До сих пор врачам приходилось полагаться на рентгеновские снимки и компьютерную томографию для получения лишь эпизодических изображений места перелома. Гансе и его команда опубликовали свои результаты в журналах «Biosensors and Bioelectronics» и «Journal of Functional Biomaterials».

Представьте, что вы достаете из кармана небольшое устройство, прикладываете его к коже над местом перелома и за считанные секунды узнаете, как заживает перелом. Если наложена гипсовая повязка, останется небольшое отверстие для контакта с кожей. Эта интригующая идея вскоре может стать частью стандартного послеоперационного мониторинга во всем мире. Новый метод позволяет точно контролировать кровоток и уровень кислорода в крови поврежденной ткани без необходимости использования вредного коротковолнового излучения. «В коммерчески доступных устройствах для исследования кровотока и насыщения кислородом кожи и мышц используется безвредный светодиодный и лазерный свет, достаточно яркий, чтобы проникать в нижележащую костную ткань», — объясняет Бергита Гансе. В сотрудничестве со своей командой в Саарландском университете Гансе обнаружила, что эти устройства также можно использовать для мониторинга процесса заживления переломов костей. Недавно команда продемонстрировала успех этого подхода, применив методологию в исследовании пациентов с переломами большеберцовой кости.

«Наш метод не предназначен для замены рентгеновских снимков. Мы считаем его полезным дополнением, быстрым методом мониторинга, предоставляющим дополнительную информацию в областях, где существующие методы имеют пробелы», — объясняет Бергита Гансе, профессор кафедры инновационных разработок имплантатов имени Вернера Сименса в медицинском кампусе Саарландского университета в Хомбурге. До сих пор переломы костей отслеживались с помощью рентгеновских снимков или компьютерной томографии, что подвергало пациента воздействию высокоэнергетического излучения, которое нельзя повторять слишком часто. «Еще одним недостатком использования рентгеновских снимков и компьютерной томографии является задержка в обнаружении ранней стадии заживления костей». По мере заживления перелома в области перелома образуется мягкая костная ткань, но плотность кости еще недостаточно высока, чтобы ее можно было обнаружить с помощью рентгеновских снимков. «Повышение плотности костной ткани происходит за счет отложения солей кальция в месте перелома (минерализация), но это случается только на более поздней стадии процесса заживления», — объясняет хирург-травматолог и физиолог Бергита Гансе. До начала минерализации процесс заживления практически невидим, что затрудняет определение правильности заживления перелома. «КТ и рентгеновские снимки дают лишь моментальные изображения, но то, что происходит между двумя сканированиями или двумя снимками, в значительной степени незаметно», — говорит Гансе.

Новая методика, разработанная в Саарланде, позволяет осуществлять непрерывный неинвазивный мониторинг заживления костей непосредственно через кожу. В результате пациенты получают более полное представление о ходе процесса заживления. Этот дополнительный мониторинг места перелома позволяет выявлять потенциальные осложнения на более ранней стадии. «Изучение переломов голени показывает, что осложнения возникают в 14 случаях из 100, но часто их обнаруживают только на поздней стадии», — объясняет профессор Гансе. «Чем раньше мы обнаружим, что что-то идет не так, как должно, тем раньше мы сможем вмешаться, а раннее вмешательство может значительно улучшить результаты лечения пациента. У нас есть целый ряд инструментов для целенаправленного корректирующего лечения, таких как импульсный ультразвук, ударно-волновая терапия и магнитотерапия», — говорит Гансе. Иногда проблема носит механический характер: «В области перелома может быть просто слишком много движений, что может нарушить процесс заживления и потребовать более надежной фиксации».
Профессор Гансе видит большой потенциал в распространении этой технологии мониторинга: «Небольшие и доступные по цене устройства мониторинга могли бы улучшить лечение переломов в условиях, когда нет доступа к крупному и дорогостоящему оборудованию, такому как рентгеновские аппараты, особенно в странах с ограниченными ресурсами или в отдаленных районах».

Заживление переломов — сложный процесс, состоящий из нескольких фаз. Бергита Гансе объясняет процесс регенерации кости: «Первоначально тонкая соединительнотканная структура, состоящая из фиброзной ткани, начинает связывать перелом. Со временем образуется новая костная ткань, которая постепенно снабжается кровью по мере развития новых кровеносных сосудов». Команда Саарландского университета изучила детали процесса заживления переломов и измерила, как изменяются кровоток и насыщение кислородом по мере прогрессирования восстановления кости. В двух отдельных исследованиях Гансе и ее аспиранты Оана Шольц и Седрик Новицки в течение нескольких месяцев наблюдали за процессом заживления у 55 пациентов с переломами большеберцовой кости и сравнивали свои данные с контрольной группой из 51 здорового человека. Результаты были поразительными: «Кровоток и насыщение кислородом следуют очень характерной закономерности во время регенерации кости», — говорит Гансе. Это первый случай столь детального наблюдения за процессом заживления переломов у пациентов.

«Первоначально кровоток резко увеличивается и достигает пика. Примерно через две-три недели его уровень снова начинает снижаться». Насыщение кислородом тканей, окружающих место перелома, также следует характерной закономерности: сначала оно падает до минимума, а затем снова повышается через две-три недели, когда начинают формироваться новые кровеносные сосуды. «Мы можем отслеживать оба процесса с помощью относительно простых, неинвазивных измерений», — объясняет профессор Гансе. «Мы используем коммерчески доступное устройство, которое сочетает в себе лазерную допплеровскую технологию для мониторинга кровотока с белосветовой спектроскопией для определения насыщения кислородом тканей. Если значения не возвращаются к норме через несколько недель, это обычно ранний признак того, что что-то идет не так, как должно».

Первые результаты исследования показывают, что характер кровотока и насыщение кислородом различаются в зависимости от основной причины замедленного заживления. «Поскольку мы пока наблюдали лишь несколько случаев, когда перелом не зажил должным образом, необходимы дальнейшие исследования, прежде чем мы сможем сделать окончательные выводы об этих различиях», — говорит Бергита Гансе. Существует множество причин, по которым перелом может заживать неправильно. «Пациент мог слишком много двигаться и недостаточно иммобилизовать поврежденную конечность, или могут существовать сопутствующие факторы риска, такие как курение или рак, которые препятствуют заживлению», — объясняет Гансе. «С помощью рентгеновских снимков эти проблемы становятся видимыми только на относительно поздней стадии. Но наш метод, похоже, способен обнаружить их раньше». Однако текущим ограничением метода мониторинга с использованием света является глубина измерения. «В настоящее время мы не можем исследовать переломы, расположенные более чем на пять сантиметров ниже уровня кожи», — объясняет Бергита Гансе.

Команда Гансе также работает над другими инновационными способами мониторинга заживления переломов костей, такими как использование самочувствительных материалов с эффектом памяти формы, которые могут предоставлять данные об изменениях жесткости и эластичности в месте перелома по мере заживления кости.

Исследование является частью проекта «Умные имплантаты», координируемого профессором Гансе и финансируемого Фондом Вернера Сименса в размере 8 миллионов евро. Пятилетний проект предполагает междисциплинарное сотрудничество исследовательских групп Саарландского университета, работающих в областях медицины, инженерии и информатики. Команды уже разработали несколько прототипов и запатентовали несколько «умных» пластин для фиксации переломов. Эти индивидуально изготовленные имплантаты предназначены не только для мониторинга заживления с момента операции, но и для его активного стимулирования, например, путем микромеханической стимуляции места перелома или динамической регулировки жесткости имплантата. Данные новых исследований по мониторингу с использованием лазерной доплеровской спектроскопии и белого света в настоящее время интегрируются в следующее поколение этих «умных» имплантатов. В настоящее время команды работают над миниатюризацией технологии, чтобы ее можно было интегрировать в интрамедуллярные гвозди, ширина которых составляет всего несколько миллиметров. В рамках исследовательского проекта SmILE (Smart Implants for Life Enrichment) было получено дополнительное финансирование от ЕС в рамках программы Horizon Europe.

Гансе и ее команда теперь стремятся расширить область применения за пределы переломов большеберцовой кости и работают над применением своего нового метода к другим типам переломов и дефектов костей. «Я рада видеть, как быстро эта технология найдет применение как в научных исследованиях, так и в рутинной клинической практике», — говорит профессор Гансе, которая привносит уникальную перспективу благодаря своему опыту в космической медицине. Гансе сотрудничает с Европейским космическим агентством (ESA), Немецким аэрокосмическим центром (DLR) и НАСА в США, где она изучает, среди прочего, как происходит деградация костей и мышц в космосе. Ее исследования внесли вклад в разработку тренировочных программ, которые помогают астронавтам противодействовать этому типу дегенерации опорно-двигательного аппарата во время длительных миссий.