goslasmedЛазерная медицинаLaser Medicine2071-80042686-8644Skobelkin Centre for Laser Medicine - a branch of the Federal Clinical Center for High Medical Technologies, FMBA of Russia10.37895/2071-8004-2021-25-4-9-15goslasmed-754Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯORIGINAL RESEARCHESЛазерная обработка хондромаляции суставного хрящаLaser treatment of chondromalacia lesions in the articular cartilagehttps://orcid.org/0000-0002-2202-8149ЛычагинА. В.LychaginA. V.

Лычагин Алексей Владимирович – доктор медицинских наук, заведующий кафедрой травматологии, ортопедии и хирургии катастроф

Москва

Lychagin Alexey – Dr. Sc. (Med.), Head of the Department of Traumatology, Orthopaedics and Disaster Surgery

Moscow

dr.lychagin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6865-3337ИванниковС. В.IvannikovS. V.

Иванников Сергей Викторович – доктор медицинских наук, профессор кафедры травматологии, ортопедии и хирургии катастроф

Москва

Ivannikov Sergey – Dr. Sc. (Med.), Professor at the Department of Traumatology, Orthopaedics and Disaster Surgery

Moscow

s.ivannikov@icloud.comhttps://orcid.org/0000-0002-9438-6295ЮсуповВ. И.YusupovV. I.

Юсупов Владимир Исаакович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Москва

Yusupov Vladimir – Cand. Sc. (Tech.), Senior Researcher, Institute of Photon Technologies

Moscow

iouss@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1782-7763СеменоваЛ. А.SemenovaL. A.

Семенова Людмила Алексеевна – кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник отдела патоморфологии, клеточной биологии и биохимии

Москва

Semenova Lyudmila – Cand. Sc. (Med.), Senior Researcher at the Department of Pathomorphology

Moscow

lu.kk@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6238-8528СтарцеваЕ. Д.StartsevaE. D.

Старцева Екатерина Дмитриевна – аспирант кафедры лазерной физики

Москва

Startseva Yekaterina – Postgraduate at the Department of Laser Physics

Moscow

startsevaed17@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1332-6037СуринВ. В.SurinV. V.

Сурин Владимир Владимирович – аспирант кафедры травматологии, ортопедии и хирургии катастроф

Москва

Surin Vladimir – Postgraduate at the Department of Traumatology, Orthopaedics and Disaster Surgery

Moscow

rassvet_1612@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6960-1184ТиньковаИ. О.TinkovaI. O.

Тинькова Ирина Олеговна – кандидат медицинских наук, патологоанатом

Москва

Tinkova Irina – Cand. Sc. (Med.), Pathologist

Moscow

tinkovairen74@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5999-3770НаиманнА. И.NaimannA. I.

Найман Андрей Игоревич – кандидат медицинских наук, врач-травматолог-ортопед

Москва

Naimann Andrei – Cand. Sc. (Med.), Orthopedic Traumatologist

Moscow

Naimann.a@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7872-6149ЖароваТ. А.ZharovaT. A.

Жарова Татьяна Альбертовна – доктор медицинских наук, доцент кафедры травматологии, ортопедии и хирургии катастроф

Москва

Zharova Tatyana – Dr. Sc. (Med.), Associate Professor at the Department of Traumatology, Orthopaedics and Disaster Surgery

Moscow

zharova-mma@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9479-6198ПржевальскийП. А.PrzhevalskyP. A.

Пржевальский Павел Андреевич – аспирант кафедры травматологии, ортопедии и хирургии катастроф

Москва

Przhevalskii Pavel – Postgraduate at the Department of Traumatology, Orthopaedics and Disaster Surgery

Moscow

89096312422@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1933-7511ЯнЯ.YanY.

Ян Яньбинь – аспирант кафедры травматологии, ортопедии и хирургии катастроф

Москва

Yang Yanbin – Postgraduate at the Department of Traumatology, Orthopaedics and Disaster Surgery

Moscow

yanbin.yang@bk.ruФГАОУ ВО Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет)РоссияI.M. Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health of RussiaRussian FederationФГАОУ ВО Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет)РоссияI.M. Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health of RussiaRussian FederationИнститут фотонных технологий РАН, ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАНРоссияInstitute of Photon Technologies of Federal Scientifi c Research Centre “Crystallography and Photonics” of Russian Academy of ScienceRussian FederationФГБНУ «Центральный научно-исследовательский институт туберкулеза»РоссияCentral Tuberculosis Research InstituteRussian FederationФГАОУ ВО «Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ»РоссияNational Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)Russian FederationГБУЗ города Москвы «Городская клиническая больница им. С.П. Боткина» Департамента здравоохранения города МосквыРоссияBotkin HospitalRussian FederationГБУЗ города Москвы «Городская клиническая больница им. С.П. Боткина» Департамента здравоохранения города МосквыРоссияI.M. Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health of RussiaRussian Federation202115042022254915Copyright © Лычагин А.В., Иванников С.В., Юсупов В.И., Семенова Л.А., Старцева Е.Д., Сурин В.В., Тинькова И.О., Наиманн А.И., Жарова Т.А., Пржевальский П.А., Ян Я., 20222022Лычагин А.В., Иванников С.В., Юсупов В.И., Семенова Л.А., Старцева Е.Д., Сурин В.В., Тинькова И.О., Наиманн А.И., Жарова Т.А., Пржевальский П.А., Ян Я.Lychagin A.V., Ivannikov S.V., Yusupov V.I., Semenova L.A., Startseva E.D., Surin V.V., Tinkova I.O., Naimann A.I., Zharova T.A., Przhevalsky P.A., Yan Y.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://goslasmed.elpub.ru/jour/article/view/754Цель

Цель: подбор оптимальных параметров двухволнового лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона для артроскопической  обработки очагов хондромаляции суставного хряща.  

Материалы и методы

Материалы и методы. Суставные хрящи быка обрабатывали лазерным излучением, выходящим из волокна, с различными параметрами. Суставные хрящи человека с очагами хондромаляции, взятые в процессе тотального эндопротезирования коленного сустава,  обрабатывали лазерным излучением, выходящим из волокна, с различными параметрами. Обработанные образцы хрящей оценивали  макроскопически, затем исследовали гистологически. Оценивали изменения структуры суставного хряща после лазерного воздействия.  

Результаты

Результаты. Двухволновое лазерное излучение с параметрами λ = 0,97 мкм / 30 Вт и λ = 1,55 мкм / 15 Вт в течение 2 с вызвало быстрое «оплавление» краев дефекта без макроскопически видимой карбонизации с широкой зоной термического воздействия в области  обработки. На гистологических препаратах хряща, обработанного двухволновым лазерным излучением с параметрами λ = 1,55 мкм / 5 Вт  и λ = 0,97 мкм / 3 Вт в течение 2 с, наблюдалось незначительное изменение структуры хряща, происходящее без термической деструкции хондроцитов.  

Выводы

Выводы. Оптимальной комбинацией при воздействии в среде физиологического раствора лазерным излучением на хрящевую ткань,  обеспечивающей восстановление формы суставного хряща, является сочетанное воздействие излучений λ = 0,97 мкм при мощности  3 Вт и λ = 1,55 мкм при мощности 5 Вт с расстояния 1–2 мм в течении 2 с.

Objective

Objective: to select optimal parameters of two-wave near-infrared laser irradiation for the arthroscopic treatment of chondromalacia foci  in the articular cartilage.  

Material and methods

Material and methods. Bull articular cartilages were treated with laser light delivered by a fifi ber and having various parameters. Human articular  cartilages with chondromalacia foci taken during the total knee replacement were also treated with laser light delivered by a fifi ber and having  various parameters. The processed cartilage samples were examined macroscopically and then histologically. Changes in the structure of ar[1] ticular cartilage after laser irradiation were assessed.  

Results

Results. A two-second irradiation with two-wave laser light (λ = 0.97 μm / 30 W and λ = 1.55 μm / 15 W) causes a rapid “melting” of lesion margins  without macroscopically visible carbonization with a wide thermally affected zone in the irradiated area. Histologically, cartilage preparations  irradiated with two-wave laser light (wavelengths λ = 1.55 μm / 5 W and λ = 0.97 μm / 3 W) for 2 sec demonstrated slight changes in the cartilage  structure without thermal destruction of chondrocytes.

Conclusion

Conclusion. The optimal combination for laser irradiation of the cartilage tissue in the saline solution environment which restores articular cartilage  shape is two-wave laser light λ = 0.97 μm at power of 3 W and λ = 1.55 μm at power of 5 W from the distance of 1–2 mm under 2 sec exposure.   

лазерсуставной хрящхондромаляциядлина волныпараметры излучениялазерная обработкаlasercartilagechondromalaciawavelengthradiation parameterslaser irradiationРабота выполнена при частичной поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в части развития лазерных технологийReferencesЖуликов А.Л., Маланин Д.А., Новочадов В.В., Горячев А.Н. Морфологические и морфометрические результаты бесконтактного воздействия холодной плазмы на суставной хрящ в эксперименте. Волгоградский научно- медицинский журнал. 2010; 2 (26): 32–36.Zhulikov A.L., Malanin D.A., Novochadov V.V., Goryachev A.N. Morphological and morphometric results of noncontact exposure of cold plasma to articular cartilage in the experiment . Volgograd Journal of Medical Research. 2010; 2 (26): 32–36. [In Russ.].Богатов В.Б., Матвеева О.В., Петров А.Б. Влияние холодно-плазменной аблации на хрящ коленного сустава человека и экспериментального животного. Травматология и ортопедия России. 2011; 1 (59): 61–66.Bogatov V.B., Matveeva O.V., Petrov A.B. Effect of cold plasma ablation at human and experimental animal knee cartilage. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2011; 1 (59): 61–66. [In Russ.].Иванников С.В. Лазерная артроскопическая хирургия (дегенеративно-дистрофические поражения коленного сустава): автореф. дис. … д-ра мед. наук. М.; 2001.Ivannikov S.V. Laser arthroscopic surgery: Degenerativedystrophic lesions of the knee joint: Dissertation of Dr. Sc. (Med.). Moscow; 2001. [In Russ.].Сандлер Б.И., Суляндзига Л.Н., Чудновский В.М. и др. Перспективы лечения дискогенных компрессионных форм пояснично-крестцовых радикулитов с помощью пункционных неэндоскопических лазерных операций. Владивосток: Дальнаука; 2004.Sandler B.I., Sulyandziga L.N., Chudnovskiy V.M., et al. Prospects for the treatment of discogenic compression forms of lumbosacral radiculitis using puncture non-endoscopic laser operations. Vladivostok: Dal’nauka; 2004. [In Russ.].Баграташвили В.Н., Басков А.В., Борщенко И.А. и др. Лазерная инженерия хрящей. М.: Физматлит; 2006.Bagratashvili V.N., Baskov A.V., Borshchenko I.A., et al. Laser engineering of cartilage. Moscow: Fizmatlit; 2006. [In Russ.].Sobol E., Baskov A., Shekhter A., et al. Laser regeneration of spine discs cartilage: mechanisms, in-vivo study and clinical applications. Lecture notes in electrical engineering. 2008; 12 LNEE: 259–266. DOI: 10.1007/978-0-387-71809-5_24Sobol E., Baskov A., Shekhter A., et al. Laser regeneration of spine discs cartilage: mechanisms, in-vivo study and clinical applications. Lecture notes in electrical engineering. 2008; 12 LNEE: 259–266. DOI: 10.1007/978-0-387-71809-5_24Holden P.K., Li C., Da Costa V., et al. The effects of laser irradiation of cartilage on chondrocyte gene expression and the collagen matrix. Lasers Surg Med. 2009: 41 (7): 487–491. DOI: 10.1002/lsm.20795Holden P.K., Li C., Da Costa V., et al. The effects of laser irradiation of cartilage on chondrocyte gene expression and the collagen matrix. Lasers Surg Med. 2009: 41 (7): 487–491. DOI: 10.1002/lsm.20795Wong B.J.F., Pandhoh N., Truong M.T., et al. Identifi cation of chondrocyte proliferation following laser irradiation, thermal injury, and mechanical trauma. Lasers Surg Med. 2005; 37 (1): 89–96. DOI: 10.1002/lsm.20180Wong B.J.F., Pandhoh N., Truong M.T., et al. Identifi cation of chondrocyte proliferation following laser irradiation, thermal injury, and mechanical trauma. Lasers Surg Med. 2005; 37 (1): 89–96. DOI: 10.1002/lsm.20180Yusupov V.I., Chudnovskii V.M., Bagratashvili V.N. Laserinduced hydrodynamics in water-saturated biotissues. 1. Generation of bubbles in liquids. Laser Phys. 2010; 20 (7): 1641–1646. DOI: 10.1134/S1054660X1014001XYusupov V.I., Chudnovskii V.M., Bagratashvili V.N. Laserinduced hydrodynamics in water-saturated biotissues. 1. Generation of bubbles in liquids. Laser Phys. 2010; 20 (7): 1641–1646. DOI: 10.1134/S1054660X1014001XYusupov V.I., Chudnovskii V.M., Bagratashvili V.N. Laserinduced hydrodynamics in water-saturated biotissues. 2. Effect on delivery fi ber. Laser Phys. 2011; 21 (7): 1230–1234. DOI: 10.1134/S1054660X11140015Yusupov V.I., Chudnovskii V.M., Bagratashvili V.N. Laserinduced hydrodynamics in water-saturated biotissues. 2. Effect on delivery fi ber. Laser Phys. 2011; 21 (7): 1230–1234. DOI: 10.1134/S1054660X11140015Yusupov V.I., Bulanov V.V., Chudnovskii V.M., Bagratashvili V.N. Laser-induced hydrodynamics in water-saturated tissue: III. Optoacoustic effects. Laser Phys. 2013; 24 (1): 015601. DOI: 10.1088/1054-660X/24/1/015601Yusupov V.I., Bulanov V.V., Chudnovskii V.M., Bagratashvili V.N. Laser-induced hydrodynamics in water-saturated tissue: III. Optoacoustic effects. Laser Phys. 2013; 24 (1): 015601. DOI: 10.1088/1054-660X/24/1/015601Yusupov V.I., Konovalov A.N., Ul’yanov V.A., Bagratashvili V.N. Generation of acoustic waves by cw laser radiation at the tip of an optical fi ber in water. Acoust Phys. 2016; 62 (5): 537–544. DOI: 10.1134/S1063771016050183Yusupov V.I., Konovalov A.N., Ul’yanov V.A., Bagratashvili V.N. Generation of acoustic waves by cw laser radiation at the tip of an optical fi ber in water. Acoust Phys. 2016; 62 (5): 537–544. DOI: 10.1134/S1063771016050183O’Conor C.J., Case N., Guilak F. Mechanical regulation of chondrogenesis. Stem Cell Res Ther. 2013; 4 (4): 61. DOI: 10.1186/scrt211O’Conor C.J., Case N., Guilak F. Mechanical regulation of chondrogenesis. Stem Cell Res Ther. 2013; 4 (4): 61. DOI: 10.1186/scrt211Fahy N., Alini M., Stoddart M.J. Mechanical stimulation of mesenchymal stem cells: Implications for cartilage tissue engineering. J Orthop Res. 2018; 36 (1): 52–63. DOI: 10.1002/jor.23670Fahy N., Alini M., Stoddart M.J. Mechanical stimulation of mesenchymal stem cells: Implications for cartilage tissue engineering. J Orthop Res. 2018; 36 (1): 52–63. DOI: 10.1002/jor.23670Juang Y.M., Lee C.Y., Hsu W.Y., et al. Proteomic analysis of chondrocytes exposed to pressure. Biomed Chromatogr. 2010; 24 (12): 1273–1282. DOI: 10.1002/bmc.1436Juang Y.M., Lee C.Y., Hsu W.Y., et al. Proteomic analysis of chondrocytes exposed to pressure. Biomed Chromatogr. 2010; 24 (12): 1273–1282. DOI: 10.1002/bmc.1436Mizuno S., Ogawa R. Using changes in hydrostatic and osmotic pressure to manipulate metabolic function in chondrocytes. Am J Physiol Cell Physiol. 2011; 300 (6): C1234– C1245. DOI: 10.1152/ajpcell.00309.2010Mizuno S., Ogawa R. Using changes in hydrostatic and osmotic pressure to manipulate metabolic function in chondrocytes. Am J Physiol Cell Physiol. 2011; 300 (6): C1234– C1245. DOI: 10.1152/ajpcell.00309.2010Karamesinis K., Spyropoulou A., Dalagiorgou G., et al. Continuous hydrostatic pressure induces differentiation phenomena in chondrocytes mediated by changes in polycystins, SOX9, and RUNX2. J Orofac Orthop. 2017; 78 (1): 21–31. DOI: 10.1007/s00056-016-0061-1Karamesinis K., Spyropoulou A., Dalagiorgou G., et al. Continuous hydrostatic pressure induces differentiation phenomena in chondrocytes mediated by changes in polycystins, SOX9, and RUNX2. J Orofac Orthop. 2017; 78 (1): 21–31. DOI: 10.1007/s00056-016-0061-1Sobol E.N., Baum O.I., Shekhter A.B., et al. Laser-induced regeneration of cartilage. J Biomed Opt. 2011; 16 (8): 080902. DOI: 10.1117/1.3614565Sobol E.N., Baum O.I., Shekhter A.B., et al. Laser-induced regeneration of cartilage. J Biomed Opt. 2011; 16 (8): 080902. DOI: 10.1117/1.3614565Alexandrovskaya Y.M., Baum O.I., Shekhter A.B., et al. Mechanisms of laser activation of chondrocytes in osteoarthritis healing. Laser Phys Lett. 2018; 15 (8): 085601. DOI: 10.1088/1612-202X/aac746Alexandrovskaya Y.M., Baum O.I., Shekhter A.B., et al. Mechanisms of laser activation of chondrocytes in osteoarthritis healing. Laser Phys Lett. 2018; 15 (8): 085601. DOI: 10.1088/1612-202X/aac746Шестерня Н.А., Иванников С.В., Жарова Т.А. и др. Клинико-биологические аспекты лечения гонартроза. Клиническая геронтология. 2011; 17 (3–4): 37–47.Shesternya N.A., Ivannikov S.V., Zharova T.A., et al. Clinical and biological aspects of gonarthrosis treatment. Clinical Gerontology. 2011; 17 (3–4): 37–47. [In Russ.].Иванников С.В. и др. Лазерная хондропластика – дальнейшее развитие артроскопии коленного сустава. Московский хирургический журнал. 2011; 19 (3): 40–43Ivannikov S.V., et al. Laser chondroplasty – further development of knee arthroscopy. Moscow Surgical Journal. 2011; 19 (3): 40–43. [In Russ.].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.