Лабораторное и клиническое исследование применения различных типов лазеров при перфорации миокарда

Изучение возможностей улучшения кровоснабжения ишемизированного миокарда непосредственно из полости левого желудочка было начато еще в 30-е гг. ХХ века. Но на новый уровень эти исследования вышли с появлением и внедрением в медицину лазерной техники.

Во всех крупных кардиохирургических центрах начинается освоение новой методики, в том числе и в отделении сердечно-сосудистой хирургии ГУ НИИ кардиологии Томского научного центра СО РАМН. Но зачастую результаты из различных медицинских центров были противоречивы, а использование различных лазерных установок с варьируемыми в значительных пределах настройками еще более запутывало ситуацию по выбору наиболее оптимального применения новой методики.

В конце 90-х гг. в мире самым распространенным аппаратом для ЛРМ являлся СО2-лазер. Активной средой углекислотных лазеров является газообразная смесь CO2, азота (N2), гелия (He). Иногда в смесь также добавляется водород (H2) или ксенон (Xe). Соотношение концентраций газов в смеси зависит от его конкретной реализации, но концентрации CO2 и N2 в смеси типично составляют 5—20%. Углекислотные лазеры излучают в инфракрасном диапазоне, с длиной волны от 9,4 до 10,6 мкм. Но по ряду характеристик (стоимость, сложность в эксплуатации, аритмогенное действие) он, зачастую, не устраивал кардиохирургов.

В ГУ НИИ кардиологии ТНЦ СО РАМН и Институте оптики атмосферы СО РАН в 1997;2000 гг. проведена совместная работа по изучению ЛРМ. В Научно-исследовательском институте оптики атмосферы СО РАН была разработана твердотельная лазерная система на основе импульсного Nd-YAG лазера. В качестве активной среды используется алюмо-иттриевый гранат («YAG», Y3Al5O12) легированный ионами неодима (Nd). Со следующими параметрами: длина волны = 1,06 мкм; средняя мощность = 10 Вт; частота следования импульсов — 50 Гц; длительность импульса -10 нс. Также в исследовании применялся непрерывный СO2 лазер с длиной волны = 10,6 мкм; мощностью = 100 Вт. Разработан объединением «Топаз» (г. Томск).

Исследование проходило в 2 этапа. Первым этапом выполнялось изучение воздействия лазерного излучения на участки передней стенки левого желудочка сердца людей, умерших от различных причин в возрасте от 35 до 75 лет, в течение первых суток после смерти (в количестве 100 фрагментов). Второй этап выполнялся на миокарде 24 экспериментальных животных (собаки, хронический эксперимент) с выведением из опыта в различные сроки (через 1, 2, 7, 14 суток и 1 и 3 месяца после операции).

Эксперименты, проведенные на трупных участках миокарда передней стенки левого желудочка с целью изучения отличий воздействия разных типов лазеров, показали, что излучение СО2-лазера позволяет формировать каналы в миокарде, глубина и зона повреждения тканей вокруг которых прямо зависимы от энергетических параметров излучения (длительности импульса). Излучение Nd-YAG лазера позволяет формировать каналы, глубина и зона повреждения тканей вокруг которых независимы от энергетических параметров излучения (суммарной энергии, количества импульсов в серии, числа серий). Глубина каналов прямо зависит от условий фокусировки лазерного излучения. В то же время низкомощный Nd-YAG-лазер формирует в миокарде каналы глубиной 3−5 мм, при этом ширина зоны некроза окружающей канал ткани миокарда составляет 0,09±0,025 мм, что значительно меньше аналогичных показателей излучения СО2-лазера, которые составляют 0,489 ±0,02 мм. В результате опытов in vitro подобраны режимы генерации лазерного излучения (энергия, мощность, длительность импульса, условия фокусировки), обеспечивающие образование слепо заканчивающихся каналов различной конфигурации.

Экспериментальные вмешательства на лабораторных животных осуществлялись посредством переднебоковой торакотомии. В бессосудистой зоне передней стенки и верхушки левого желудочка сердца экспериментального животного проделывались 15−30 лазерных каналов до 1 мм в диаметре на ½ толщины миокарда ЭКГ — синхронизированного импульса лазерного излучения при помощи полуавтоматической система управления установки. Установлено, что воздействие лазерного излучения как СО2, так и Nd-YAG лазеров на миокард in vivo вызывает фазовые изменения в сердечной мышце, укладывающиеся в картину воспаления на ранних сроках после лазерной реваскуляризации (до 3 недель) и активного васкулогенеза в отдаленные сроки после операции (1−3 месяца), что должно послужить значительному улучшению перфузии облученного участка миокарда.

Параллельно в 2000;2001 гг. с целью усиления эффективности непрямого эффекта реваскуляризации разработана методика проведения сочетанной операции ЛРМ и оментокардиопексии (ОКП) в эксперименте. Сравнение проводилось с изолированным применением данных процедур. Выполнялось выделение малого сальника и окутывание им сердца после выполнения ЛРМ с выведением животных из эксперимента в различные сроки. В результате было обнаружено, что разработанный метод комплексной непрямой реваскуляризации миокарда, включающий ЛРМ и ОКП, менее эффективен и более травматичен, чем изолированное лазерное воздействие, хотя и превышает по эффективности оментокардиопексию. В связи с этим дальнейшее исследование данного метода не проводилось.

В процессе исследований был выявлен ряд недостатков, присущий обоим типам лазеров. Так, СО2-лазер вызывает чрезмерное повреждение ткани, окружающей область воздействия, проявляющееся широкой зоной некроза кардиомиоцитов (до 2 мм), вакуолизацией ядер и «оглушенностью» клеток на большом протяжении от лазерного канала. При этом применение СО2-лазера в импульсном режиме — наиболее эффективном для процедуры ЛРМ, требует обязательной синхронизации с ЭКГ, что необходимо с целью профилактики жизнеугрожающих нарушений ритма во время операции. Nd-YAG-лазер может применяться с гибкой фиброволоконной оптикой, позволяющей достигать любой зоны сердца. Низкая энергия и короткая длительность импульса обеспечивает минимальные термические повреждения, но для перфорации стенки миокарда требуется несколько импульсов, лазерный канал имеет неправильную форму, что затрудняет задание глубины лазерных насечек, а риск возникновения аритмий при этом выше, чем у СО2-лазера. Кроме всего прочего данные установки обладают большими габаритами и сложны в эксплуатации. В то же время в конце 90-х гг. в хирургии появился большой интерес к новому типу лазеров — малогабаритным низкоэнергетическим полупроводниковым лазерам. В России в 2001 г. С. В. Евдокимов и соавт. опубликовали результаты использования диодного лазера с длиной волны 805 нм. «LTO-30 000» с мощностью 25 Вт для выполнения ЛРМ с положительным эффектом.

Полупроводниковые лазеры (иначе — диодные лазеры) — это лазеры с усиливающей средой на основе полупроводников, где генерация происходит, как правило, за счет вынужденного излучения фотонов при межзонных переходах электронов в условиях высокой концентрации носителей в зоне проводимости. Формально, полупроводниковые лазеры также являются твердотельными лазерами, однако их принято выделять в отдельную группу, т.к. они имеют иной принцип работы.

В 2001 г. на базе НИИК ТНЦ СО РАМН начато изучение эффективности отечественного полупроводникового лазера для проведения лазерной реваскуляризации миокарда. Использовался полупроводниковый непрерывный лазер «Лазон 10-П» (НТО «ИРЭ-Полюс» (г. Фрязино, Московской области) с мощностью 10 Вт и длиной волны 970 нм. Стоит отметить, что именно эта длина волны рабочего излучения приходится на локальные максимумы поглощения биоткани, определяемые поглощением в воде и оксигемоглобине. Вследствие этого режущий эффект мало зависит от вида биоткани. Кроме этого, снижается риск повреждения лазерным излучением окружающих тканей и органов. Экспериментальная ЛРМ при помощи полупроводникового лазера была выполнена на 11 беспородных собаках с выведением из эксперимента в различные сроки после операции. Результаты сопоставлялись с ранее полученными данными воздействия Nd-YAG и углекислотного лазеров. По итогам исследований были сделаны выводы, что под воздействием лазерного излучения, независимо от типа применяемой установки, в ткани миокарда протекают сходные морфологические процессы, приводящие к неоваскулогенезу.

Установлено, что минимальным повреждающим действием на миокард обладает излучение от твердотельного Nd-YAG лазера, а максимальным — от газового СО2-лазера; в то же время, глубина канала у полупроводникового лазера сопоставима с СО2-лазером, а по повреждающему действию с Nd-YAG лазером.

Наиболее удобным в применении в связи с малыми габаритами и кратковременной подготовкой к работе оказался полупроводниковый лазер «Лазон-10П». Также он не нуждается в синхронизации с ЭКГ и является наиболее безопасным относительно аритмогенного эффекта.

В связи с рассмотренными результатами было решено произвести углубленное экспериментальное изучение эффектов ЛРМ, выполненной полупроводниковым лазером. Объектом исследования явился миокард левого желудочка 12 беспородных собак массой 10−15 кг, взятый через 25 часов, 2 недели и 3 месяца (по 4-й точке на каждый срок) после трансмиокардальной лазерной реваскуляризации (ТМЛР) ишемизированного миокарда под общей анестезией в условиях хронического эксперимента. Лазерную реваскуляризацию проводили через 1 месяц после моделирования экспериментального кардиосклероза. Группами сравнения стали: миокард собак с экспериментальным кардиосклерозом и миокард интактных животных без воздействия лазера (по 4 собаки в каждой группе). Создавалась модель постинфарктного кардиосклероза у лабораторных животных с помощью лигирования диагональных ветвей передней межжелудочковой артерии, через месяц выполнялась операция ЛРМ с последующим выведением собак из эксперимента через 1 сутки, 2 недели и 3 месяца после операции. Препараты изучались с помощью световой микроскопии, подсчитывался удельный объем сосудов миокарда и трофический индекс. Через 25 часов после ЛРМ в ишемизированном миокарде отмечались венозное полнокровие, стаз эритроцитов в капиллярах и мелких артериолах, образование гемосидерина и присутствие сидерофагов в просвете лазерных каналов. Кроме того, наблюдали интерстициальный отек, релаксацию миофибрилл кардиомиоцитов, прилежащих к лазерному каналу. Через 2 недели после ЛРМ в ишемизированном миокарде в зоне грануляционной ткани на месте предшествующих микроинфарктов наблюдали образование новых сосудов. Спустя 3 месяца после ЛРМ в ишемизированном миокарде отмечали увеличение плотности распределения сосудов в единице объема ткани. Через 2 недели после ЛРМ в ишемизированном миокарде отмечали незначительный рост удельного объема сосудов, в то время как через 3 месяца этот показатель превышал контрольное значение в 1,9 раза. Трофический индекс, наиболее полно отражающий состояние трофики миокарда и вычисляемый отношением удельного объема капилляров к удельному объему кардиомиоцитов, возрастал в меньшей степени и своего максимального значения достигал через 3 месяца, что превысило начальный показатель в 1,2 раза.

Таким образом, серия экспериментальных работ показала, что полупроводниковый лазер эффективен для проведения непрямой реваскуляризации миокарда, а статистически подтвержденное увеличение количества неососудов в единице объема облученного участка миокарда должно послужить улучшению перфузии в месте воздействия лазерного излучения. В связи с этим полупроводниковый лазер российского производства был рекомендован для применения в клинике сердечно-сосудистой хирургии.

В начале 2003 г. В ГУ НИИ кардиологии Томского научного центра СО РАМН начался отбор пациентов-кандидатов на выполнение лазерной реваскуляризации миокарда. Всем пациентам проводились общеклинические исследования и специальная программа обследования.

В марте 2003 г. в отделении сердечно-сосудистой хирургии ГУ НИИ кардиологии Томского научного центра СО РАМН выполнена первая операция лазерной реваскуляризации миокарда.

На сегодняшний день в ОССХ ГУ НИИ кардиологии Томского научного центра СО РАМН выполнено 29 операций лазерной реваскуляризации миокарда. В зоне гибернирующего миокарда левого желудочка сердца проделывались 30−60 лазерных каналов с использованием полупроводникового лазера с длиной волны 970 нм и мощностью 10 Вт, разработанного НТО «ИРЭ-Полюс» (г. Фрязино). Каналы создавались непосредственно световодом в рабочем состоянии лазера на глубину, заданную хирургом путем дозированного выдвигания конца световода из специального держателя. Глубина каналов составляла около 8 мм.

При анализе результатов у всех пациентов, подвергнутых процедуре ЛРМ, обнаружено повышение толерантности к физической нагрузке (с 31,0±3,4 Вт до 56,2±2,5 Вт), исчезновение или уменьшение приступов стенокардии. При сравнении ультразвуковых кривых от боковой стенки левого желудочка, где производилось лазерное воздействие, до и через 6 месяцев после операции лазерной реваскуляризации, выявлено увеличение амплитуды движения преимущественно верхушечных с 3,7±0,34 мм — до операции до 5,0±0,22 мм — после операции и средних сегментов боковой стенки левого желудочка (ЛЖ) с 0,2±0,04 мм — до операции до 4,0±0,34 мм — после операции. Амплитуда движения базальных сегментов боковой стенки ЛЖ значимо не изменилась. Динамика перфузии миокарда показала уменьшение преходящего дефекта перфузии с 15,2% до 7%. Величина стабильных дефектов перфузии не изменялась.

Одновременно с оценкой эффективности процедуры проводилась оценка степени повреждения миокарда при выполнении непрямой лазерной реваскуляризации. Проанализировано 24 операции ЛРМ. В плазме крови больных определяли уровень кардиоспецифичного фермента миокардиального повреждения тропонина на этапах: перед началом операции, сразу после реваскуляризации миокарда, через 4, 8, 12, 24, 48 часов и на 7-е сутки после операции. Перед операцией исходный уровень тропина у обсуждаемых больных был близок к нулю. Анализ полученных данных позволил распределить всех пациентов на три группы по степени и обратимости периоперационного повреждения миокарда при ревакуляризирующих операциях. Первую группу сформировали 18 (75%) пациентов, из них трем больным были выполнены изолированные операции ТМЛР и 15 человек перенесли лазерную реваскуляризацию в сочетании с АКШ. После операции у них не было выявлено значимого повышения биохимических маркеров повреждения миокарда. К 2 группе были отнесены 4 (16,7%) пациента, у которых в раннем послеоперационном периоде отмечались обратимые кратковременные ишемические изменения миокарда. Из них трем больным ТМЛР дополняло АКШ и у одного пациента сочеталась с резекцией аневризмы ЛЖ. Третью группу составили 2 (8,3%) пациента. У обоих пациентов ТМЛР сочеталась с АКШ. Критерием, по которому выделена эта группа, стал зарегистрированный периоперационный инфаркта миокарда (ИМ) и значимое и стабильное повышение тропонина в крови.

Но стоит учитывать, что частота развития периоперационного инфаркта миокарда при коронарном шунтировании в условиях искусственного кровообращения (ИК) составляет, по данным разных авторов от 1,6 до 8,2%, что практически совпадает с полученными данными касательно 3-й группы. Подобные же цифры частоты ИМ отмечаются большинством исследователей и после сочетанных операций — АКШ и ЛРМ. Были сделаны выводы, что трансмиокардиальная лазерная реваскуляризация полупроводниковым лазером с длиной волны 970 нм и мощностью 10 Вт оказывает несущественное влияние на степень периоперационного повреждения миокарда как изолированно, так и в сочетании с АКШ. И не ведет к возрастанию риска операции, не увеличивает риск осложнений и смертность как в раннем, так и в отдаленном послеоперационных периодах.