8-ізопростан як маркер оксидативного стресу в експериментальних тварин після імплантації хірургічних сіток з покриттям на основі танталу та його похідних

Размещено на http://allbest.ru

Харківський національний медичний університет Харків

8-ізопростан як маркер оксидативного стресу в експериментальних тварин після імплантації хірургічних сіток з покриттям на основі танталу та його похідних

О.А. Наконечна, О.В. Кислов

Україна

Резюме

На сьогодні у світі спостерігається проблема виникнення спайкового процесу після імплантації поліпропіленових хірургічних сіток, який спостерігається у близько 20--60 % пацієнтів у післяопераційному періоді. За останні 30 років тантал і його похідні зарекомендували себе як матеріали для біомедичних імплантів у стоматології та ортопедії.

Покриття на основі танталу в майбутньому можуть стати інгібітором розвитку спайкового та запального процесів після імплантації хірургічної сітки. Для кращого прогнозування результату після імплантації біомедичних матеріалів важливо визначити маркери розвитку оксидативного стресу. Зміни концентрації біомаркерів стану оксидантної системи, зокрема 8-ізопростану, можуть вказувати нам на розвиток патологічних станів за умов дії оксидативного стресу, які можуть мати суттєвий вплив на життєздатність клітин після хірургічного втручання.

Мета дослідження: визначення концентрації 8-ізопростану в крові щурів після імплантації хірургічних сіток з покриттям на основі танталу та оксиду танталу.

Методи дослідження. До експериментальної групи увійшли 36 щурів -- самців популяції WAG масою 240 ± 20 г. За допомогою хірургічного втручання було імплантовано поліпропіленову хірургічну сітку розміром 15x15 мм між черевною стінкою та різними відділами товстої кишки. Анестезію проводили за допомогою внутрішньочеревного шляху введення препарату «Релакс» (BioTestLab, Україна) у дозі 8 мг/кг.

Через 28 діб після оперативного втручання було проведено декапітацію експериментальних тварин шляхом цервікальної дислокації та відразу зібрано кров у стерильні пробірки K2 EDTA VACUTAINER (BD Vacutainer®). Зразки крові використовували для визначення вмісту 8-ізопростану в крові за допомогою імуноферментного аналізу з використанням набору «8-isoprostane EIA KIT» (Cayman Chemical Company, США) згідно з інструкціями виробника на спектрофотометрі «Solar» PV-1251C.

Результати та обговорення. Вміст 8-ізопростану в плазмі крові був статистично на 158,6 % вищим в експериментальній групі, якій було імплантовано хірургічну сітку без покриття, та на 171,5 % вищим в експериментальній групі, якій було імплантовано поліпропіленову хірургічну сітку з покриттям на основі нітриду танталу порівняно з результатами групи контролю. Концентрація 8-ізопростану в крові щурів після імплан-. тації поліпропіленових хірургічних сіток з покриттям на основі танталу та оксиду танталу була вищою на 102,6 % та 111,1 % відповідно, порівняно з результатами, отриманими в групі інтактних тварин, що свідчить про їх кращу біосумісність порівняно з результатами груп, яким було імплантовано хірургічну сітку без покриття та з покриттям на основі нітриду танталу.

Висновок. Отримані результати підтверджують, що покриття на основі танталу та оксиду танталу інгібують перекисне окислення ліпідів та демонструють чудову біосумісність і протизапальний ефект, що дає змогу розглядати можливість їх використання у майбутньому в герніопластиці.

Ключові слова: тантал, оксид танталу, 8-ізопростан, хірургічні сітки, оксидативний стрес.

Abstract

8-isoprostane as a marker of oxidative stress in experimental animals after implantation of surgical mesh with a coating based on tantalum and its derivatives

O.A. Nakonechna, O. V. Kyslov Kharkiv National Medical University Kharkiv, Ukraine

Nowadays, the world observes the problem of adhesion process after implantation of polypropylene surgical meshes, which occurs in about 30-40 % of patients in the postoperative period. Over the past 30 years, tantalum and its derivatives have proven themselves as materials for biomedical implants in dentistry and orthopedics. In the future, tantalum-based coatings may become an inhibitor of the development of adhesion and inflammatory processes after surgical mesh implantation. In order to better predict the implantation of biomedical materials, it is important to determine the markers of the development of oxidative stress. A change in the concentration of biomarkers of the state of the oxidants system, in particular 8-isoprostane, can indicate the development of pathological conditions under the conditions of oxidative stress, which can have a significant impact on the viability of cells after surgical intervention.

The aim of the study is to determine the concentration of 8-isoprostane in the blood of rats after implantation of surgical meshes coated with tantalum and tantalum oxide.

Materials and methods. The experimental group included 36 male rats of the WAG population weighing 240 ± 20 g. A 15x15 mm polypropylene surgical mesh was surgically implanted between the abdominal wall and various sections of the colon. Anesthesia was performed using the intraperitoneal route of administration of the drug «Relax» (BioTestLab, Ukraine) at a dose of 8 mg/kg. After 28 days, the experimental animals were decapitated by cervical dislocation, and blood was immediately collected in sterile K2 EDTA VACUTAINER tubes (BD Vacutainer®). Blood samples were used to determine the content of 8-isoprostane in the blood by enzyme-linked immunosorbent assay using the «8-isoprostane EIA KIT» kit (Cayman Chemical Company, USA) according to the manufacturer's instructions on the «Solar» PV-1251C spectrophotometer.

Results and discussion. The content of 8-isoprostane in blood plasma was statistically 158,6 % higher in the experimental group implanted with uncoated surgical mesh and 171,5 % higher in the experimental group implanted with polypropylene surgical mesh with tantalum nitride coating in comparison with the results of the control group. The concentration of 8-isoprostane in the blood of rats after implantation of polypropylene surgical meshes with a coating based on tantalum and tantalum oxide was higher by 102,6 % and 111,1 %, respectively, compared to the results obtained in the group of intact animals, which indicates their better biocompatibility compared to the results of the groups implanted with uncoated and coated tantalum nitride surgical mesh.

Conclusion. The obtained results indicate that coatings based on tantalum and tantalum oxide inhibit lipid peroxidation and demonstrate excellent biocompatibility and anti-inflammatory effect, which makes it possible to consider their future use in hernioplasty.

Keywords: tantalum, tantalum oxide, 8-isoprostane, surgical meshes, oxidative stress.

Вступ

Розвиток грижі -- це багатофакторний процес, пов'язаний з анатомічними вадами, підвищенням внутрішньочеревного тиску, хірургічними втручаннями або травмами. Такі грижі рідко бувають симптоматичними, але представляють ризик ущемлення, що призводить до більш тяжких ускладнень [1]. Пахвинні грижі проявляються повним або частковим виходом органів черевної порожнини у пахвинний канал і є одним з найпоширеніших захворювань, особливо в дорослих чоловіків [2]. Щороку в усьому світі виконують понад 20 мільйонів операцій, серед яких пахвинні грижі є однією з найчастіших причин для планових оперативних втручань [3].

У 1958 році доктор Френсіс Ашер запропонував новий підхід у лікуванні пахвинних гриж -- використання поліпропіленових сіток для корекції грижі [4], що стало значущим кроком у попередженні виникнення рецидивів у пацієнтів у післяопераційному періоді [5]. Згодом цей метод став золотим стандартом лікування пахвинних гриж і здобув популярність у спеціалістів по всьому світу, а протягом останніх 20 років імплантація поліпропіленових сіток дає чудовий результат у поєднанні з лапароскопічним методом оперативного втручання, що значно скорочує час госпіталізації пацієнтів та дає їм змогу швидше повернутися до звичного ритму життя [6]. Лапароскопічний метод оперативного втручання допомагає імплантувати хірургічні сітки внутрішньоочеревинно, перебуваючи в безпосередньому контакті зі структурами черевної порожнини. Але вказана методика поєднана з можливістю розвитку таких ускладнень, як виникнення спайкового процесу, кишкової непрохідності та утворення нориць [6].

Спайковий процес є важливою проблемою у хірургічній практиці. Зазвичай він утворюється після оперативних втручань внаслідок подразнення очеревини або хірургічної травми у черевній порожнині та характеризується фіброзом прилеглих тканин, який поєднує органи або тканини черевної порожнини [7]. Поширеність виникнення спайкового процесу після імплантації поліпропіленових сіток становить від 14 % до 68 % [8]. Тож наступний крок, який потребує ретельного вивчення, -- це удосконалення поліпропіленової хірургічної сітки шляхом нанесення на неї біосумісних покриттів для попередження виникнення спайкового процесу, що призведе до зниження відсотка післяоперційних втручань і пришвидшить процес одужання пацієнтів. На наш погляд, тантал (Та) та його похідні є найбільш прийнятними для вивчення біосумісних металів, враховуючи багаторічне успішне використання цього матеріалу для виготовлення імплантів у травматології та стоматології [9]. Однак, хірургічне втручання з імплантацією поліпропіленових сіток може супроводжуватися виникненням оксидативного стресу в організмі, тому одним із пріоритетних досліджень у нашому експерименті є визначення основного маркера стану оксидантної системи, а саме 8-ізопростану [10].

8-ізопростан це простагландиноподібна сполука, що належить до класу ізопростанів F2, що утворюється за рахунок перекисного окислення арахідонової кислоти і каталізується вільними радикалами. На відміну від простагландинів, для утворення 8-ізопростану не потрібна циклооксигеназа. Визначення концентрації 8-ізопростану використовують як маркер оксидативного стресу і біомаркер перекисного окислення ліпідів [11]. Метаболіти 8-ізопростану вимірюють у сечі, плазмі крові, спинномозковій рідині та амніотичній рідині, що забезпечує надійний неінвазивний підхід для оцінки перекисного окислення ліпідів in vivo та є великим прогресом у нашій здатності оцінювати стан оксидативного стресу. Відомо, що вміст 8-ізопростагландину F2a (8-epi PGF2a або 8-IsoP) у плазмі крові підвищений у пацієнтів з гострим інфарктом міокарда, атеросклерозом, хворобою Альцгеймера, ревматоїдним артритом, остеоартритом, цукровим діабетом, після хірургічного втручання і наявним інфекційним процесом [12]. Згідно з дослідженнями американського вченого Томаса Ван Ерве, 8-ізопростан є одним із найкращих біомаркерів оксидативного стресу in vivo [13].

Отже, зрозуміло, що будь-яка зміна концентрації біомаркерів стану оксидантної системи, зокрема 8-ізопростану, може вказувати на розвиток патологічних станів за умов дії оксидативного стресу, які можуть мати суттєвий вплив на життєздатність клітин і демонструвати дисбаланс в оксидантно-антиоксидантній системі, що обумовлює важливість нашого дослідження. біомедичних імплант хірургія поліпропіленовий сітка

Мета дослідження. Визначити концентрацію 8-ізопростану у крові щурів після імплантації хірургічних сіток з покриттям на основі танталу та оксиду танталу.

Матеріали та методи

При проведенні маніпуляцій із експериментальними тваринами суворо дотримувалися вказівок Директиви ЄС 2010/63/ЄС щодо захисту тварин, що використовуються в наукових цілях, і Конвенції Ради Європи щодо захисту хребетних тварин, що використовуються в експериментальних та інших наукових цілях (Страсбург, 1986). Дослідження ухвалено Комітетом з біоетики Харківського національного медичного університету (протокол № 3 від 21.09.2020).

До експериментальної групи увійшли 36 щурів -- самців популяції WAG масою 240 ± 20 г. Після акліматизації у віварії Харківського національного медичного університету, яка тривала 21 день, експериментальні тварини були розділені випадковим чином на чотири групи по 6 тварин у кожній. Щурів утримували у стандартних лабораторних умовах згідно зі «Стандартними правилами по упорядкуванню, устаткуванню та утриманню експериментальних біологічних клінік (віваріїв)», дотримуючись загальних принципів біоетики відповідно до Гельсінської декларації (Всесвітня медична асамблея, 1964). Тварини отримували однаковий обсяг води, доступ до їжі був вільним в усіх групах.

За допомогою хірургічного втручання було імплантовано поліпропіленову хірургічну сітку розміром 15х15 мм між черевною стінкою та різними відділами товстої кишки. Анестезію проводили за допомогою внутрішньочеревного шляху введення препарату «Релакс» (BioTestLab, Україна) у дозі 8 мг/кг, дієвою речовиною якого є пропофол (1 %). Першу (контрольну) групу становили інтактні тварини, другій групі було проведено хірургічне втручання без імплантації хірургічної сітки. Третій групі щурів було імплантовано хірургічну сітку без покриття. Четвертій групі імплантовано хірургічну сітку з покриттям на основі танталу. П'ятій групі було виконано імплантацію хірургічної сітки з покриттям на основі оксиду танталу. Шостій групі було імплантовано хірургічну сітку з покриттям на основі нітриду танталу. Фіксування хірургічної сітки виконували простими швами по вершині сітки, вузлами в бік апоневротичної площини, мінімізуючи кількість внутрішньоочеревинного стороннього тіла.

Через 28 діб після оперативного втручання було проведено декапітацію експериментальних тварин та відразу зібрано кров у стерильні пробірки K2 EDTA VACUTAINER (BD Vacutainer®). Зразки крові використовували для виявлення вмісту 8-ізопростану в крові за допомогою імуноферментного аналізу з застосуванням набору «8-isoprostane EIA KIT» (Cayman Chemical Company, США) згідно з інструкціями виробника на спектрофотометрі «Solar» PV-1251C. Вміст 8-ізопростану визначений у пг/мл.

Статистичну обробку отриманих даних проводили за допомогою програми Graph Pad Prism (Graph Pad, США). Показники порівнювали за допомогою непараметричного U-критерію Манна-Уітні. Результати у групах представляли у вигляді медіанного (Me) діапазону. Відмінності при p < 0,05 вважалися статистично значущими.

Результати та обговорення

На основі проведених досліджень на 28 добу було визначено, що вміст 8-ізопростану в плазмі крові був статистично на 158,6 % вищим в експериментальній групі, якій було імплантовано хірургічну сітку без покриття, та на 171,5 % вищим в експериментальній групі, якій було імплантовано поліпропіленову хірургічну сітку з покриттям на основі нітриду танталу порівняно з результатами групи інтактних тварин (рис. 1). Отримані результати вказують на наявний довготривалий оксидативний стрес в організмі експериментальних тварин, який надалі впливає на функціонування та життєздатність клітин.

У групах, яким було імплантовано поліпропіленові хірургічні сітки з покриттям на основі танталу та оксиду танталу вміст 8-ізопростану був вищим на 102,6 % та 111,1 % відповідно, у порівнянні із результатами, отриманими у групі інтактних тварин (табл. 1). Отримані дані вказують на те, що покриття Та і Ta2O5 демонструють чудову біосумісність у порівнянні із результатами групи експериментальних тварин, яким було імплантовано хірургічну сітку без покриття. Також, отримані результати підтверджують притаманні танталу протизапальні властивості.

Водночас результати вмісту 8-ізопростану у плазмі крові експеримпентальних тварин, яким було проведено хірургічне втручання без імплантації статистично не відрізнялося від отриманих результатів у групі інтактних тварин.

Рис. 1. Вміст 8-ізопростану (pg/mL) у плазмі крові щурів через 28 діб після хірургічного втручання без імплантації та з імплантацією поліпропіленових хірургічних сіток без покриття, з покриттям на основі танталу (Та), оксиду танталу (Ta2O5) та нітриду танталу (TaN).

Примітка: * -- значуща (p = 0,0372) відмінність порівняно з показниками групи 1; ** -- значуща (p < 0,0001) відмінність порівняно з показниками групи 1 та 2; *** -- значуща (p < 0,0001) відмінність порівняно з показниками групи 1, 2 та 4; **** -- значуща (p < 0,0001) відмінність порівняно з показниками групи 1, 4 та 5.

Таблиця 1

Вміст 8-ізопростану (pg/mL) у крові експериментальних тварин після хірургічного втручання без імплантації та після імплантації хірургічних сіток без покриття, з покриттям на основі танталу, оксиду танталу, нітриду танталу і в групі контролю

Примітка: 1 -- значуща (р < 0,0001) відмінність порівняно з показниками групи 1 та 2; 2 -- значуща (р = 0,0372) відмінність порівняно з показниками групи 1; 3 -- значуща (р < 0,0001) відмінність порівняно з показниками групи 4; 4 -- значуща (р < 0,0001) відмінність порівняно з показниками групи 4 та 5.

Висновки

Отже, результати визначення рівня 8-ізопростану в крові щурів свідчать про наявність оксидативного стресу після імплантації поліпропіленових хірургічних сіток без покриття та з покриттям на основі нітриду танталу. Покриття на основі танталу та оксиду танталу демонструють інгібування перекисного окислення ліпідів. Отримані результати свідчать про кращу біосумісність імплантів з покриттям танталу та оксиду танталу, можливість їх використання у майбутньому в герніопластиці, та в перспективі потребує подальшого вивчення для поліпшення післяопераційного відновлення пацієнтів і скорочення періоду реконвалесценції.

Посилання

1. Elango S, Perumalsamy S, et al. Mesh materials and hernia repair. Biomedicine (Taipei). 2017;7(3):16.

2. Lau WY. History of treatment of groin hernia. World J Surg 2002;26(6):748-59.

3. Fitzgibbons RJ Jr, Ramanan B, Arya S, et al. Long-term results of a randomized controlled trial of a nonoperative strategy (watchful waiting) for men with minimally symptomatic inguinal hernias. Ann Surg 2013;258(3):508-15.

4. Biondo-Simoes MLP, Carvalho LB, et al. Comparative study of Polypropylene versus Parietex composite®, Vicryl® and Ultrapro® meshes, regarding the formation of intraperitoneal adhesions. Acta Cir Bras. 2017;32(2):98-107.

5. Biondo-Simoes ML, Schiel WA, et al. Comparison between polypropylene and polypropylene with poliglecaprone meshes on intraperitoneal adhesion formation. Rev Col Bras Cir. 2016;43(6):416-23.

6. Schreinemacher MH, Van Barneveld KW, et al. Coated meshes for hernia repair provide comparable intraperitoneal adhesion prevention. Surg Endosc. 2013;27(11):4202-9.

7. Tabibian N, Swehli E, et al. Abdominal adhesions: a practical review of an often overlooked entity. Ann Med Surg (Lond). 2017;15:9-13.

8. Emans PJ, Schreinemacher MH, et al. Polypropylene meshes to prevent abdominal herniation. Can stable coatings prevent adhesions in the long term? Ann Biomed Eng. 2009;37(2):410-8.

9. Matsuno H, Yokoyama A, et al. Biocompatibility and osteogenesis of refractory metal implants, titanium, hafnium, niobium, tantalum and rhenium. Biomaterials 2001;22:1253-1262.

10. Rachis,an AL, Hrus,ca A, Cainap S, et al. The activity of 8-iso-prostaglandin F2alpha as an oxidative stress marker in vivo in paediatric patients with type 1 diabetes mellitus and associated autoimmunities. Clin Lab. 2014;60(2):253-259.

11. Fila, L., Grandcourtova, A., et al. Oxidative stress in cystic fibrosis patients with Burkholderia cenocepacia airway colonization: Relation of 8isoprostane concentration in exhaled breath condensate to lung function decline. Folia Microbiol. (Praha 2014). 59: 217--222.

12. Halliwell B, Lee CY. Using isoprostanes as biomarkers of oxidative stress: some rarely considered issues. Antioxidants and Redox Signalling 2010;13:145-56.

13. Thomas J van `t Erve TJ, Lih FB, et al. Reinterpreting the best biomarker of oxidative stress: The 8-iso-PGF(2a)/PGF(2a) ratio distinguishes chemical from enzymatic lipid peroxidation. Free Radic Biol Med, 2015; 83, 245-51.

Размещено на Allbest.ru