Разработка прототипа нового отечественного саморасширяющегося нитинолового стента: доклиническое исследование in vivo

Болезни сердечно-сосудистой системы остаются основной причиной смертности людей по всему миру, при этом почти пятая их часть связана с заболеваниями периферических артерий (ЗПА) [1]. Основная причина ЗПА — атеросклероз, доля которого превышает 80% [2]. Основой проблемой, которая возникает в результате атеросклеротического поражения стенки, является постепенное уменьшение диаметра кровеносных сосудов, что вызывает недостаток кровоснабжения органов и тканей, провоцируя развитие ишемии. ЗПА создают значительную опасность для здоровья граждан благодаря высокому риску серьезных сердечно-сосудистых заболеваний и летальных последствий. Это заболевание значительно ухудшает двигательную активность пациентов, понижает уровень их жизнедеятельности и работоспособности, становясь актуальной проблемой социального и экономического характера нашего времени. Распространенность ЗПА варьируется от 600 до 800 случаев на каждый миллион жителей [2]. Традиционно оптимальным методом лечения атеросклероза периферических артерий была открытая операция (шунтирование, эндартерэктомия) [3]. Однако подобные методы связаны с большим числом возможных осложнений и повышенным уровнем смертности, особенно среди пациентов с тяжёлым коморбидным фоном [4]. Данные исследований показывают, что в России наблюдается устойчивый рост частоты проведения эндоваскулярных и гибридных вмешательств при ЗПА благодаря их меньшей травматичности. Однако, несмотря на очевидную необходимость и доказанную эффективность эндоваскулярных процедур, их доля в общем объеме проводимых операций в нашей стране составляет лишь треть, в то время как в развитых зарубежных государствах этот показатель достигает отметки почти в 80%, отражая существующий разрыв в доступности и распространенности высокотехнологичных методов лечения [5].

Лечебные мероприятия при атеросклерозе периферических артерий сосредоточены, прежде всего, на восстановлении нормального кровоснабжения тканей. Одним из наиболее эффективных методов достижения этой цели выступает эндоваскулярное стентирование, позволяющее расширить просвет поражённых сосудов без открытого хирургического вмешательства. Следует отметить, что в современной российской практике отмечается положительная динамика роста частоты применения рентгенэндоваскулярных технологий при лечении болезней аорто-подвздошного сегмента и периферических артерий. Согласно данным последних статистических отчетов, опубликованных в научной литературе, в 2023г в Российской Федерации проведено порядка 40987 подобных операций у пациентов с патологией артерий нижних конечностей (Алекян Б. Г. и др., 2024г), что отражает значительный прогресс в области сосудистой хирургии и свидетельствует о повышении качества оказания медицинской помощи населению. Главным препятствием на пути широкого внедрения эндоваскулярных методик в российском здравоохранении является дефицит качественных отечественных изделий, особенно внутрисосудистых стентов, предназначенных для периферических артерий. Наряду с этим, высокая стоимость импортных аналогов становится серьезным барьером для регулярного использования данных продуктов врачами-клиницистами. Именно указанные факторы приводят к дефициту хирургической помощи пациентам с ЗПА в масштабах всей страны.

Повышение доступности и числа эндоваскулярных вмешательств на артериях нижних конечностей является важным инструментом снижения инвалидности и смертности среди пациентов с ЗПА. Эти обстоятельства послужили мощным стимулом для проектирования нового российского саморасширяющегося нитинолового стента, предназначенного для эффективного решения проблемы атеросклероза периферических артерий.

Цель настоящего исследования заключалась в обосновании конструктивных характеристик прототипа инновационного отечественного саморасширяющегося нитинолового стента, а также в оценке результатов его имплантации в организм лабораторных животных в рамках экспериментального исследования.

Материал и методы

Основные характеристики прототипа саморасширяющегося нитинолового стента

Уникальная конструкция стента была разработана сотрудниками ФГБУ "НМИЦ им. В. А. Алмазова" Минздрава России, был получен патент на полезную модель RU 229651 U1¹. Стент выполнен в форме цилиндра, изготовленного посредством лазерной обработки из нитинола, обладающего эффектом памяти формы, и оснащен ячейками с варьирующейся шириной ребристых участков (рис. 1). На краях изделия установлены контрастирующие маркеры из тантала, обеспечивающие точную фиксацию прибора при имплантации. Устройство легко сжимается системой доставки диаметром 5-6F (наружный диаметр не превышает 2,1 мм).

Система доставки стента организована по трехкомпонентному типу и включает в себя внешний корпус, который закрепляет транспортирующее устройство, промежуточный корпус, обеспечивающий стабильность и сжатие стента, а также внутренний канал, предназначенный для установки проводника (рис. 2). Система доставки совместима с проводниками диаметром 0,035 дюйма (0,89 мм).

Разработанная конструкция внутрисосудистого стента характеризуется особой структурой ячеек, позволяющей равномерно распределять радиальную нагрузку по всей поверхности стента и обеспечивать плотный контакт с внутренней стенкой сосуда. Подобная архитектура способствует минимизации рисков ранней реоксидации и образования закупорок (окклюзий) обработанного сегмента артерии.

Отличительным конструктивным решением разработанного устройства, позволяющим равномерно распределить радиальную жесткость по всей поверхности стента, является выполнения элементов каркаса, в виде гофрированных колец, формирующих ячеистую зигзагообразную структуру с переменными шагами гофрирования (рис. 3).

Геометрия стента и реакция его конструкции на внешние воздействия (например, давление атеросклеротической бляшкой) изучались методами математического моделирования. За основу математической модели, описывающей поведение сосудистой стенки, была принята классическая формула упругих деформаций Винклера-Фусса, которая учитывает влияние взаимодействий между материалом стента и тканью сосуда:

,

где k — коэффициент пропорциональности, q — воздействие внешней силы (рис. 4).

Выполненный анализ показал, что стент имеет гибкость, достаточную для установки во все виды периферических сосудов. Необходимая величина угла изгиба стента составляет не менее 90^ относительно оси стента на калибре диаметром, равным номинальному диаметру стента, без образования сужения в месте изгиба >50% относительно исходного диаметра стента. Также было выявлено, что радиальная жесткость стента непосредственно зависит от характера гофрирования и составляет до 0,35 (Н/мм), в результате чего можно контролировать изменение жесткости по направлению к окружности, увеличивая ее там, где, например, находятся массивные атеросклеротические изменения. Удельная радиальная жесткость изделия — не менее 0,03 Н/мм при диаметре посадки стента в сосуд, но не более 0,35 Н/мм. Удельная жесткость при сжатии изделия — >0,05 Н/мм при диаметре посадки стента в сосуд. Рабочее давление стента на стенку сосуда достигается при сжатии на 0,5-1,5 мм относительно номинального диаметра в свободном состоянии.

Также было выявлено, что главный фактор влияния, определяющий работу гофрированных колец с неравномерным шагом, обусловлен касательными силами, действующими по контуру кольца. Прочие силовые компоненты в эксперименте оказали несущественное воздействие. Было определено, что гофрированные кольца обеспечивают плавное перераспределение радиальных усилий так, что направление максимальной плотности приходится на сторону большего сопротивления ткани, тогда как сторона с минимальной прочностью испытывает большее растяжение. Это создает баланс напряжений и предотвращает чрезмерную компрессию тканей. Распределение волнообразных структур стента на поверхность условно представленной атеросклеротической бляшки изображено на рисунке 5.

Этапы проведения доклинического исследования

Научно-исследовательские мероприятия, отражённые в данном отчёте, проводились в Центре доклинических и трансляционных исследований ФГБУ "НМИЦ им. В. А. Алмазова" Минздрава России. Исследование осуществлялось согласно регламентам Комиссии по контролю содержания и использования экспериментальных животных (IACUC), с применением протокола № ПЗ_22_3ЧернявскийМАv2 от 17.02.2022, обновлённого дополнением от 18.01.2023.

В рамках исследования, предусматривавшего установку саморасширяющегося стента из нитинола, было отобрано 5 лабораторных свиней домашней породы, выступивших объектами тестирования.

Каждое животное, прибывающее в питомник, проходило обязательный месячный карантин. За трое суток до хирургического вмешательства и на протяжении всего последующего периода наблюдения свиньям ежедневно вводили комбинацию препаратов клопидогрела и ацетилсалициловой кислоты в дозировке 75 мг и 100 мг, соответственно.

Процедура стентирования осуществлялась под интубационным наркозом в рентгеноперационной комнате. Доступ к сосудистой системе производился пунктированием общей бедренной артерии под ультразвуковым мониторингом и установкой интродьюсера диаметром 6F. Затем через интродьюсер заводился проводник 0,035" диаметра, по которому доставлялся диагностический катетер для проведения ангиографии. Следующим этапом выполнялась имплантация стента непосредственно в область подвздошной артерии, причем каждому животному имплантировался один стент. Диаметр стента подбирался таким образом, чтобы превышение его диаметра не было более чем на 5-10% от диаметра целевой артерии ("оверсайзинг"). После имплантации выполнялась контрольная ангиография, определяющая степень проходимости оперированного сегмента (рис. 6). По окончанию всех этапов хирургической манипуляции используемые инструменты извлекались из сосудистого русла, восстанавливался естественный гемостаз, а затем происходило постепенное пробуждение животного.

Накануне операции и регулярно в течение всего срока испытаний контролировались ключевые физиологические параметры каждого испытуемого животного, среди которых температура тела (ректальная), частота сердечных сокращений, артериальное давление и степень оксигенации крови (уровень сатурации).

Спустя 3 мес. после начала мониторинга, всем животным были проведены контрольные ангиографические обследования, а также ультразвуковое исследование с допплером для оценки максимальной систолической скорости потока крови в зоне имплантированного стента. Финальным этапом эксперимента стала гуманная эвтаназия, которая осуществлялась путём повышения концентрации изофлюрана до токсичного уровня, сопровождающейся дополнительным введением калийхлоридной и лидокаиновой инъекций. После этого следовал макроморфологический и микроскопический анализ зоны артерии, подвергшейся стентированию.

Для проведения гистологических исследований из участков сосудов, подвергшихся стентированию, совместно со стентами были извлечены фрагменты ткани длиной по 3 сантиметра проксимальнее и дистальнее имплантированного устройства. Полученный биологический материал фиксировался в течение 24 ч в 10%-ом буферированном растворе формалина производства компании Биовитрум (Россия). Впоследствии образцы подвергались обработке методом криопротекции, проходившей в течение двух суток в среде, приготовленной из 30%-го раствора сахарозы высшей степени очистки фирмы Ленреактив (Россия), растворённом в фосфатном буфере производства Sigma-Aldrich (США). Образцы, обработанные таким образом, были дополнительно погружены в среду OCT Compound (производства Sakura Finetek, США), заморожены и разрезаны на ультратонкие слои толщиной 12 микрон на приборе криостате Sakura Tissue-Tek Cryo3 (Япония). Затем полученные срезы подвергались окрашиванию по стандартной методике гематоксилином Майера и эозином. Наблюдение и изучение образцов осуществлялись с помощью оптического микроскопа.

Описание общей схемы проведенного исследования представлено на рисунке 7.

Результаты

Наблюдение за животными продолжалось на протяжении 3 мес. В течение всего этого периода жизненно важные показатели организма, включая температуру тела (ректально), пульс, кровяное давление и содержание кислорода в крови, оставались стабильными и укладывались в рамки нормальных значений.

Ангиографические исследования, проведённые спустя 3 мес. после операции, подтвердили свободное прохождение крови через все 5 имплантированных стентов у исследуемых свиней, не выявив стенозов (рис. 8 А). Ультразвуковое исследование сосудов также дало позитивные результаты: максимальная скорость движения крови в зоне стентирования у обследованных животных не превысила порог в 120 сантиметров в секунду (рис. 8 Б).

Макроскопическое исследование, проведённое спустя 3 мес. после имплантации стента, выявило четкую картину отпечатков ячеек стента на поверхности эндотелия наружной подвздошной артерии у всех участвующих в опыте животных. Однако следов субэндотелиальных кровоизлияний обнаружено не было (рис. 9 А, Б).

Анализ гистологических срезов (рис. 10) показал отсутствие выраженной гиперплазии неоинтимы, а также признаков кровотечений или структурных повреждений стенок сосудов. В зонах, прилегающих к стенту, выявлены пристеночные тромбы, сформированные преимущественно из фибриновых волокон и нейтрофильных гранулоцитов (при окрашивании гематоксилином и эозином) (рис. 10 А). Внутренняя эластическая мембрана оставалась неповреждённой и хорошо различимой при специальной окраске по методу Вейгерта (рис. 10 Б).

Согласно данным гистологического анализа, проведённого в рамках настоящего исследования, установлено, что саморасширяющийся нитиноловый стент, обладающий оригинальной структурой, демонстрирует высокую эффективность в поддержании длительной проходимости оперированного сегмента артерии.

Обсуждение

Саморасширяющиеся нитиноловые стенты признаны оптимальным решением для эндоваскулярного лечения ЗПА благодаря своим исключительным характеристикам — высокому уровню эластичности и гибкости, позволяющим успешно противостоять значительным механическим нагрузкам [6]. В нашем предыдущем доклиническом исследовании диаметр стентов превышал размеры целевой артерии в пределах 25-30%. Так как стент имеет саморасширяющуюся конструкцию, такой оверсайзинг был обусловлен необходимостью добиться оптимальной аппозиции стента, а также предотвратить его миграцию. По результатам макроскопического и гистологического анализа были выявлены признаки повреждения субэндотелиального слоя, а также миоинтимальной гиперплазии [7]. В связи с этим нами были проведены повторные испытания, в которых оверсайзинг не превышал 5-10%. По результатам макроскопических и гистологических исследований не было обнаружено признаков неоинтимальной гиперплазии, на основании чего сделан вывод о значительном риске возникновения ее при бóльшем превышении диаметра.

Это же подтверждают и многочисленные исследования зарубежных соавторов. Так, Bernini M, et al. было продемонстрировано, что величина оверсайзинга оказывает существенное влияние на развитие рестеноза. В своей работе авторы оценивали соотношение превышения номинального диаметра стента к среднему диаметру сосуда, от 1 до 1,8. Было обнаружено, что OS <1,2 приводило к проблемным краткосрочным результатам с плохим увеличением просвета. Коэффициенты увеличения размера в диапазоне 1,2-1,4 обеспечивали оптимальные биомеханические характеристики после имплантации с улучшенным расширением просвета, уменьшением риска неполной аппозиции стента. Чрезмерное увеличение размера OS >1,4 не обеспечивало никаких дополнительных преимуществ в результатах, показывая неблагоприятные долгосрочные характеристики с более высоким риском рестеноза [8]. Проведенное исследование подчёркивает важность точной оценки соотношения размеров стента и сосуда, чтобы предотвратить развитие неблагоприятных последствий.

Что касается конструктивных особенностей разработанного стента в отличие от представленных в России аналогов, нами были проанализированы несколько запатентованных устройств. Внутрисосудистый расправляемый стент (патент RU № 167983 от 13.01.2017) представляет собой гибкий трубчатый каркас, собранный из соединенных замкнутых ячеек. Конструкция ячеек образована кольцевыми дугами, которые оканчиваются V-образными элементами со сквозными прорезями. Недостатком данной конструкции является ограниченная гибкость, а также риск неполного прилегания ламелей к стенке сосуда после раскрытия. Это может привести к явлению рекоила — остаточной упругой деформации, препятствующей полному раскрытию стента².

Еще один запатентованный аналог расправляемого внутрисосудистого стента (патент RU № 2350301 от 27.03.2009) представляет собой гибкий трубчатый каркас, стенка которого состоит из взаимосвязанных замкнутых ячеек, способных передавать радиальное усилие и давление вдоль продольной оси. Ключевые недостатки этого стента заключаются в материале изготовления — медицинской стали 316L. Это требует использования баллонного катетера для доставки и, кроме того, не обеспечивает оптимального баланса между радиальной жесткостью и гибкостью, что негативно сказывается на плотности прилегания к стенке артерии³.

Третий проанализированный нами аналог стента (патент RU № 2566225 от 20.10.2015) имеет конструкцию из ряда волнистых кольцевых элементов (с пиками и впадинами), соединенных продольными распорками. Каждый соединительный участок состоит из двух продольных распорок, смещенных по окружности относительно друг друга и соединенных перемычкой. Основной недостаток этой модели — повышенный риск переплетения и зацепления соседних элементов (пиков) на изгибах артерии. Это может привести к снижению радиальной жесткости конструкции и ее механическому повреждению⁴.

Таким образом, отсутствие на российском рынке оптимального стента для имплантации в периферические артерии делает актуальным дальнейший поиск "идеального" конструктивного решения. Представленный нами прототип лишен вышеперечисленных недостатков его аналогов.

Ограничения исследования. Наше исследование имеет ряд ограничений: небольшое количество наблюдений в эксперименте in vivo, и относительно короткий срок наблюдения после имплантации стента, что не позволяет выполнить статистические расчеты. Для того, чтобы сделать обоснованные выводы об эффективности и безопасности имплантируемого устройства планируется проведение дополнительных доклинических исследований с расширением выборки и периода наблюдения, а также сравнение нашего стента с другими аналогами в эксперименте.

Заключение

Нами представлен прототип нового отечественного саморасширяющегося внутрисосудистого стента для периферических артерий. Дизайн ячейки с переменным шагом гофрирования позволил решить важные практические задачи, улучшив функциональные свойства стента и снизив потенциальные риски осложнений после установки. Результаты имплантации экспериментальных образцов стента лабораторным животным подтвердили безопасность применения разработанной конструкции. Представленные результаты служат основанием для продолжения научно-исследовательской работы, направленной на разработку персонализированных стентов, учитывающих уникальные анатомические особенности и специфику патологических изменений в стенках сосудов.