П. Е. Тимченко*, канд. физ.-мат. наук; Е. В. Тимченко*, канд. физ.-мат. наук; Л. Т. Волова**, доктор мед. наук; Н. В. Волов**, канд. мед. наук; О. О. Фролов*, студент
*Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королёва, Самара
**Самарский государственный медицинский университет, институт экспериментальной медицины и биотехнологий, Самара
E-mail: laser-optics.timchenko@mail.ru
Поступила в редакцию 17.09.2018
DOI:10.17586/1023-5086-2019-86-01-13-20
Биоимплантаты из тканей человека на основе твердой мозговой оболочки широко используются для реконструкции и восстановления структуры опорных и соединительных тканей реципиента.
В настоящее время в мировой стоматологической практике особую актуальность приобретает лечение атрофии мягких тканей десны в области обнаженных шеек зубов — так называемых рецессий десны. Их распространенность, по данным зарубежных авторов, увеличивается с возрастом с 38% в возрастной группе 30–39 лет до 90% в возрастной группе 80–90 лет [1].
Рецессии десны бывают как единичные, так и множественные: по данным ВОЗ единичные составляют 69,3%, множественные наблюдаются в 71,4% случаев [2]. Лечение рецессий проводят с целью стабилизации некариозно-измененных зубов, снижения болевой и температурной чувствительности, улучшения внешнего вида зубного ряда [3].
За последние 30 лет были разработаны и предложены операции как без применения пластического материала, так и с ним. Тенденцией последних лет стало применение в клинической практике способа коронального смещения лоскута для устранения одиночных и множественных рецессий десны. Среди существующих технологий устранения множественных рецессий наименее травматичной является операция Zucchelli [4].
При этом золотым стандартом на сегодняшний день остается пересадка свободного соединительно-тканного лоскута, взятого с твердого неба самого больного. Однако такая операция сопровождается образованием еще одной раневой поверхности, что создает определенный дискомфорт пациенту, а ограниченный объем аутотрансплантата не позволяет проводить лечение множественных рецессий. С этих позиций применение в качестве пластического материала биоимплантатов аллогенного происхождения наиболее перспективно.
Одним из путей решения устранения рецессий является использование твердой мозговой оболочки (ТМО) человека, изготовленной по оригинальной отечественной технологии «Лиопласт»® (ТУ-9398-001-01963143-2004). Применение ТМО в данном случае является оптимальным для лечения множественных рецессий [5].
Успешный результат таких операций зависит от качества и технологии производства биоимплантатов, направленной на сохранение необходимых биологических веществ, участвующих в регенеративном процессе, таких как коллаген, гликозаминогликаны, протеогликаны [6–8], и на удаление клеточных компонентов ДНК/РНК (дезоксирибонуклеиновая кислота/рибонуклеиновая кислота) – основного фактора антигенности.
Применение ТМО также перспективно в пластической хирургии в качестве «камуфляжа» при исправлении деформаций спинки носа [9].
В процессе изготовления биоимплантатов необходим постоянный мониторинг их качества с оценкой органической составляющей. Для этого применение оптических методов весьма перспективно, так как они могут использоваться как скрининговые, быстро выполняемые, малозатратные, без разрушения представленных образцов [10, 11].
Среди физических методов широкое применение для контроля имплантатов из ТМО нашла растровая электронная микроскопия [12], рентгеновская спектроскопия [13] и спектроскопия комбинационного рассеяния (СКР) [14–16], которая имеет определенные преимущества и позволяет в реальном времени проводить неразрушающий, количественный и качественный анализ состава биологических объектов с высоким пространственным разрешением.
Так, в исследовании [17] были изучены менингиома и здоровая ТМО с помощью микроспектроскопии для оценки возможности разработки метода in vivo. В результате было установлено, что СКР позволяет дифференцировать ТМО и опухолевые ткани. Основные различия ТМО по сравнению с опухолевыми тканями проявляются в высоком содержании коллагена.
Целью настоящей работы являлась качественная и количественная оценка имплантатов из ТМО по технологии «Лиопласт»® в процессе их изготовления методом СКР.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В качестве основного метода анализа биоимплантатов был использован метод СКР, реализуемый с помощью экспериментального стенда, включающего рамановский пробник RPB-785 (фокусное рас- стояние 7,5 мм), совмещенный с лазерным модулем LuxxMaster LML-785.0RB-04 (мощность до 500 мВт, длина волны 784,7 ± 0,05 нм) и высокоразрешаю- щий цифровой спектрометр Shamrock sr-303i, обе- спечивающий спектральное разрешение 0,15 нм, со встроенной охлаждаемой камерой DV420A-OE [18] (спектральный диапазон 200–1200 нм). Спек- тры регистрировались в семи различных точках каждого образца.
Объектами исследования являлись 12 образ- цов ТМО наружной оболочки размером 10×10 мм. Все образцы были разделены на 2 группы: 1-я груп- па — образцы, обработанные ультразвуком, 2-я группа — образцы без обработки ультразвуком.
На первом этапе производства биоимплантатов из ТМО по технологии «Лиопласт»® биоматери- алы подвергались специальной ультразвуковой очистке от антигенных структур (жир, кровь, клет- ки ТМО) для проведения первичной стерилизации материала и вирусной инактивации. После этого ткани лиофилизировались, а затем на заключи- тельном этапе герметично упакованный материал стерилизовался радиационным методом. Хими- ческое воздействие при изготовлении сводилось к минимуму для снижения аллергических реак- ций и осложнений.
Обработка спектров комбинационного рассея- ния (КР) проводилась в программной среде Wolfram Mathematica 10 и заключалась в удалении шумов сглаживающим медианным фильтром по 7 точ- кам. Затем в выбранном интервале 300–2200 см–1 с помощью итерационного алгоритма [19, 20] опре- делялась аппроксимирующая линия (полином 7-й степени) автофлуоресцентной составляющей, после чего эта составляющая вычиталась для вы- деления спектра КР. Погрешность используемых коэффициентов не превышала 4% [16].
Метод моделирования спектрального контура для повышения информативности спектров был ре- ализован в программной среде MagicPlotPro 2.7.2, где проводилось разложение спектра на линии, описываемые функцией Гаусса [21]. Дальнейший хемометрический анализ с помощью метода глав- ных компонент (PCA) реализован в программной среде The Unscrambler X.
Анализ спектров комбинационного рассеяния
Характерные усредненные по 12 образцам спек- тры КР двух групп образцов ТМО в области 750– 2000 см–1 представлены на рис. 1. Основные раз- личия проявляются в линиях КР 929, 1002, 1030, 1080, 1102, 1167, 1660 и 1738 см–1. Анализ спек- тров КР представлен в таблице.
Интенсивность линии, соответствующей фос- фолипидам (1738 см–1), уменьшается в результате ультразвуковой обработки, что говорит о ее влия- нии на данный компонент биоматрикса.
Коллагеновая составляющая, помимо линий КР пролина и гидроксипролина, представлена груп- пами амида III (в области 1230–1280 см–1), амида II (1555–1565 см–1) и амида I (1655–1675 см–1), а так- же линиями КР 1002, 1030 и 1102 см–1, соответ- ствующими колебаниям фенилаланина.
Во всех группах образцов также присутствует линия КР 814 см–1, соответствующая фосфоди- эфирной связи ДНК/РНК, что возможно свиде- тельствует о разрушении ядер и неполном выводе из образцов остатков ДНК/РНК.
Анализ спектральных линий в области 1000–1300 см–1 затруднителен без их разделения. То есть, для получения более детальной информа- ции следует использовать математические методы обработки, позволяющие повысить информатив- ность спектров КР.
Разделение спектральных контуров
C помощью подбора спектрального контура и де- конволюции функции Гаусса в программной сре- де MagicPlotPro 2.7.2 был проведен нелинейный регрессионный анализ спектров КР, состоящий в их разложении на спектральные линии (рис. 2). В качестве пробной использовалась функция Гаусса, описываемая формулой [21]
Критериальной переменной являлась амплиту- да линий, которая зависит от независимых пере- менных (регрессоров) dx и x0, определяющих на- чальные условия анализа. Среднее значение коэф- фициента детерминации результирующего спек- тра, смоделированного с помощью пробных функ- ций исходного спектра КР в области 750–2050 см–1, составляет R2 = 0,997.
Степень обработки и качество имплантатов определяется полнотой удаления клеточных ком- понентов (ДНК, РНК) и сохранностью созданного экстраклеточного матрикса, основными компо- нентами которого являются коллаген, гликоза- миногликаны, протеогликаны [7]. Качество им- плантата напрямую зависит от содержания в нем данных компонентов.
Наибольший интерес при анализе спектров КР представляют линии 1420 и 814 см–1 (ДНК, РНК), 856 и 929 см–1 (пролин), 1062 и 1167 см–1 (GAGs, CSPGs), 1240 см–1 (амид III), 1560 см–1 (амид II), 1660 см–1 (амид I и липиды), 1080, 1440, 1738 и 1134 см–1 (липиды и жирные кислоты).
Следует отметить, что нелинейный регрессион- ный анализ спектральной кривой имеет ограни- чения, связанные с разрешением спектральных линий, поэтому достоверное разделение линий с перекрытием менее 10см-1 не представляется возможным[28].
Для контроля этих параметров и более полной относительной количественной оценки ком- понентного состава поверхности биоимплантатов на основе ТМО были введены относительные ко- эффициенты. Относительно постоянной линией в исследуемых образцах ТМО являлся амид II [7] (рис. 1) 1560 см–1, поэтому амплитуда этой разде- ленной линии использовалась в качестве знамена- теля (I1560) во введенных коэффициентах (k)
Хемометрический анализ методом главных компонент
Для анализа этих данных был выбран метод глав- ных компонент, который используется для выяв- ления скрытой структуры в больших массивах дан- ных. Он обеспечивает визуальное представление взаимосвязей между выборками и переменными и дает представление о том, как измеряемые пе- ременные выявляют сходство или различия не- которых выборок между ними. Большие матри- цы данных обычно содержат и большой объем ин- формации. Эта информация может быть частично скрыта, поскольку данные слишком сложны, что- бы их можно было легко интерпретировать.
Данный метод реализован в программной среде The Unscrambler X. Используемый алгоритм для PCA описан в работе [31]. Результаты PCA пред- ставлены в виде набора данных: график счетов (рис. 3), график нагрузок (рис. 4) и разъясненная дисперсия.
Разъясненная дисперсия показывает, какая часть данных описывается моделью и выражает долю информации, описываемую созданной моде- лью, т.е. насколько хорошо модель подходит для описания этих данных. В идеале стремятся полу- чить простые модели, где остаточная дисперсия близка к нулю с минимальным количеством глав- ных компонент. Если это не так, значит, данные были сильно зашумлены или структура данных слишком сложна, чтобы учитываться небольшим количеством компонент.
В нашем случае главная компонента PC-1 не- сет в себе 41% информации, описываемой моде- лью (рис. 3), поэтому при дальнейшем анализе будет учитываться только PC-1. Компонента PC-2 в дальнейшем анализе не учитывается, поскольку, как видно из рис. 4 и 5, отсутствует информация, позволяющая интерпретировать ее физический смысл. Анализ последующих главных компонент PC-3–PC-7 также затруднителен ввиду сложной структуры данных и существования других неуч- тенных факторов, влияющих на количественный компонентный состав (шумы).
График счетов описывает структуру данных и, как правило, показывает различия или сходство между группами образцов. Рисунок 4 показыва- ет, что основные отличия между двумя группа- ми образцов описывает главная компонента PC-1. Положительные значения PC-1 в главной степени характерны для образцов без ультразвуковой об- работки и наоборот отрицательные – для образцов с ультразвуковой обработкой. Также на графике имеется область, в которой лежат счета образцов обеих групп, что говорит не только о различии, но и о сходстве по некоторым признакам (перемен- ным), в нашем случае – относительной интенсив- ности спектральных линий, соответствующих ком- понентам биоматрикса образцов ТМО.
Нагрузки описывают структуру данных в виде вклада переменных в нагрузку на каждый PC и отражают, насколько хорошо PC учитывает вариацию значений переменных.
Из анализа рис. 4 и 5 и выходных данных PCA можно сделать следующие выводы:
Различия между группами образцов описыва- ют коэффициенты, отражающие относительную интенсивность линий 1660 см–1 (амид I), 1440 см–1 (липиды), 1738 см–1 (фосфолипиды), 856, 929 см–1 (пролин), 1600 см (фенилаланин). Эти переменные имеют большие значения в образцах без ультразвуковой обработки. Для образцов с ультразву- ковой обработкой характерны более высокие зна- чения переменных, лежащих в области I: 1134 см–1 (жирные кислоты), 1204 см–1 (пролин), 1080 см–1 (фосфолипиды), 1062 и 1167 см–1 (GAGs), 1002 см–1 (фенилаланин). При этом, чем выше значение PC-1 переменной, тем в большей степени она влияет на наблюдаемую разницу в компонентном составе, что, например, видно из значения коэффициента k1134. Из рис. 5 видно, что интенсивность спектральной линии 1134 см–1, соответствующей колебаниям жирных кислот и липидов, выше у образцов с ультразвуковой обработкой. Исходя из этого, поле данных на рис. 5 и было разделено на три области, где II – переходная область, содержа- щая компоненты биоматрикса, не изменяющиеся в процессе ультразвуковой обработки и характерные для обеих групп образцов. Из-за более высокой погрешности разделения спектральных ли- ний 1189, 1298, 1390 и 1524 см–1 соответствующие им коэффициенты не рассматриваются в дальнейшем анализе.
Двумерный анализ введенных коэффициентов
Результаты подробного анализа приведены на рис. 6, где представлены двумерные диаграммы введенных коэффициентов, на которых видны различия и сходства между образцами двух групп.
На рис. 6a представлены характерные области групп образцов и видно, что коэффициенты k1738, k1440, отражающие относительную концентрацию жирных кислот, у образцов с обработкой ультра- звуком больше, чем у группы образцов без нее, что говорит о деструктивном воздействии ультразвуко- вой обработки на жирные кислоты. Однако значе- ния коэффициентов k1134 и k1080 (рис. 6б), отража- ющих относительную концентрацию протеиновых фосфолипидов, характерных для группы образцов с обработкой, выше, чем без нее, что может быть связано с остаточной (менее 1%) концентрацией ли- пидов и жиров в связи с неполным их удалением.
На рис. 7 представлены значения оптических коэффицентов k1002, отражающих относительную концентрацию фенилаланина в составе коллагена и протеинов, входящих в биоматрикс ТМО. С учетом данных рис. 5 можно сказать, что отличия между двумя группами по этим трем признакам мини- мальны, т.е. ультразвуковая обработка в меньшей степени влияет на концентрацию фенилаланина.
Рисунок 8 показывает, что амплитуды линий 814 и 1420 см–1, соответствующие ДНК/РНК, в про- цессе ультразвуковой обработки остаются практи- чески неизменными, что говорит о невозможности полного вывода остатков этих кислот из образцов первичной стерилизацией ультразвуком.
Значения коэффициентов, отражающих от- носительную концентрацию гликозаминогли- канов и протеогликанов, I1062/I1660 и I1167/I1660, варьируются в пределах 0,75 < I1062/I1560 < 1 и 0,5 < I1167/I1660 < 0,6 у образцов, обработанных ультразвуком, и 0,6 < I1062/I1660 < 0,9 и 0,35 < I1167/I1660 < 0,5 без ультразвуковой обработ- ки по технологии «Лиопласт»® (рис. 8б), что от- ражает рост относительной концентрации GAGs, CSPGs по отношению к коллагеновым структу- рам (амид II) при изготовлении и указывает на со- хранность компонентов, играющих важную роль в процессе приживляемости имплантата, и, следо- вательно, на получение качественного экстракле- точного матрикса.
Таким образом, при использовании анализа спектров КР математическими методами улучше- ния разрешения спектральных контуров и хемо- метрическим анализом PCA для оценки имплан- татов, изготовленных на основе ТМО, показано, что при их обработке удаляются компоненты, не- гативно влияющие на их качество, при этом со- храняется необходимый уровень экстраклеточно- го матрикса: гликозаминогликанов, коллагенов, пролинов, гидроксипролинов и фенилаланинов.
Применение низкочастотного ультразвука на этапах обработки биоимплантатов позволяет до- биться удаления липидов, что нашло подтвержде- ние в спектральной характеристике поверхностей исследуемых образцов биоимплантатов.
Проведена сравнительная спектральная оценка компонентного состава поверхностей образцов им- плантатов на основе твердой мозговой оболочки, изготовленных по технологии «Лиопласт»®, с уль- тразвуковой обработкой и без нее.
Деконволюция спектров методом подбора спек- трального контура и хемометрический анализ методом главных компонент позволяют провести расширенный компонентный качественный и ко- личественный анализ биоимплантатов на основе твердой мозговой оболочки по содержанию основ- ных показателей биоматрикса: коллагенов, про- теинов, гликозаминогликанов, протеогликанов, ДНК/РНК и установить наиболее репрезентатив- ные параметры, влияющие на качество импланта- тов при экспрессной оценке.
Установлено, что основные различия проявля- ются в линиях КР 1440, 1738, 1660 см–1 (липиды и жирные кислоты), 856 и 929 см–1 (пролин), 1062 и 1167 см–1 (GAGs, CSPGs), 1204 см–1 (тирозин).
Введены коэффициенты и проведен двумерный анализ, который показал, что при ультразвуковой обработке сохраняются основные компоненты экс- трацеллюлярного матрикса и удаляются липиды, что повышает качество материала и обеспечивает возможность хорошего клинического эффекта при лечении множественных рецессий десны и пла- стики спинки носа.
Исследования проводились при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект 17-44-630343 р_а.