с 01.09.1980 по 11.07.2018
Пермский край, Россия
с 01.09.1980 по 11.07.2018
Пермь, Пермский край, Россия
с 01.09.1985 по 11.07.2018
Пермский край, Россия
с 01.09.1978 по 11.07.2018
Пермский край, Россия
с 01.09.1970 по 11.07.2018
Пермский край, Россия
с 01.01.2004 по 01.01.2018
Пермь, Пермский край, Россия
Предмет. Создание материалов и покрытий, уменьшающих адгезию и формирование микробных пленок на поверхности ортопедических конструкций, в том числе дентальных имплантатах и системах для остеосинтеза, позволяет предупредить возможные осложнения при стоматологическом хирургическом и ортопедическом лечении. В статье рассматриваются варианты использования отечественных разработок: наноразмерного диоксида титана и низкомолекулярного катионного пептида варнерина для снижения биопленкообразования на поверхности конструкционных материалов. Цель ― изучение физиологических и гематологических изменений в структурно-функциональном гомеостазе половозрелых крыс-самцов при имплантации им в мышечную ткань бедра образцов диоксида титана с наноструктурированной поверхностью и дополнительно обработанных вновь синтезированным пептидом варнерином в различных концентрациях. Методология. Разработана и предложена авторская методика нанесения на изделия медицинского назначения, выполненные из титана, наноструктурированного поверхностного слоя диоксида титана и низкомолекулярного катионного пептида варнерина. Для обеспечения доказательной базы преимуществ использования предложенных антибактериальных покрытий проведено экспериментально-лабораторное исследование с изучением физиологических и гематологических показателей опытных животных (беспородные белые крысы) при внутримышечной имплантации изучаемых образцов и определением оптимальной дозировки пептида варнерина. Результаты. Экспериментальные образцы наноструктурированного диоксида титана с варнерином в дозе 120 мг/мл потенцировали цитотоксические и цитолитические реакции организма животных. При введении имплантатов, обработанных варнерином в дозе 60 и 30 мг/мл, формировался широкий спектр протективных механизмов, которые под действием низкомолекулярного пептида варнерина «организовывались» в единый комплекс реагирования, обеспечивая более (с варнерином 60 мг/мл) или менее (с варнерином 30 мг/мл) эффективную защиту органов и тканей и адаптацию организма на генетически чужеродный материал. Выводы. Полученные результаты исследования определили оптимальную дозировку низкомолекулярного катионного пептида варнерина (60 мг/мл) в качестве антибактериального средства, предупреждающего образование микробных пленок на конструкционном материале на основе наноструктурированного диоксида титана, и открывают широкие перспективы для его использования в практической деятельности врача-стоматолога.
эксперимент, диоксид титана, пептид варнерин, гематологические показатели
Введение
Современный уровень научно-технического прогресса во многом определяет и приоритетные направления в развитии стоматологического материаловедения. В частности, наноразмерный диоксид титана позволяет решать сложные задачи в практике врача-стоматолога [1]. Одной из них является создание материалов и покрытий, уменьшающих вероятность адгезии и формирования микробных пленок на поверхности ортопедических конструкций, в том числе дентальных имплантатах и системах для остеосинтеза, предупреждая тем самым возможные осложнения на этапах хирургического и ортопедического лечения [2―15]. Предварительно проведенные нами лабораторные исследования наноструктурированных материалов и покрытий на основе диоксида титана, полученных по разработанной авторской методике [16], выявили у них способность ингибирования микробных пленок и возможность усиления данного эффекта путем применения низкомолекулярного катионного пептида варнерина, обладающего антибактериальными свойствами [17―19]. В доступных научных источниках нами также обнаружены результаты проведенных исследований по изучению антибактериальных свойств пептидов [20―24].
Таким образом, целью работы явилось изучение физиологических и гематологических изменений в структурно-функциональном гомеостазе половозрелых крыс-самцов при имплантации им в мышечную ткань бедра образцов диоксида титана с наноструктурированной поверхностью и дополнительно обработанных пептидом варнерином в концентрациях 120, 60 и 30 мг/мл.
Материалы и методы исследования
В экспериментальной части работы использованы белые беспородные крысы, которые содержались в стандартных условиях, соответствующих нормам, указанным в руководстве «The Guide for Care and Use of Laboratory Animals» (LAR publication, National Academy Press, 1996).
На этапе, предшествующем материальному моделированию, произведен тщательный отбор молодых беспородных белых крыс (Rat outbred albus) в возрасте 2–2,5 месяца. Грызуны, взятые из второго сентябрьского помета, имели нормальное физическое развитие. Анатомо-физиологические особенности, зоосоциальное поведение половозрелых 55 самцов, взятых в эксперимент, соответствовали III репродуктивному периоду. Животные были распределены на шесть групп. В первую (контрольную) вошли 9 особей с предварительной оценкой данных их индивидуального гомеостаза в исходном фоне. Масса их тела, клеточный состав периферической крови, эритроцитарные индексы соответствовали нормам для беспородных крыс-самцов, установленных на территории Российской Федерации [24, 25]. Поэтому результаты их «фоновой» биологической реактивности являлись оптимальными для сравнения с показателями жизнедеятельности остальных животных, взятых в эксперимент. Ранжирование 46 особей осуществлено в зависимости от введенного инородного материала (табл. 1). После распределения самцов на группы проведено вживление в мышечный слой задней поверхности бедра образцов из медицинского стекла и диоксида титана с различными вариантами его технологической обработки.
Таблица 1
Распределение крыс по группам с характеристикой контрольного и экспериментальных образцов, используемых в исследованиях
Table 1
Distribution of rats in groups with the characteristic of the control and experimental samples used in studies
|
№ группы |
Кол-во крыс |
Контрольный и экспериментальные образцы из: |
Условные сокращения |
|
1 |
9 |
медицинского стекла марки ВС-3, ГОСТ 19808―86 (контроль) |
Стекло |
|
2 |
8 |
диоксида титана |
TiO2 |
|
3 |
8 |
диоксида титана с наноструктурированной поверхностью |
TiO2 нано |
|
4 |
11 |
диоксида титана с наноструктурированным слоем, обработанных варнерином в дозе 120 мг/мл |
TiO2 нано/ варнерин 120 |
|
5 |
10 |
диоксида титана с наноструктурированным слоем, обработанные варнерином в дозе 60 мг/мл |
TiO2 нано/ варнерин 60 |
|
6 |
9 |
диоксида титана с наноструктурированным слоем, обработанные варнерином в дозе 30 мг/мл |
TiO2 нано/ варнерин 30 |
Источник: данные авторского исследования.
Source: data of an author's research.
С целью уменьшения вреда, нанесенного Rat outbred albus при инвазивном вмешательстве, снижения «болевой нагрузки», сопряженной с частыми заборами крови, для дальнейшего анализа показателей групповой реактивности грызунов и особенностей мобилизации у них защитных механизмов в ответ на повреждение предпочтение было отдано простым, чувствительным, физиологичным по сути своей тестам, имеющим важное биологическое и информационное значение при оценке основных параметров жизнедеятельности организма.
Результаты, обсуждение и выводы
Контроль массы тела половозрелых особей, начиная с исходного фона с последующей динамикой ее прироста к завершающему сроку экспериментального наблюдения (28-м суткам), рассматривался нами в качестве одного из интегральных показателей общего состояния самцов.
Анализ массы тела раскрыл двойственную природу реагирования крыс на инородный материал. В одном случае разница ежедневной прибавки веса у животных 2-, 3- и 6-й групп была минимальной (0,1–0,2 гр.), относительно результата 1-й группы ― 2,89±0,20 гр. Это обусловило одновекторную динамику его прироста за 28 суток, а также итоговые показатели массы грызунов, которые значимо не отличались от замеров в контроле ― 398,22±3,01. В другом случае при мониторировании динамики массы выявлена разновекторная его направленность. Так, Rats outbreds albus 4-й группы с TiO2 нано/варнерином 120 мг/мл имели самые низкие значения месячного прироста и массы тела на выходе из эксперимента ― 365,09±5,86. В то же время в 5-й группе у самцов с введенными образцами из TiO2 нано/варнерином 60 мг/мл характеристики этого биометрического параметра статистически значимо превысили все межгрупповые данные, достигнув к концу опыта 415,20±2,11 гр.
При оценке физиологических показателей у грызунов 1-й группы было установлено, что к 28-м суткам в этом биотопе в послеоперационном периоде наблюдалась кратковременность повышения температуры тела и гематологических показателей крови (табл. 2), а ежедневный прирост их массы свидетельствовал о большей «пластичности» функциональной адаптации животных относительно резервных возможностей морфологической перестройки тканей. Вместе с тем возникла уверенность в том, что инвазивное вмешательство не повлияло на фенотипические проявления реактивности контрольных особей и сохранило их биоценотический уровень в «неприкосновенности». В дальнейшем это позволило использовать данных самцов в качестве неких «эталонов» при анализе показателей индивидуального гомеостаза у крыс опытных групп.
Во 2-й группе животных с имплантированными образцами TiO2 пять суток держалась базальная температура (t°) с колебаниями от 37,78±0,03 до 37,57±0,02° при норме 37,30±0,1° [4], а локальная (в проекции имплантируемого образца) статистически значимо превышала нормативный показатель t° зоны бедра (36,90±0,1°) в течение недели с диапазоном ее изменений от 37,66±0,04 до 37,07±0,03°. Кроме того, к завершению эксперимента в этой группе все еще выявляли умеренный лейкоцитоз (16,81±1,56×103/мкл) с достоверными абсолютными эозинофилией и лимфоцитозом в сравнении с указанными признаками в контроле.
При использовании в качестве имплантата TiO2 нано у животных 3-й группы к 28-му дню сохранялись лишь незначительные гематологические сдвиги в лейкоформуле с абсолютным парциальным увеличением мононуклеаров.
Таблица 2
Показатели содержания лейкоцитов периферической крови у конвенциональных крыс контрольной группы и животных экспериментальных групп в возрасте 3–3,5 месяца
Table 2
Parameters of peripheral blood leukocyte count in conventional rats of the control group and animal experimental groups at the age of 3 to 3,5 months
|
Показатели крови |
Лейкоцитарная формула и абсолютные показатели лейкоцитов крови в 103/мкл на 28-й день эксперимента, М±m |
|||||
|
№ группы животных: |
||||||
|
1 ― стекло |
2 ― TiO2 |
3 ― TiO2 нано |
4 ― TiO2 нано/варн.120 |
5 ― TiO2 нано/варн.60 |
6 ― TiO2 нано/варн.30 |
|
|
Кол-во лейкоцитов |
9,28±0,74 |
16,81±1,56 * |
13,22±0,75* |
20,61±1,27 * |
9,78±0,27 ** |
13,19±0,68 *׳** |
|
базофилы, % |
0,33±0,18 |
0,38±0,40 |
0,25±0,17 |
0,64±0,26 |
0,00±0,00 ** |
0,00±0,00 ** |
|
базофилы абс. |
0,24±0,12 |
0,48±0,51 |
0,32±0,23 |
1,36±0,51 * |
0,00±0,00 ** |
0,00±0,00 ** |
|
эозинофилы, % |
3,33±0,61 |
3,50±0,61 |
3,00±0,49 |
7,09±0,92 * |
2,60±0,32 ** |
2,89±0,65 ** |
|
эозинофилы абс. |
0,29±0,05 |
0,59±0,11 * |
0,39±0,07 |
1,40±0,15 * |
0,25±0,03 ** |
0,38±0,09 ** |
|
юные нейтрофилы, % |
0,00±0,00 |
0,00±0,00 |
0,00±0,00 |
0,82±0,34 * |
0,00±0,00 ** |
0,00±0,00 ** |
|
юные нейтрофилы абс. |
0,00±0,00 |
0,00±0,00 |
0,00±0,00 |
0,20±0,08 * |
0,00±0,00 ** |
0,00±0,00 ** |
|
п/я нейтрофилы, % |
0,00±0,00 |
0,25±0,17 |
0,25±0,17 |
2,45±0,17 * |
0,20±0,14 ** |
0,33±0,18 ** |
|
п/я нейтрофилы абс. |
0,00±0,00 |
0,04±0,03 |
0,04±0,03 |
0,51±0,05 * |
0,02±0,01 ** |
0,04±0,02 ** |
|
с/я нейтрофилы, % |
25,00±2,82 |
20,13±2,41 |
17,63±2,08* |
22,64±1,29 |
17,40±1,14 *׳** |
18,44±2,88 |
|
с/я нейтрофилы абс. |
2,38±0,37 |
3,24±0,27 |
2,36±0,33 |
4,64±0,36 * |
1,70±0,11 ** |
2,44±0,11 ** |
|
индекс ядерного сдвига (ИЯС) |
0,00±0,00 |
0,01±0,01 |
0,01±0,01 |
0,15±0,02 * |
0,01±0,01 ** |
0,02±0,01 ** |
|
лимфоциты, % |
65,56±2,35 |
71,75±2,31 |
71,88±2,57 |
60,91±1,71 |
73,00±1,70 *׳** |
71,56±2,68 ** |
|
лимфоциты абс. |
6,05±0,50 |
12,23±1,46 * |
9,49±0,60 * |
12,57±0,88 * |
7,12±0,19 *׳** |
9,42±0,59 *׳** |
|
моноциты, % |
5,78±0,52 |
4,00±0,73 |
7,00±0,81 |
5,45±0,59 |
6,80±1,15 |
6,78±0,91 |
|
моноциты, абс. |
0,53±0,06 |
0,65±0,12 |
0,92±0,10 * |
1,14±0,16 * |
0,68±0,13 ** |
0,89±0,13 * |
Примечание: М±m* ― статистически значимые различия с показателями крыс 1-й (контрольной) группы; М±m** ― статистически значимые различия с показателями самцов 4-й группы, р < 0,05.
Источник: данные авторского исследования.
Source: data of an author's research.
У особей с TiO2 нано/варнерином 120 мг/мл (4-я группа) выявлены выраженный лейкоцитоз (20,61±1,27×103/мкл), абсолютная и относительная базофилия, эозинофилия, абсолютная нейтрофилия с регенеративным сдвигом влево, а также абсолютный лимфо- и моноцитоз. Кроме того, увеличение числа эритроцитов у самцов этой группы до 10,31±0,45×1012/л, превышающее почти в 1,5 раза данный показатель в контроле (6,90±0,23×1012/л), при статистически значимом ретикулоцитозе (4,09±0,28 %) в 4-й группе, можно было рассматривать не иначе как следствие стимулированного гемопоэза. К наиболее вероятным причинам установленного эритроцитоза относилось не только патологическое депонирование крови с ее сгущением, но и возможная избыточная выработка эритропоэтина (в почках, печени, костном мозге) вследствие тканевой гипоксии.
При уменьшении дозы варнерина до 60 мг/мл (5-я группа) наблюдались оптимизация защитно-приспособительных механизмов, развитие нормергического характера воспаления с минимально выраженной альтерацией у грызунов этой группы. Это обеспечило к концу 1-го месяца смещение локального воспалительного процесса в сторону саногенеза. Вместе с тем примером «эталонного» реагирования на инвазивное вмешательство стал и «лейкоцитарный профиль» периферической крови Rats outbreds albus, который был представлен доминирующими мононуклеарами. При этом количество лейкоцитов (9,78±0,27×103/мкл) у них не отличалось от общего числа «белых» клеток крови в контроле (9,28±0,74×103/мкл). Особи с введенным TiO2 нано/варнерином 60 мг/мл имели самые высокие межгрупповые показатели относительного и абсолютного содержания лимфоцитов (73,00±1,70 %; 7,12±0,19×103/мкл, см. табл. 2) и наиболее низкие значения нейтрофильных гранулоцитов (17,40±1,14 %; 1,70±0,11×103/мкл).
Восстановленные параметры функционального гомеостаза к 28-му дню опыта с самым высоким межгрупповым средним результатом массы тела ― 415,20±2,11 грамма, непродолжительный лихорадочный период после оперативного вмешательства (1-е сутки), а также «лимфоцитарный профиль» периферической крови у самцов 5-й группы в совокупности повысили их реактивность. Следовательно, перечисленные видовые признаки резистентности крыс с образцами TiO2 нано/варнерин 60 мг/мл в совокупности превзошли групповую устойчивость животных других экспериментальных групп к повреждающему экзогенному воздействию, включая контрольных Rats outbreds albus.
При использовании образцов TiO2 нано/варнерин 30 мг/мл (6-я группа) к 28-м суткам наблюдения определен незначительный абсолютный лимфомоноцитоз, который свидетельствовал о незавершенных защитно-приспособительных механизмах в организме грызунов этой группы, выраженность которых, по-нашему мнению, была близка к гипоергическому типу ― адекватному по качеству, но недостаточному по количеству.
Таким образом, диапазон установленных функциональных отклонений у самцов 4-й группы свидетельствовал о доминировании альтеративно-экссудативного компонента в патогенезе выявленных нарушений, тогда как у особей 5- и 6-й групп преобладали пролиферативно-репаративные процессы. Вместе с тем образцы с варнерином 120 мг/мл потенцировали цитотоксические, цитолитические реакции, способствуя возникновению вторичного повреждения в органах и тканях. В ответ же на введение имплантатов, обработанных варнерином в дозе 60 и 30 мг/мл, формировался широкий спектр протективных механизмов, которые под действием низкомолекулярного пептида варнерина «организовывались» в единый комплекс реагирования, обеспечивая более (с варнерином 60 мг/мл) или менее (с варнерином 30 мг/мл) эффективную защиту и адаптацию организма на генетически чужеродный материал.
Полученные результаты исследования позволяют перейти к клиническому изучению и определению оптимальных дозировок низкомолекулярного катионного пептида варнерина в качестве антибактериального средства, предупреждающего образование микробных пленок на конструкционном материале на основе наноструктурированного диоксида титана или с его использованием, и открывают широкие перспективы их использования в практической деятельности врача-стоматолога.
1. Путляев, В. И. Современные биокерамические материалы / В. И. Путляев // Соросовский образовательный журнал. - 2004. - № 1(8). - С. 44-50.
2. Рогожников, А. Г. Предупреждение образования биопленки на поверхности инновационных материалов для дентальной имплантации (экспериментально-лабораторное исследование) / А. Г. Рогожников, О. А. Шулятникова, Г. И. Рогожников // Сборник статей XXI Международная научная конференция «Онкология-XXI век». - 2017. - С. 175-179.
3. Ингибирование образования микробной пленки при наноструктурировании поверхности конструкционного материала / О. А. Шулятникова, С. Е. Порозова, В. П. Коробов, А. М. Ханов, Г. И. Рогожников, Л. М. Лемкина, А. А. Гуров // Уральский медицинский журнал. - 2016. - № 7 (140). - С. 20-24.
4. Окулич, В. К. Роль микробных биоплёнок в патогенезе инфекционных процессов на современном этапе / В. К. Окулич, Ф. В. Плотников, А. А. Кабанов // Иммунопатол,огия, аллергология, инфектология. - 2012. - № 4. - С. 70-82.
5. Вафин, С. М. Изучение первичной адгезии микробов к полимерным материалам / С. М. Вафин, И. Ю. Лебеденко // Стоматолог-практик. - 2014. - № 4. - С. 20-21.
6. Сидоренко, С. В. Роль бактериальных биопленок в патологии человека / С. В. Сидоренко // Инфекции в хирургии. - 2004. - № 3(2). - С. 16-20.
7. Zhao G., Usui Marcia L., Soyeon I. Lippman et al. Biofilms and Inflammation in Chronic Wounds. Adv Wound Care (New Rochelle), 2013, no. 2(7), pp. 389-399.
8. Donald R.M., Costerton J.W. Biofilm: survival mechanisms of clinically relevant microorganisms. Clin Microbiol Rev, 2002, no. 5(2), pp. 167-193.
9. Плотников, Ф. В. Комплексное лечение пациентов с гнойными ранами в зависимости от способности микроорганизмов-возбудителей формировать биопленку / В. Ф. Плотников // Новости хирургии. - 2014. - № 5(22). - С. 575-581.
10. Стафилококки в ротовой полости и их роль в биодеструкции съёмных неметаллических протезов / А. Г. Автандилов, И. А. Воронов, И. Ю. Лебеденко, Л. В. Диденко [и др.] // Российский стоматологический журнал. - 2015. - № 1. - С. 14-20.
11. Формирование биопленки на временных зубных протезах: соотношение процессов первичной микробной адгезии, коагрегации и колонизации / С. Д. Арутюнов, В. Н. Царев, Е. В. Ипполитов, С. В. Апресян [и др.] // Стоматология. - 2012. - № 5. - С. 5-10.
12. Бер, М. Устранение осложнений имплантологического лечения / М. Бер, П. Миссика, Ж. Джованьоли. - Москва : «Азбука», 2007. - 355 c.
13. Юдина, Н. А. Контроль биопленки в современной стратегии профилактики и лечения стоматологических заболеваний / Н. А. Юдина, А. Ю. Курочника // Стоматология. - 2009. - № 3. - С. 77-81.
14. Изучение покрытия из наноструктурированного анатаза на поверхности рутила / С. Е. Порозова, А. А. Гуров, О. Ю. Каменщиков, О. А. Шулятникова, Г. И. Рогожников // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. Наноструктурированные материалы и функциональные покрытия. - 2018. - № 1. - С. 51-58. doi.org/10.17073/1997-308X-2018-1-51-58
15. Экспериментальное исследование возможности ингибирования образования биопленки Staphylococcus epidermidis atcc 29887 на поверхности новых имплантационных материалов / А. Г. Рогожников, Г. И. Рогожников, В. П. Коробов, Л. М. Лемкина, С. Е. Порозова, О. А. Шулятникова, А. А. Гуров, И. А. Морозов // Российский вестник дентальной имплантологии. - 2014. - № 2. - С. 7-13.
16. Пептид варнерин как способ ингибирования образования бактериальных пленок на инновационных конструкционных материалах / О. А. Шулятникова, В. П. Коробов, Л. М. Лемкина, Г. И. Рогожников // Сборник трудов Национального конгресса с международным участием «Паринские чтения 2016». - 2016. - С. 115-118.
17. Шулятникова, О. А. Перспективы и возможности применения низкомолекулярного катионного пептида варнерина в практической деятельности врача-стоматолога (экспериментально-клинической исследование) / О. А. Шулятникова, Г. И. Рогожников, А. Г. Рогожников // Проблемы стоматологии. - 2017- № 2. - С. 70-75. doi:https://doi.org/10.18481/2077-7566-2017-13-2-74-79
18. Сипайлова, О. Ю. Антимикробные низкомолекулярные пептиды: факторы неспецифической защиты организма животных / О. Ю. Сипайлова, Д. В. Нестеров // Вестник Оренб. гос. ун-та. - 2013. - № 12. - С. 169-172.
19. Антибактериальное действие катионного пептида варнерина опосредовано активацией аутолитических систем атакуемых бактерий / Л. Б. Флатова, Л. М. Лемкина, Л. И. Кононова, Т. В. Полюдова, В. П. Коробов // Вестник Пермского университета. - 2010. - № 1(1). - С. 32-35.
20. Hancock R.E. Host defense (cationic) peptides: what is their future clinical potential. Drugs, 1999, vol. 57, no. 4, pp. 469-473.
21. Matsuzaki K. Control of cell selectivity of antimicrobial peptides // Biochimica et Biophysica Acta (BBA). Biomembranes, 2009, no. 1788(8), pp. 1687-1692.
22. Jin-Jiang H., Jin-Chun L., Min L., Qing-Shan H., Guo-Dong L. The Design and Construction of K11: A Novel α-Helical Antimicrobial Peptide. International Journal of Microbiology, 2012. Article ID 764834. doi.org/10.1155/2012/764834
23. Bechinger B., Gorr S.-U. Antimicrobial Peptides: Mechanisms of Action and Resistance. J. Dent Res, 2017, no. 96(3), pp. 254-260.
24. Справочник. Физиологические, биохимические и биометрические показатели нормы экспериментальных животных / Т. В. Абрашова, Я. А. Гущин, М. А. Ковалева [и др.]. - Санкт-Петербург : Изд-во «Лема», 2013. - 116 с.
25. Черешнев, В. А. Иммунология / В. А. Черешнев, К. В. Шмагель. - Москва : Центр стратегического партнерства, 2014. - 520 с.
