологического комплекса «Лазурит» // Материалы конференции «Фундаментальные науки-медицине». 10-11 декабря. 2003. стр. 102-104.(Скачать)