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. 2015 Oct-Dec;13(4):567–573. doi: 10.1590/S1679-45082015AO3378
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Histological analysis of the repair of dural lesions with silicone mesh in rats subjected to experimental lesions

Fernando William Figueiredo da Rosa 1, Pedro Henrique Isoldi Pohl 1, Ana Maria Amaral Antônio Mader 1, Carla Peluso de Paiva 1, Aline Amaro dos Santos 1, Bianca Bianco 1, Luciano Miller Reis Rodrigues 1
PMCID: PMC4878632  PMID: 26761555

ABSTRACT

Objective

To evaluate inflammatory reaction, fibrosis and neovascularization in dural repairs in Wistar rats using four techniques: simple suture, bovine collagen membrane, silicon mesh and silicon mesh with suture.

Methods

Thirty Wistar rats were randomized in five groups: the first was the control group, submitted to dural tear only. The others underwent durotomy and simple suture, bovine collagen membrane, silicon mesh and silicon mesh with suture. Animals were euthanized and the spine was submitted to histological evaluation with a score system (ranging from zero to 3) for inflammation, neovascularization and fibrosis.

Results

Fibrosis was significantly different between simple suture and silicon mesh (p=0.005) and between simple suture and mesh with suture (p=0.015), showing that fibrosis is more intense when a foreign body is used in the repair. Bovine membrane was significantly different from mesh plus suture (p=0.011) regarding vascularization. Inflammation was significantly different between simple suture and bovine collagen membrane.

Conclusion

Silicon mesh, compared to other commercial products available, is a possible alternative for dural repair. More studies are necessary to confirm these findings.

Keywords: Dura Mater; Meninges; Surgical procedures, operative; Thoracic surgery; Silicon; Models, animal

INTRODUCTION

Spinal trauma and iatrogenic lesions are the most common causes for dural lesions.(1-5) Vertebral fractures can cause dural lesions,(3-5) in up to 19% of cases, when posterior spinal elements have also fractures associated to vertebral body explosion fractures.(4,5) Accidental lesion of the dura mater in lumbar procedures has a prevalence between 1 to 17%.(1,2) Several autologous structures and synthetic materials have been used in dura mater repair. That includes autologous fat, fascia lata, lyophilized dura mater, and synthetic materials with great variability in clinical results.(6-8)

The increasing indications and the complexity of spine surgical procedures have led to an increased prevalence of dural lesions,(3,9) particularly in reoperation procedures.(1,3) The lack of attention to the principles of modern surgery, the complexity of the cases, lack of experience, and the rush to complete the surgical procedure are factors that could contribute to this statistic. In the United States, the increase in the number of lumbar laminectomies performed for degenerative diseases of the intervertebral discs has been the leading cause of dural lesions, frequently occurring by the time of opening the ligamentum flavum.(10)

Most lesions are recognized intraoperatively. In some cases, in which the lesion is incomplete, affecting only the dura mater external layer without reaching the arachnoid, cerebrospinal fluid may not leak immediately and still occur postoperatively.(3) According to Wang et al., immediate intraoperative repair does not increase perioperative morbidity or affect the outcomes.(1)

In dura mater repair surgeries, prevention of postoperative adhesions is an important aspect.(9) Lyophilized dura mater from human cadavers is often used as a dural substitute, and also in cases of repair of dural defects and meningomyeloceles, but the disadvantage of the transmission of infectious diseases exists.(9)

Dural repair increases around 20 to 30 minutes to the total surgery time.(1) The proper technique should be quick and easy to apply,(3) however, lesions in the anterior or lateral regions may be more complicated, requiring other types of techniques.(3,4) A combination of methods has been advocated by some authors.(1-3)

Dural lesions have been treated successfully through primary repair followed by bed rest in dorsal decubitus.(1,3,4) Various forms of repair have been used, such as sutures with separate stitches,(1,5) continuous sutures,(3) autologous fascia grafts,(3) fibrin sealant,(11) and porcine collagen matrix.(12) Silicon mesh has been used in various surgical fields, we developed a silicon membrane in order to evaluate the applicability of the dural lesion.

It is very difficult to compare the different types of treatment of dural lesion because the few studies that were conducted are based on a small number of patients.(1) This study is therefore important due to the lack of consensus in the international literature about the repair methods and the new materials that are emerging for its treatment. Moreover, experimental controlled studies are rare and would help compare crucial aspects, such as inflammation, biocompatibility, neovascularization and fibrosis between distinct dural repair methods.

OBJECTIVE

To evaluate the potential of silicone mesh use in the repair of dura mater lesions comparing different techniques.

METHODS

This experimental study with rats was conducted in the Animal Experimentation Laboratory and Bioterium of the Faculdade de Medicina do ABC (FMABC) in accordance with the due legislation. It was approved by the FMABC Animal Experimentation Ethics Committee (protocol number 003/2010).

Thirty male Wistar rats (Rattus norvergicus), at least 12 week-old and weighing between 300 and 350g, were used. They were placed in groups of up to three per cage. They were maintained under environmental conditions (handling, ad libitum, periodic changing of shavings and cage cleaning), at a controlled temperature of around 28oC, with 12 hour light/dark periods and regular daily feeding with food appropriate for the species, until the end of the experiment.

The rats were evaluated for overall condition, weight, and motor skills. The following exclusion criteria were established: death following the lesion; loss of tissue in the area of the lesion; abnormalities observed macroscopically in the medullary region; lack of anal or vesical sphincter control; absence of motor activity following the lesion; and weight loss of more than 20% of the animal’s weight.

The rats were randomly separated (by draw) into five groups composed of six animals each and identified on their tails. All were submitted to lesion of the dura mater. The groups were the following: Durotomy Group, control, with rats submitted to dural lesion without subsequent treatment; Simple Suture Group, with dural lesion repaired with simple sutures; DuraGen® Group, with dural lesion repaired with bovine collagen dural substitute (DuraGen®) as a protector, without fixation; Mesh Group, with dural lesion repaired with silicone mesh as a protector, without fixation; Mesh Plus Suture Group, with dura mater lesion repaired with simple sutures and silicone mesh as a protector.

Description of the surgical technique

Intraperitoneal anesthesia was used (a solution of ketamine, 50 to 80mg/kg, with xylazine chlorhydrate 2%, 10mg/kg, and atropine, 0.05mg/kg). Deep anesthesia was confirmed by the absence of a corneal reflex and the absence of a reaction to deep pain inflicted by interdigital compression of the paws. Subcutaneous cefalotin (25mg/kg) was used for prophylactic antibiotic therapy following the anesthesia, 24 and 48 hours after creating the lesion. In rats that presented infection, the treatment was extended until the tenth day, and in cases of persistent infection, the animal was euthanized (exclusion criterion).

The same investigator operated on all the animals using a Carl Zeiss 3.5x surgical magnifier. The surgical site was exposed (Figure 1) by making a 2cm dorsal midline incision with a no. 15 scalpel blade to expose the vertebral spine from T8 to T12. The muscles inserted in the spinous processes were dissected and retracted using a bipolar coagulator, auto-static retractors, anatomical forceps, a perforating punch, a delicate Cobb rongeur, and a dura mater dissector. The dural sac was exposed by a laminectomy and a 5mm durotomy (Figure 2) was performed with a no. 15 scalpel blade, applied gently in the craniocaudal direction, and a 45° angle up to the CSF leak, without damaging the subjacent neural tissue.

Figure 1. Surgical exposure of the spinal cord.

Figure 1

Figure 2. A 1mm incision in the dura mater with scalpel, causing lesion to the spinal cord involucrum.

Figure 2

The repair of the dura mater was made with Prolene 6.0 sutures with an atraumatic needle, and with the aid of microdissection forceps, using simple separate stiches due to the small surgical incision.

In DuraGen® Group, Mesh Group, and Mesh Plus Suture Group, that were the groups with repair using mesh, 7mm squares of DuraGen® (R) or silicone mesh (depending on the group), rough on one surface and smooth on the other, were used (Figure 3). The rough surface was in contact with the dura mater for the purpose of adhesion and isolation of the lesion.

Figure 3. Placement of the silicon mesh over the spinal cord lesion.

Figure 3

An approximation of the tissue, muscle, fascia, and skin planes was performed using simple sutures of nylon monofilament 4,0. Postoperative analgesia was maintained for a period of 72 hours with meloxicam (0.2%, 2mg/kg), administered subcutaneously once a day.

The rats were returned to their original cages and the following parameters were monitored: (a) motor activity, evaluated from the gait pattern outside the cage, observing any paralysis and paresis, as well as their location and predominance; (b) healing of the surgical wound, observing for the presence of any inflammatory signs, such as erythema, heat, and humidity, and for the presence of either CSF fistulas or abscedation.

The animals were sacrificed 24 days after surgery by carbon dioxide inhalation, in accordance with the current legislation, and following the precepts of the Conselho Nacional de Controle de Experimentação Animal (CONCEA).

Following euthanasia, the spinal cord was removed en bloc, with a margin of 1cm at the edges, cephalic and caudal, in relation to the lesion site. The blocks were stored in bottles, identified by codes, with formaldehyde solution (10%), and sent to the Pathology Department of the Faculdade de Medicina do ABC.

Histopathological analysis

Histopathological analysis was performed using slides, stained with hematoxylin-eosin (HE) and Masson trichrome, of the cranial, central, and caudal segments of the spinal cord, viewed under a binocular optical microscope. The evaluation was conducted by a single professional using the same Nikon microscope and observing and grading (absent, mild, moderate, and severe) the cases for inflammatory infiltrate, neovascularization and fibrosis.

Six levels of cuts were analyzed for each case, and the evaluation was concentrated on the posterior quadrants of the spinal cord. At each level, five consecutive fields were studied under 200-x magnification. The slides were stained with HE and the inflammatory infiltrate and density of the neovessels were evaluated semi-quantitatively and graded as absent (zero), mild (1), moderate (2), or severe (3). In the Masson trichrome, the degree of fibrous thickening of the dura mater was evaluated semi-quantitatively as absent (zero), mild (1), moderate (2), or severe (3). The pathologist was given no information about which group of rats the spinal cords belonged to (blind evaluation).

Statistical analysis

A descriptive analysis of all study variables was conducted. The qualitative variables were presented as absolute and relative values, while the quantitative variables were presented in terms of their central tendency and dispersion values. For the variables that satisfied both of these principles, non-parametric tests (the Krusal-Wallis test) were used, at the level of alpha of 0.05, to compare the scores of the groups in relation to the variable, testing the hypotheses H0, if the scores obtained are independent from the group they belong to, and H1, if the scores obtained are dependent on the group they belong to.

RESULTS

Table 1 describes the inflammatory infiltrate findings for all the rats (general) and by the groups of animals subjected to durotomy, sutures, DuraGen®, mesh, and mesh with sutures. Table 2 describes the same analysis, but for the neovascularization findings. Fibrosis is described in table 3 and table 4 describes the comparative statistical analysis among the groups for the three variables of inflammatory infiltrate, neovascularization, and fibrosis. All tables present the averages and standard deviations of the scores resulting from the histological analyses.

Table 1. Descriptive statistics of the inflammatory infiltrate in the five study groups.

  Groups
General
Durotomy Suturas DuraGen® Mesh Mesh + sutures
Mean 1.3 0.5 2.0 1.0 0.5 1.1
Standard deviation 0.5 0.5 0.9 0.6 0.5 0.8
Coefficient of variation, % 38.8 109.6 44.7 63.2 109.6 77.4
Minimum 1 0 1 0 0 0
Maximum 2 1 3 2 1 3

Table 2. Descriptive statistics of neovascularization.

  Group
General
Durotomy Sutures DuraGen® Mesh Mesh + sutures
Mean 1.3 1.0 1.8 1.3 0.7 1.2
Standard deviation 0.5 0.0 0.8 0.8 0.5 0.7
Coefficient of variation, % 38.8 0.0 41.1 61.4 77.0 55.2
Minimum 1 1.0 1 0 0 0
Maximum 2 1.0 3 2 1 3

Table 3. Descriptive statistics of fibrosis in the five groups evaluated.

  Groups
General
Durotomy Sutures DuraGen® Mesh Mesh + sutures
Average 1.8 1.3 2.2 2.7 2.5 2.1
Standard deviation 0.8 0.5 0.8 0.5 0.5 0.8
Coefficient of variation, % 41.1 38.8 34.7 19.3 21.9 36.1
Minimum 1 1 1 2 2 1
Maximum 3 2 3 3 3 3

Table 4. Statistical analysis comparing the five study groups in relation to inflammatory infiltrate, neovascularization, and fibrosis.

Groups Inflammatory infiltrate
Neovascularization
Fibrosis
Result p value Result p value Result p value
Durotomy versus simple suture 9.250 0.069 4.333 0.394 5.250 0.301
Durotomy versus DuraGen® 4.667 0.358 5.083 0.317 3.583 0.481
Durotomy versus Mesh 3.667 0.471 0.417 0.935 9.083 0.074
Durotomy versus mesh and suture 9.250 0.069 7.833 0.123 7.167 0.158
Simple sutures versus DuraGen® 13.917 0.006 9.417 0.064 8.833 0.082
Simple suture versus mesh 5.583 0.272 4.750 0.350 14.333 0.005
Simple suture versus mesh and suture 0.000 1.000 3.500 0.491 12.416 0.015
DuraGen® versus mesh 8.333 0.101 4.667 0.358 5.500 0.279
DuraGen® versus mesh and suture 13.917 0.006 12.917 0.011 3.583 0.481
Mesh versus mesh and suture 5.583 0.272 8.250 0.104 1.917 0.706

In terms of histopathological aspects, when compared with the preserved aspects of the meninges (Figure 4), in relation to the presence of fibrosis, there was a statistically significant difference between the Simple Suture versus Mesh Groups (p=0.005) and between the Simple Suture versus Mesh Plus Suture Groups, showing that fibrosis is more evident when a foreign body (mesh or DuraGen®) is used to repair the lesion, as shown in figures 5 and 6.

Figure 4. Photomicrography of a rat in Simple Suture Group (Masson trichrome, 40 X). Spinal cord is at the center, in red, enclosed by the pia mater and dura mater, stained in blue with a preserved aspect.

Figure 4

Figure 5. Photomicrography of a rat in DuraGen® Group (Masson trichrome, 100 X). Dura mater with normal thickness in the upper half (arrow) and thick in the lower half (star).

Figure 5

Figure 6. Photomicrography of a rat in Mesh Group (Masson trichrome, 200 X). The arrow indicates the fibroid thickening of the dura mater, stained in blue.

Figure 6

In relation to the presence of neovessels (Figure 7), a statistically significant difference was noted between the DuraGen® versus Mesh Plus Suture Groups (p=0.011). In relation to inflammatory infiltrate, there was a statistically significant difference between the Simple Suture versus DuraGen® Groups (p=0.006).

Figure 7. Photomicrography of a rat in Mesh Group (hematoxylin-eosin, 400x) indicated the presence of neovessels in the dura mater.

Figure 7

DISCUSSION

The spinal cord is enclosed in three fibrous membranes. The outermost is called the dura mater; the innermost, attached to the nervous system, is called the pia mater; and the middle one, the arachnoid. The phenomena that occur following a lesion to the dural membrane, at any level of the spinal cord, are still not completely understood. There is an insufficient number of publications, and most of those that do exist have small sample populations or a low number of cases.(8) There is no consensus in the literature on the results achieved with the techniques, or the materials available on the market for dural repair. Additional research needs to be conducted to develop better experimental models of dural lesion in animals, to establish and standardize evaluation methods, and to continuously compare new dural repair techniques and materials.

The search for better forms of treatment for dural lesions requires the development of experimental models, in which the new techniques developed for human use can be reproduced, and both the effects caused by the implants and the reactions produced in the dural and spinal cord tissues can be evaluated.

There are numerous animal experimentation models for the development of dural repair techniques and materials, for testing the safety, efficacy, efficiency, and effectiveness of the implant materials, and for evaluating spinal cord degeneration in experimental models. Many investigators employ experimental models using rats. Rabbits are also used(13) and there are experimental models that use larger animals, such as dogs,(8) pigs,(12) and primates.(14) However, we decided to use Wistar rats of the Wistar breed due to the availability and quality of the animals, and the ease of handling and housing following surgery.

The surgical technique used in our study was a dural lesion in the thoracic region, even though most authors use the lumbar region(8,15) and the cranial region(14) as the sites of choice for conducting tests with dural substitutes. The option to produce a dural lesion by performing a laminectomy in the thoracic region was chosen because it is easier to identify possible iatrogenic lesions of the spinal cord caused by the surgical technique through clinical parameters, enabling the exclusion of animals with any motor changes. We also chose the thoracic level since the vast majority of iatrogenic lesions occur at lumbar level, and lesions with dural involvement, in the case of fractures, occur with equal frequency in the lumbar and thoracic regions.(15,16)

In our study, in order to evaluate the efficacy of dural repair using silicone mesh, we compared the dural repair techniques and commercial materials that are most often mentioned and tested in the medical literature,(17) safe (contamination and reaction of the host tissue), and available in Brazil. We aimed to compare dural repair techniques using simple sutures, collagen membrane, and silicone mesh.

Dural suture is a well-established method. It can be combined with other methods. However, it has extremely variable closure techniques. The type, diameter, and material of the suture thread, and the suture technique used (number, spacing, and type of stitch) can vary. Isolated, continuous simple, or continuous anchored sutures are used.(3) The study by Megyesi et al. demonstrated greater efficacy of the simple-type suture with isolated stitches in in vitro tests to evaluate the resistance of the dura mater closure when submitted to hydrostatic pressure, and this closure option was used in our study.(18) There is also a great possibility of variation in the suture thread used. The sutures most often used are polyamide monofilament (nylon) 4-0, Prolene 6-0, and silk 3-0. Prolene 6-0 thread with an atraumatic needle was used for the dural sutures. Closure was achieved with three to four isolated simple stitches, with spacing of approximately 2mm between them, due to the small size of the neural structures.

DuraGen® bovine collagen membrane was chosen because of its viability and easy of use. It is not sutured to the dura mater (the material is not suturable); its fixation is achieved by placing it directly on the lesion site and applying drops of 9% NaCl saline solution. The use of DuraGen® as a substitute or sealant for dural defects is considered to be safe in terms of contamination and reactions of the host tissue.(17)

In our study, we compared two groups (sutures and DuraGen®) with the silicone mesh with and without fixation with sutures, and observed that as to the inflammatory infiltration, the silicone mesh caused less of an inflammatory reaction, on average, than DuraGen®, and a similar reaction to that of sutures. Knowing that in some cases, simple sutures are not feasible for the closure of dura mater due to the large size of the lesion, both silicone mesh and DuraGen® can be options for replacement of the membrane surrounding the spinal cord. Concerning neovascularization, there was a statistically significant difference between the DuraGen® and Silicone Mesh Plus Suture Groups. The results of Silicone Mesh Plus Suture were significantly different from those of DuraGen® in terms of inflammatory infiltrate and neovascularization, and different from simple sutures as to fibrosis.

The main limitations of our study were as follows: the possible different timing of the scar tissue process comparing the animal model to humans and, secondly, the short post-operative period of observation before the rats became sacrificed. We found no studies detailing the late results of experimental silicone mesh repair and neither scientific data about the costs involved with this technique. More studies including meta-analysis and systematic reviews are necessary to better evaluate, compare and confirm these results proving the value of silicone mesh in dural lesions difficult to repair.

CONCLUSIONS

When compared to other similar commercially-used products, silicone mesh showed potential for use as a dura mater protector, but further studies are necessary to confirm these initial results.

ACKNOWLEDGEMENTS

The authors are grateful for the financial support from Fundação de Amaparo a Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), protocol number 2013/00902-4.

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Einstein (Sao Paulo). 2015 Oct-Dec;13(4):567–573. [Article in Portuguese]

Análise histológica do reparo de lesões da dura com tela de silicone em ratos submetidos à lesão experimental

Fernando William Figueiredo da Rosa 1, Pedro Henrique Isoldi Pohl 1, Ana Maria Amaral Antônio Mader 1, Carla Peluso de Paiva 1, Aline Amaro dos Santos 1, Bianca Bianco 1, Luciano Miller Reis Rodrigues 1

RESUMO

Objetivo

: Avaliar reação inflamatória, fibrose e neovascularização da reparação da lesão dural em ratos Wistar, comparando quatro diferentes técnicas: pontos simples, membrana de colágeno bovino, tela de silicone e tela de silicone associada a pontos simples.

Métodos

: Trinta ratos Wistar foram randomizados em cinco grupos: o primeiro foi um grupo controle, submetido somente à durotomia. Os outros também foram submetidos à durotomia, porém sofreram sutura simples, reparo com membrana de colágeno bovino, tela de silicone e tela de silicone com sutura. Os animais foram sacrificados, e a coluna foi submetida à avaliação histológica com um escore (variando de zero a 3) para inflamação, neovascularização e fibrose.

Resultados

: A fibrose foi significativamente diferente, comparando-se sutura simples e tela de silicone (p=0,005) e sutura simples e tela com fio de sutura (p=0,015), demonstrando que a fibrose foi mais intensa quando um corpo estranho foi utilizado na reparação. Membrana bovina foi significativamente diferente da tela mais sutura (p=0,011) em relação à vascularização. A inflamação foi significativamente diferente entre os grupos submetidos à sutura simples e ao reparo com membrana de colágeno bovino.

Conclusão

: A tela de silicone, comparada com produtos similares com disponibilidade comercial, é uma possível alternativa como protetor de dura-máter. Mais estudos são necessários para comprovar esses resultados.

Keywords: Dura-Máter, Meninges, Procedimentos cirúrgicos operatórios, Cirurgia torácica, Silício, Modelos animais

INTRODUÇÃO

As causas mais comuns de lesões durais são trauma espinal e lesões iatrogênicas.(1-5) As fraturas vertebrais podem causar lesão dural(3-5) em até 19% dos casos, quando os elementos espinais posteriores também sofrem fraturas associadas a fraturas em explosão do corpo vertebral.(4,5) Nos procedimentos lombares, há prevalência de 1 a 17% de lesões acidentais da dura-máter.(1,2) Várias estruturas autólogas e materiais sintéticos têm sido utilizados na reparação da dura-máter, incluindo gordura autóloga, fáscia lata, dura-máter liofilizada e materiais sintéticos, com grande variabilidade nos resultados clínicos.(6-8)

O aumento no número de indicações e na complexidade dos procedimentos cirúrgicos espinais resultaram numa maior prevalência de lesões durais,(3,9) particularmente nas cirurgias reoperatórias.(1,3) A falta de atenção aos princípios da cirurgia moderna, a complexidade dos casos, a falta de experiência e a pressa para finalizar o procedimento cirúrgico são fatores que podem contribuir para essas estatísticas. Nos Estados Unidos, o aumento na frequência das laminectomias lombares para doenças degenerativas dos discos intervertebrais foi a principal causa de lesões durais, que ocorrem geralmente no momento da abertura do ligamento amarelo.(10)

A maioria das lesões é reconhecida no intraoperatório. Em alguns casos, nos quais a lesão é incompleta, afetando apenas a camada externa da dura-máter sem atingir a aracnoide, pode não haver extravasamento liquórico imediato, mas isso pode vir a ocorrer no pós-operatório.(3) De acordo com Wang et al., o reparo intraoperatório imediato não aumenta a morbidade perioperatória nem altera os resultados finais.(1)

Nas cirurgias de reparação da dura-máter, um aspecto importante é a prevenção de aderências pós-operatórias.(9) Geralmente, o substituto dural utilizado é a dura-máter liofilizada de cadáveres, como também ocorre nos casos de reparo de defeitos durais e meningomieloceles, mas há a desvantagem do risco de transmissão de doenças infecciosas.(9)

O reparo dural aumenta o tempo total de cirurgia em aproximadamente 20 a 30 minutos.(1) A técnica adequada deve ser de rápida e de fácil aplicação,(3) mas as lesões localizadas na região anterior ou lateral podem ser mais complicadas, exigindo outros tipos de técnicas.(3,4) Alguns autores recomendam uma combinação de métodos.(1-3)

As lesões durais têm sido tratadas com sucesso por meio de reparo primário, seguido de repouso no leito em decúbito dorsal.(1,3,4) Várias formas de reparo foram usadas, como suturas com pontos separados,(1,5) suturas contínuas,(3) enxertos autólogos de fáscia,(3) selante de fibrina(11) e matriz de colágeno porcino.(12) O silicone tem sido usado em diversas áreas cirúrgicas, com isso desenvolvemos uma membrana de silicone para avaliarmos a aplicabilidade nas lesões durais.

É muito difícil comparar os diferentes tipos de tratamento das lesões durais, porque os poucos estudos existentes foram realizados com base em um número pequeno de pacientes.(1) Este estudo é importante devido à falta de consenso na literatura internacional sobre os métodos de reparação e os novos materiais que surgem para seu tratamento. Além disso, os estudos experimentais controlados são raros e ajudam a comparar aspectos fundamentais, como inflamação, biocompatibilidade, neovascularização e fibrose nos diferentes métodos de reparação dural.

OBJETIVO

Avaliar o potencial do uso da tela de silicone no reparo de lesões da dura-máter e comparar com várias outras técnicas.

MÉTODOS

Este estudo experimental com ratos foi realizado no Laboratório de Experimentação Animal e Biotério da Faculdade de Medicina do ABC (FMABC), de acordo com a legislação relevante, tendo sido aprovado pelo Comitê de Ética em Experimentação Animal da FMABC (protocolo número 003/2010).

Foram utilizados 30 ratos machos Wistar (Rattus norvergicus), com pelo menos 12 semanas de idade, pesando de 300 a 350g, alojados em grupos de até três animais por gaiola. Os ratos foram mantidos em condições ambientais (manuseio, ad libitum, troca periódica da forração de serragem e limpeza da gaiola) a uma temperatura controlada de aproximadamente 28°C, com fotoperíodo de 12 horas de claro e 12 horas de escuro, e alimentação regular diária com ração adequada para a espécie, até o final da experiência.

Os ratos foram avaliados no tocante a condições gerais, peso e habilidades motoras. Estabeleceram-se os seguintes critérios de exclusão: óbito após a lesão; perda de tecido na área da lesão; anomalias observadas macroscopicamente na região medular; ausência de controle esfincteriano anal ou vesical; ausência de atividade motora após a lesão; e perda de peso superior a 20% do peso do animal.

Os ratos foram separados aleatoriamente (por sorteio) em cinco grupos de seis animais cada e identificados na cauda. Todos foram submetidos a lesão da dura-máter. Os grupos foram os seguintes Grupo Durotomia, controle, com ratos submetidos à lesão dural sem tratamento subsequente; Grupo Sutura Simples, com lesão dural reparada com sutura simples; Grupo DuraGen®, com lesão dural reparada com substituto dural de colágeno bovino (DuraGen®) como proteção, sem fixação; Grupo Tela, com lesão dural reparada com tela de silicone como proteção, sem fixação; Grupo Tela e Sutura com lesão da dura-máter reparada com sutura simples e tela de silicone como proteção.

Descrição da técnica cirúrgica

Utilizou-se anestesia intraperitoneal (solução de quetamina, 50 a 80mg/kg, com cloridrato de xilazina a 2%, 10mg/kg, e atropina, 0,05mg/kg). Confirmou-se a anestesia profunda pela ausência de reflexo corneal e ausência de reação à dor profunda infligida por compressão interdigital das patas. Utilizou-se cefalotina subcutânea (25mg/kg) para terapia antibiótica profilática após a anestesia, 24 e 48 horas após a produção da lesão. Nos ratos que apresentaram infecção, o tratamento foi prolongado até o décimo dia, e nos casos de infecção persistente, o animal foi sacrificado (critério de exclusão).

O mesmo investigador operou todos os animais usando uma lupa cirúrgica Carl Zeiss com 3,5x de aumento. O sítio cirúrgico foi exposto (Figura 1) por meio de uma incisão dorsal de 2cm na linha média com uma lâmina de bisturi 15, para expor a coluna vertebral de T8 a T12. Os músculos inseridos nos processos espinhosos foram dissecados e afastados, utilizando-se um coagulador bipolar, afastadores autoestáticos, pinças anatômicas, um punch, uma rugina Cobb delicada e um descolador de dura-máter. O saco dural foi exposto por laminectomia, sendo, então, realizada uma durotomia de 5mm (Figura 2) com lâmina de bisturi 15, aplicada gentilmente na direção craniocaudal, em ângulo de 45° até o extravasamento liquórico, sem danificar o tecido neural subjacente.

Figura 1. Exposição cirúrgica da medula espinal.

Figura 1

Figura 2. Incisão de 1mm na dura-máter com bisturi, causando lesão no invólucro da medula espinal.

Figura 2

O reparo da dura-máter foi feito com suturas de Prolene 6.0 com agulha atraumática, com auxílio de pinça de microdissecção, utilizando-se pontos separados simples, devido ao reduzido tamanho da incisão cirúrgica.

Nos grupos DuraGen®, Tela e Tela e Sutura, que foram os grupos com reparo usando tela, foram utilizados quadrados de 7mm de DuraGen® (R) ou tela de silicone (dependendo do grupo), com uma superfície áspera e a outra lisa (Figura 3). A superfície áspera ficou em contato com a dura-máter, para fins de aderência e isolamento da lesão.

Figura 3. Colocação da tela de silicone sobre a lesão da medula espinal.

Figura 3

Realizou-se a aproximação dos planos de tecido, músculo, fáscia e pele, utilizando-se suturas simples com fio de nylon monofilamento 4.0. Manteve-se analgesia pós-operatória por um período de 72 horas com meloxicam (0,2%, 2mg/kg), administrado por via subcutânea, uma vez por dia.

Os ratos foram levados de volta para suas gaiolas originais, e os seguintes parâmetros foram monitorados: (a) atividade motora, avaliada pelo padrão de marcha fora da gaiola, observando-se quaisquer paralisias ou paresias, bem como sua localização e predominância; (b) cura da ferida cirúrgica, observando-se a presença de quaisquer sinais flogísticos, tais como eritema, calor e umidade, bem como a presença de outras fístulas liquóricas ou abscedação.

Os animais foram sacrificados 24 dias após a cirurgia por inalação de dióxido de carbono, de acordo com a legislação vigente, e seguindo os preceitos do Conselho Nacional de Controle de Experimentação Animal (CONCEA).

Após a eutanásia, a medula espinal foi removida em bloco, com uma margem de 1cm nas bordas, cefálica e caudal, em relação ao sítio da lesão. Os blocos foram guardados em frascos, identificados por códigos, com solução de formaldeído (10%), e enviados para o Serviço de Anatomia Patológica da Faculdade de Medicina do ABC.

Análise histopatológica

A análise histopatológica foi realizada utilizando-se lâminas coradas com hematoxilina-eosina (HE) e tricromo de Masson dos segmentos craniano, central e caudal da medula espinal, visualizadas em microscópio óptico binocular. A avaliação foi realizada por um único profissional, que utilizou o mesmo microscópio Nikon e observou e classificou os casos (ausente, leve, moderado e grave) em relação a infiltrado inflamatório, neovascularização e fibrose.

Seis níveis de corte foram analisados para cada caso, e a avaliação concentrou-se nos quadrantes posteriores da medula espinal. Em cada nível, cinco campos consecutivos foram estudados com aumento de 200 vezes. As lâminas foram coradas com HE, e o infiltrado inflamatório e a densidade dos neovasos foram avaliados semiquantitativamente e classificados como ausente (zero), leve (1), moderado (2) ou severo (3). No tricromo de Masson, o grau de espessamento fibroso da dura-máter foi avaliado em termos semiquantitativos, como ausente (zero), leve (1), moderado (2) ou grave (3). O patologista não recebeu nenhuma informação referente ao grupo de ratos ao qual pertenciam as medulas espinais (avaliação cega).

Análise estatística

Realizou-se análise descritiva de todas as variáveis do estudo. As variáveis qualitativas foram apresentadas como valores absoluto e relativo, ao passo que as variáveis quantitativas foram apresentadas em termos de sua tendência central e valores de dispersão. Para as variáveis que satisfaziam ambos princípios, utilizaram-se testes não paramétricos (o teste Krusal-Wallis), considerando-se alfa de 0,05, para comparar a classificação dos grupos em relação à variável, testando as hipóteses H0, se as classificações obtidas forem independentes do grupo a que pertencem, e H1, se as classificações obtidas forem dependentes do grupo a que pertencem.

RESULTADOS

A tabela 1 descreve os achados de infiltrado inflamatório para todos os ratos (geral) e por grupos de animais submetidos a durotomia, suturas, DuraGen®, tela e tela com suturas. A tabela 2 descreve a mesma análise, mas para os achados de neovascularização. A fibrose é descrita na tabela 3, e a tabela 4 descreve a análise estatística comparativa entre os grupos para as três variáveis (infiltrado inflamatório, neovascularização e fibrose). Todas as tabelas apresentam as médias e os desvios padrão das classificações obtidas a partir da análise histológica.

Tabela 1. Estatística descritiva do infiltrado inflamatório em cinco grupos de estudo.

  Grupos
Geral
Durotomia Suturas DuraGen® Tela Tela + suturas
Média 1,3 0,5 2,0 1,0 0,5 1,1
Desvio padrão 0,5 0,5 0,9 0,6 0,5 0,8
Coeficiente de variação, % 38,8 109,6 44,7 63,2 109,6 77,4
Mínimo 1 0 1 0 0 0
Máximo 2 1 3 2 1 3

Tabela 2. Estatística descritiva de neovascularização.

  Grupo
Geral
Durotomia Suturas DuraGen® Tela Tela + suturas
Média 1,3 1,0 1,8 1,3 0,7 1,2
Desvio padrão 0,5 0,0 0,8 0,8 0,5 0,7
Coeficiente de variação, % 38,8 0,0 41,1 61,4 77,0 55,2
Mínimo 1 1,0 1 0 0 0
Máximo 2 1,0 3 2 1 3

Tabela 3. Estatística descritiva de fibrose nos cinco grupos avaliados.

  Grupos
Geral
Durotomia Suturas DuraGen® Tela Tela + suturas
Média 1,8 1,3 2,2 2,7 2,5 2,1
Desvio padrão 0,8 0,5 0,8 0,5 0,5 0,8
Coeficiente de variação, % 41,1 38,8 34,7 19,3 21,9 36,1
Mínimo 1 1 1 2 2 1
Máximo 3 2 3 3 3 3

Tabela 4. Análise estatística comparando os cinco grupos de estudo em relação a infiltrado inflamatório, neovascularização, e fibrose.

Grupos Infiltrado inflamatório
Neovascularização
Fibrose
Resultado Valor de p Resultado Valor de p Resultado Valor de p
Durotomia versus suturas simples 9,250 0,069 4,333 0,394 5,250 0,301
Durotomia versus DuraGen® 4,667 0,358 5,083 0,317 3,583 0,481
Durotomia versus tela 3,667 0,471 0,417 0,935 9,083 0,074
Durotomia versus tela e suturas 9,250 0,069 7,833 0,123 7,167 0,158
Suturas simples versus DuraGen® 13,917 0,006 9,417 0,064 8,833 0,082
Suturas simples versus tela 5,583 0,272 4,750 0,350 14,333 0,005
Suturas simples versus tela e suturas 0,000 1,000 3,500 0,491 12,416 0,015
DuraGen® versus tela 8,333 0,101 4,667 0,358 5,500 0,279
DuraGen® versus tela e suturas 13,917 0,006 12,917 0,011 3,583 0,481
Tela versus tela e suturas 5,583 0,272 8,250 0,104 1,917 0,706

Em termos dos aspectos histopatológicos, quando comparados com os aspectos preservados das meninges (Figura 4), no tocante à presença de fibrose, houve diferença estatisticamente significativa entre o Grupo Suturas Simples versus o Grupo Tela (p=0,005) e entre o Grupo Suturas simples versus o Grupo Tela com Suturas, mostrando que a fibrose foi mais evidente quando um corpo estranho (tela ou DuraGen®) foi usado para reparar a lesão, como mostrado nas figuras 5 e 6.

Figura 4. Fotomicrografia de um rato do Grupo Sutura Simples (tricromo de Masson, 40X). A medula espinal está no centro, em vermelho, envolta pela pia-máter e a dura-máter, corada em azul com aspecto preservado.

Figura 4

Figura 5. Fotomicrografia de um rato do Grupo DuraGen® (tricromo de Masson, 100X). Dura-máter com espessura normal na metade superior (seta) e espessada na metade inferior (estrela).

Figura 5

Figura 6. Fotomicrografia de um rato do Grupo Tela (tricromo de Masson, 200X). A seta indica espessamento fibroide da dura-máter corado em azul.

Figura 6

Em relação à presença de neovascularização (Figura 7), observou-se uma diferença estatisticamente significativa entre o grupo DuraGen® e o Grupo Tela e Sutura (p=0,011). Em relação ao infiltrado inflamatório, houve diferença estatisticamente significativa entre o Grupo Sutura Simples e o Grupo DuraGen® (p=0,006).

Figura 7. A fotomicrografia de um rato do Grupo Tela (hematoxilina-eosina, 400x) indicou a presença de neovascularização na dura-máter.

Figura 7

DISCUSSÃO

Três membranas fibrosas envolvem a medula espinal. A mais externa chama-se dura-máter; a mais interna, anexa ao sistema nervoso, chama-se pia-máter; e a do meio, aracnoide. Os fenômenos que ocorrem após a lesão da membrana dural, em qualquer nível da medula espinal, ainda não estão completamente esclarecidos. Há um número insuficiente de publicações, e a maioria das que existem referem-se a uma pequena amostra da população ou têm pequeno número de casos.(8) Não há consenso na literatura sobre os resultados obtidos com as técnicas ou os materiais disponíveis no mercado para reparação dural. É preciso que sejam realizadas mais pesquisas para desenvolver melhores modelos experimentais de lesão dural em animais, estabelecer e padronizar os métodos de avaliação, e comparar continuamente novas técnicas e materiais de reparação dural.

A pesquisa de melhores formas de tratamento de lesões durais exige o desenvolvimento de modelos experimentais, em que novas técnicas desenvolvidas para uso humano possam ser reproduzidas, e tanto os efeitos causados pelos implantes quanto as reações teciduais produzidas na dura-máter e na medula espinal possam ser avaliados.

Há vários modelos de experimentação animal para desenvolver técnicas e materiais de reparação dural, para testar a segurança, a eficácia, a eficiência e a resolutividade dos materiais de implante, além de avaliar a degeneração da medula espinal nos modelos experimentais. Muitos pesquisadores utilizaram modelos experimentais com ratos. Também foram utilizados coelhos(13) e há modelos experimentais que utilizam animais maiores, como cães,(8) porcos(12) e primatas.(14) No entanto, decidimos usar ratos da raça Wistar devido à disponibilidade e à qualidade dos animais, e por causa da facilidade de manuseio e alojamento após a cirurgia.

A técnica cirúrgica utilizada em nosso estudo foi uma lesão dural na região torácica, embora a maioria dos autores utilize as regiões lombar(8,15) e cranial(14) como locais de escolha para a realização de testes com substitutos durais. A opção de produzir uma lesão dural por meio de laminectomia na região torácica foi escolhida por ser mais fácil identificar possíveis lesões iatrogênicas da medula espinal causadas pela técnica cirúrgica por meio de parâmetros clínicos, permitindo a exclusão de animais com alterações motoras. Também escolhemos o nível torácico porque a maioria das lesões iatrogênicas ocorre no nível lombar, e as lesões com envolvimento dural, no caso de fraturas, ocorrem com igual frequência na região lombar e na região torácica.(15,16)

Em nosso estudo, para avaliação da eficácia do reparo dural usando tela de silicone, comparamos as técnicas de reparação dural e os materiais comerciais mais frequentemente citados e testados na literatura médica,(17) seguros (em relação a contaminação e reação do tecido hospedeiro) e disponíveis no Brasil. Procuramos comparar as técnicas de reparação dural que usam suturas simples, membrana de colágeno e tela de silicone.

A sutura dural é um método bem estabelecido, que pode ser combinado com outros métodos. No entanto, tem técnicas extremamente variáveis de fechamento. Tipo, diâmetro e material do fio de sutura, e a técnica de sutura utilizada (número, espaçamento e tipo de ponto) podem variar. Foram utilizadas suturas isoladas, sutura contínua simples ou sutura contínua ancorada.(3) O estudo de Megyesi et al. demonstrou maior eficácia da sutura tipo simples com pontos isolados nos testes in vitro para avaliação da resistência do fechamento da dura-máter, quando submetida à pressão hidrostática, e essa foi a opção de fechamento utilizada em nosso estudo.(18) Há também grande possibilidade de variação no fio de sutura utilizado. Com maior frequência, as suturas mais utilizadas são monofilamento de poliamida (nylon) 4-0, Prolene 6-0 e seda 3-0. O fio de Prolene 6-0 com agulha atraumática foi utilizado para as suturas durais. O fechamento foi efetuado com três a quatro pontos isolados simples, com espaçamento de aproximadamente 2mm entre eles, devido ao reduzido tamanho das estruturas neurais.

Foi escolhida a membrana de colágeno bovino DuraGen® por sua viabilidade e facilidade de uso. Ela não é suturada à dura-máter (o material não é suturável). Sua fixação é feita colocando-se a membrana diretamente sobre o sítio da lesão e aplicando-se gotas de solução fisiológica de NaCl a 9%. O uso de DuraGen® como substituto ou selante para defeitos durais é considerado seguro em termos de contaminação e de reações do tecido hospedeiro.(17)

Em nosso estudo, comparamos dois grupos (suturas e DuraGen®) com a tela de silicone com e sem fixação por meio de suturas, e observamos que, em relação ao infiltrado inflamatório, a tela de silicone causou, em média, menos reação inflamatória do que o DuraGen® e apresentou reação semelhante à das suturas. Sabendo que em alguns casos as suturas simples não são praticáveis para o fechamento da dura-máter devido ao grande tamanho da lesão, tanto a tela de silicone quanto o DuraGen® podem ser opções para a substituição da membrana que envolve a medula espinal. Quanto à neovascularização, houve uma diferença estatisticamente significativa entre o Grupo DuraGen® e o Grupo Tela de Silicone com suturas. Os resultados do Grupo Tela de Silicone com suturas foram significativamente diferentes daqueles do Grupo DuraGen®, em termos de infiltrado inflamatório e neovascularização, e diferentes do Grupo Sutura Simples, em relação à fibrose.

As principais limitações de nosso estudo foram a possível diferença do curso de tempo no processo de cicatrização nos modelos animal e humano e, em segundo lugar, o curto período de observação pós-operatório antes de os ratos serem sacrificados. Não encontramos nenhum estudo que detalhasse os resultados tardios do reparo experimental com tela de silicone, ou mostrasse dados científicos sobre os custos envolvidos nessa técnica. Mais estudos que incluam metanálises e revisões sistemáticas são necessários para avaliar melhor, comparar e confirmar esses resultados, comprovando o valor da tela de silicone nas lesões durais de difícil reparo.

CONCLUSÃO

Quando comparada com outros produtos comerciais de uso semelhante, a tela de silicone mostrou potencial em seu uso como protetor da dura-máter, porém mais estudos são necessários para confirmar esses resultados iniciais.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem o apoio financeiro da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), protocolo número 2013/00902-4.


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