Основы замещения костных дефектов в современной ортопедии-травматологии

Обзор статьи: Campana V, Milano G, Pagano E, et al. Bone substitutes in orthopaedic surgery: from basic science to clinical practice. J Mater Sci Mater Med. 2014;25(10):2445-2461. doi:10.1007/s10856-014-5240-2

Вступление

Со времени проведения первой операции с применением костного трансплантата прошло уже немало лет, и с тех пор этот вид оперативного вмешательства занял прочное место в таких разделах медицины как онкологическая хирургия, травматология, хирургия позвоночника и т. д. Число подобных операций постоянно растёт и уже достигло, по данным автора статьи, 2,5 млн. в год во всём мире, из которых порядка 500 000 приходится на США. Такая ситуация обусловлена относительной лёгкостью проведения вмешательства, его доступностью, «подгонкой» метода к различным клиническим ситуациям, в которых возможно применение не только собственно кости, но и её заменителей. Само понятие «заменитель кости» авторы определяют следующим образом: «синтетический, неорганический, комбинированный трансплантат, который может быть использован для замещения дефектов костной ткани вместо применения аллогенной или аутогенной кости». В течение последних 50 лет был изобретён целый ряд материалов, позволивших сформировать группы различных трансплантатов: костные (алло-, ауто-, ксено-), керамические (гидроксиапатит, сульфат кальция), факторы роста костной ткани. Авторы считают, что идеальный трансплантат должен обладать биосовместимостью и отсутствием неблагоприятных воспалительных реакций, легко устанавливаться в костный дефект, быть остеокондуктивным, остеоиндуктивным, резорбироваться со временем. Желательно, чтобы материал был рентген-проницаемым, имел возможность к стерилизации и доступную цену. Под все вышеперечисленные требования лучше всего подходит аутотрансплантат, который длительное время занимает достойное место в ряде материалов для проведения оперативных вмешательств по замещению костных дефектов. Медицинская наука движется вперёд, и вторая половина ХХ столетия ознаменовалась изобретением большого количества синтетических и композитных материалов на основе керамики, гидроксиапатита и специального цемента. На данный момент учёные-медики занимаются разработкой продуктов тканевой инженерии, которые позволяют восстанавливать повреждённую кость за счёт внедрения в неё факторов роста и стволовых клеток. Каждый из перечисленных вариантов обладает сильными и слабыми сторонами. Целью свой работы авторы заявляют ознакомление с наиболее важными представителями в каждом классе материалов, применяемых в костной трансплантологии, в которой золотым стандартом до сих пор является аутотрансплантация. При таком типе операции костный материал забирается у пациента, которому проводят оперативное вмешательство. Обычно «донором» становятся подвздошная или малоберцовая кость (рис. 1). Вместе с тем, возможно применение костной ткани, полученной из рёбер, нижней челюсти и даже костей свода черепа. Авторы отмечают следующие сильные стороны такого варианта лечения: трансплантат остеокондуктивен, остеоиндуктивен, при его применении отсутствует риск развития отторжения, связанного с реакцией на чужеродную ткань, замещение пересаженного участка кости на новую костную ткань происходит физиологично. Среди отрицательных моментов упоминаются наличие травматизации мягких тканей в месте забора трансплантата, что может привести к развитию дополнительных осложнений, усилить постоперационный болевой синдром, вызвать косметический дефект. Ограничения такого способа касаются трасплантации у детей и пожилых людей, а также невозможности его применения при высоком уровне осевой нагрузки на оперируемую кость, что связано с преимущественно губчатой структурой аутотрансплантата, который не может обеспечить достаточную механическую прочность. Аллотранслантаты представляют собой костную ткань, которую забирают у живого донора, или же получают из специального банка костного материала (рис. 2). Донорская кость остеокондуктивна, с незначительной остеоиндуктивностью, что авторы связывают со стерилизационными процедурами, которые проводятся с помощью гамма-излучения, уничтожающего белок. Ограничение применения метода:

Цена
Трудоёмкая процедура, связанная со сбором и обработкой костной ткани
Механическая сложность установки
Ограниченная остеоиндуктивность
Риск развития инфекции

Ксенотрансплантаты получают из коровьих или свиных костей путём их высушивания и замораживания, или же деминерализации с депротеинизацией, в результате чего получают кальцифицированный матрикс (рис. 3). Плюсами такого типа трансплантатов являются остеокондуктивность, хорошие механические свойства, дешевизна, лёгкость изготовления. Из отрицательных моментов стоит отметить возможность заражения зоонозными инфекциями. Ещё одним видом ксенотрансплантата являются производимые из кораллов мадреопора или миллипора специальные гранулы, которые содержат большое количество карбоната кальция в нужной пропорции с фторидами, что необходимо для развития нормальной кости. По информации из статьи, в январе 2010 года итальянские учёные совершили прорыв в костной трансплантологии, разработав методику применения деревянных трансплантатов. Вначале заготовку из дерева подвергают пиролизу с последующим её насыщением солями кальция. В дальнейшем искусственно увеличивают пористость будущего трансплантата. Исследованиями было установлено, что такой материал обладает большей гибкостью и даёт лучшее проникновение костной ткани в трансплантат по сравнению с металлическими и керамическими аналогами. Согласно данным, представленным в статье, ксенотрансплантаты хорошо себя зарекомендовали в стоматологической практике, но в ортопедической хирургии опыт их применения недостаточен.

Керамические трансплантаты

Керамические трансплантаты изготовляются на основе комбинации гидроксиапатита и трифосфата кальция. Первый из составляющих «ответственный» за стойкость трансплантата к механическим нагрузкам, а второй обладает пористостью и способностью к биодеградации в течении 6 недель после операции, позволяя вновь образовавшейся костной ткани прочно прорасти в трансплантат. Согласно данным статьи, искусственный трансплантат по сравнению с аутотрансплантатом позволяет уменьшить кровопотерю, сократить время оперативного вмешательства и снизить количество осложнений. Вместе с тем в статье указывается, что в зависимости от процентного содержания трифосфата кальция и гидроксиапатита, предел прочности на сжатие искусственного трансплантата варьируется от 10 до 60 Мпа, в то время как кортикальный слой кости даёт цифры в районе 150-200 Мпа. Такая разница в прочности является сильным сдерживающим фактором для более широкого применения керамических трансплантатов.

Биомиметики

Биомиметики – следующий этап развития искусственных трансплантатов. Своё название они получили из-за схожести свойств их составляющих (магний, альгинат, кремний и т.д.) с естественной костной тканью, но при этом биомиметики не содержат в своём составе природный гидроксиапатит. На данный момент такие вещества находятся на стадии изучения и являются одной из самых интересных направлений в области развития костной трансплантологии.

Костный цемент был изобретён в 1986 году и представляет собой порошок, содержащий фосфат кальция, который при смешивании с водой образует пасту, затвердевающую через 20 минут. Такой материал биосовместим, остеокондуктивен, его можно эффективно использовать для коррекции дефектов кости. Со временем происходит резорбция костного цемента с последующим его замещением на нормальную костную ткань. Поскольку цемент можно вводить в виде инъекций, то его используют для проведения минимальных инвазивных процедур – minimally invasive procedures (MIS) (рис. 4). Слабым местом костного цемента является его хрупкость, в результате чего он не может подвергаться большим нагрузкам. Тем не менее этот синтетический материал нашёл своё применение в ортодонтии, ортопедии и челюстно-лицевой хирургии.

Cульфат кальция впервые был использован в 1892 году Dreesman в качестве наполнителя для дефектов, возникших при туберкулёзном поражении кости. В середине ХХ века с помощью Peltier метод получил «второе дыхание», когда стал применяться очищенный препарат в виде кристаллов. Особенностью такой формы сульфата кальция является его возможность заполнять небольшие дефекты кости, что в сочетании с быстрым и полным рассасыванием материала и прорастанием сосудов приводит к замещению дефекта нормальной костной тканью. Обратной стороной сульфата кальция является возникновение кальций-индуцированного воспаления, которое, согласно информации из статьи, встречается в 13-18% случаев. Из-за такого осложнения чаще всего используются определённые смеси с применением вышеуказанного материала (рис. 5).

Полимеры

Полимерные материалы (ПМ) стоят особняком от других субстанций, поскольку обладают отличными от них химическими, механическими и физическими свойствами. ПМ можно разделить на две группы: естественные (разлагаемые) и синтетические (неразлагаемые). Одним из важнейших естественных полимеров авторы называют коллаген, который, как и остальные представители этого класса, резорбируются в организме человека. Наряду с коллагеном часто применяются в костной трансплантологии полилактид (ПЛА), полигликолид (ПГЛ) и поликапролактон (ПКЛ), который эволюционно более совершенен по сравнению со своими двумя предшественниками. Он растворим в жидкостях органического происхождения и имеет высокий уровень термической стабильности, в чём существенно превосходит ПЛА и ПГЛ. В статье указывается, что несмотря на свои достоинства, ПКЛ не получил широкого распространения, что авторы связывают с его медленной деградацией в тканях человека после пересадки.

Композиты

Комбинированный (композитный) материал на основе коллагена и гидроксиапатита имеет достаточно широкое применение, что в статье объясняется сходностью его составляющих с натуральной костью и, как следствие, имеющего высокий уровень биосовместимости. Каждый из компонентов в отдельности способен усилить дифференцировку остеобластов, при этом в паре коллаген и гидроксиапатит оказывают стимулирующее действие на процесс остеогенеза. Иногда к такому составу добавляют остеобласты, что повышает его остеокондуктивность. Хорошие механические свойства этого комбинированного материала обусловлены взаимной компенсацией естественных недостатков его составляющих. Так эластичность коллагена в какой-то мере позволяет уменьшить хрупкость гидроксиапатита, а прочность гидроксиапатита в свою очередь помогает увеличить стабильность всего трансплантата. Что касается сравнения вышеуказанного композита с другими материалами, то авторы говорят о недостаточном количестве объективных исследований, в которых бы напрямую анализировались результаты применения различных композитных трансплантатов. Вместе с тем отмечается, что добавление коллагена к керамической основе позволяет наделить полученный материал новыми свойствами: обеспечить лучший контроль формы, улучшить пространственную адаптацию, повысить адгезию к стенкам костного дефекта, быстрее стабилизировать трансплантат за счёт образования «комка коллагена».

Факторы роста

Деминерализированный костный матрикс (ДКМ) получают от человека путем погружения костного фрагмента в 70% спиртовой раствор с последующим выдерживанием полученного материала в соляной или хлористоводородной кислоте. Согласно информации из статьи, впервые такой вариант обработки кости с последующим её хранением с целью трансплантации, был описан в 1975 году и в 80-х годах прошлого века стал применяться в ортопедической практике. Поскольку после обработки в костной ткани практически не остаётся кальция, такой материал в основном состоит из коллагена, помогающего клеткам пациента прорастать в трансплантат, расти и дифференцироваться. Такая особенность связана с сохранением в ДКМ факторов роста костной ткани, которые не только способствуют её развитию, но и стимулируют процесс васкуляризации вновь образовавшейся кости. Обратной стороной дефицита кальция в ДКМ является его непрочность, в результате чего этот материал используется с различными наполнителями: глицеролом, сульфатом кальция, гиалуроновой кислотой и т.д. Авторы утверждают, что несмотря на большое количество информации, касающейся эффективности ДКМ, при более глубоком рассмотрении оказывается, что эти данные взяты из источников с ограниченной долей исследований с уровнем доказательности І и II.

Богатая тромбоцитами плазма (Platelet rich plasma (PRP)) материал, получаемый путём центрифугирования аутогенной крови и содержащий большое количество различных факторов роста: фактор роста тромбоцитов, инсулиноподобный фактор роста, трансформирующие факторы роста. Применение подобного материала улучшает хемотаксис и митогенез остеобластов, стимулирует синтез фибробластами гиалуроновой кислоты и создаёт условия для формирования внеклеточного матрикса, усиливая, таким образом, образование костной ткани. К сожалению, клинические исследования показали неудовлетворительные результаты применения PRP у пациентов с оперативным вмешательством на позвоночном столбе. По мнению авторов, такая ситуация связана с парадоксальным ингибирующим эффектом, отмечающимся при введении больших доз костных морфогенетических белков (Bone morphogenetic proteins (BMPs)), которые попадают в организм при использовании PRP в качестве единственного лекарственного вещества. На данный момент PRP разрешено применять только в качестве сопутствующего препарата в сочетании с другими факторами роста.

BMPs относятся к группе сигнальных белков, ответственных за построение тканей в организме, в частности за развитие костной ткани. Свою функцию BMPs реализуют путём индуцирования трансформации пула мезенхимальных клеток в остеогенные и хондрогенные линии, а также стимуляции ангиогенеза и усиления активности щелочной фосфатазы. Что касается остеогенного и остеоиндуктивного потенциала, то в статье приводится цифра в пределах 80-99%, которую учёные подсчитали, проведя анализ доклинических и клинических исследований. Как мы указывали выше, BMPs представляют собой целое семейство белков, из которых на данный момент в Европе и США разрешены для применения в медицинской практике только два: BMP2 для введения в тела поясничных позвонков и BMP7 для лечения неконсолидированного перелома большеберцовой кости. Дозы, необходимые для правильной терапии, до конца точно неизвестны. Кроме того, цена препарата остаётся высокой, что делает его доступным далеко не для всех слоёв населения.

Биоинженерия

Развитие и применение биомиметических субстанций в инженерии костной ткани является, по мнению авторов статьи, одной из важнейших целей для биоинженеров. Субстанции такого плана используются в виде временного остова, в который добавлены специальные препараты, позволяющие доставлять биоактивные молекулы и лекарства к месту повреждения, что ускоряет процесс сращения кости. Авторы статьи информируют нас, что на текший период имеются данные нескольких доклинических и клинических моделей, которые показали оптимистические результаты применения факторов роста и биоактивных молекул. При этом использовались различные варианты доставки препарата в интересующую область: болюсное введение, нанесение на поверхность в виде специальной плёнки, применение осмотической помпы, контролированное высвобождение с помощью биоразлагающихся каркасных конструкций, которые устанавливаются в повреждённую кость. В дальнейшем происходит высвобождение молекул действующего вещества с определённой скоростью, которая в идеале должна совпадать со скоростью их физиологического потребления костной тканью. Именно поэтому одним из самых удобных носителей являются полимеры, которые обладают нестабильными гидролитическими межмолекулярными связями и регулируемой скоростью биоразложения. Несмотря на то, что керамические материалы также имеют способность к биологическому разложению, контролируемо высвобождая при этом активные молекулы, наиболее часто в биоинженерии трансплантатов применяют полимеры и кополимеры, среди которых отдельной группой располагаются натуральные молекулы: коллаген, фибрин, желатин и т.д. Особый интерес представляет их естественное происхождение, в результате чего они имеют высокую степень биоактивности и сродства с тканями человека. В то же время недостаток механической прочности, невозможность регулировать скорость их биодеградации и вероятность развития иммуноконфликта в организме реципиента создают ограничения для широкого применения в биоинженерии веществ этого происхождения. Согласно информации из статьи, наиболее часто применяемыми соединениями в биоинженерии являются ПГЛ, ПЛА и ПКЛ. Эти полимеры обладают способностью медленно доставлять действующие вещества в кость, что было исследовано как in vitro так in vivo. В результате исследователи доказали, что, по сравнению с контрольной группой, биополимеры-носители на основе ПЛА и ПГЛ достоверно ускоряли остеоинтеграцию и срастание переломов. Следующим шагом в разработке новых материалов послужило создание ряда кополимеров. Последние получаются путём комбинации структурных звеньев, составляющих его полимеров, в результате чего учёным удаётся усилить позитивные характеристики каждого из составляющих и минимизировать негативные. Также возможно получение новых свойств, которые не были присущи ни одному из составляющих кополимера в отдельности. Из статьи узнаём, что наиболее часто применяемым материалом из этой группы является кополимер молочной и гликолевой кислоты – poly (lactic acid-co-glycolic acid) (PLGA), который широко изучен в качестве молекулы-носителя для целого ряда лекарственных препаратов, начиная от факторов роста и заканчивая антибиотиками. При всех своих достоинствах PLGA не может применятся в качестве монопрепарата, что связано с его низкими механическими и опорными свойствами, поэтому его используют в сочетании с какими-либо повышающими прочность дополнительными компонентами. С целью последующего развития этой методики была предложена технология высвобождение молекул, заключённых в специальные сферы, что позволило одновременно включать в состав носителя несколько действующих веществ. В дальнейшем исследования показали, что такой метод достоверно увеличивает скорость регенерации тканей по сравнению с «классическим» вариантом. Тем не менее в статье указано, что данная технология является экспериментальной и на данный момент не может быть применена в практической медицине. После многолетней работы по поиску средства, которое являлось бы своего рода панацеей для ускорения костной регенерации, учёные пришли к выводу, что в чистом виде достичь такого не удастся, и стали работать над другим направлением: созданием материала, способного усиливать специфические взаимодействия на уровне клетка-биоматериал. В качестве примера можно привести Arg–Gly–Asp (RGD) – аргинилглициласпарагиновая кислота (RGD-последовательность) – трипептид, сосотящий из L-аргинина, глицина и L-аспарагиновой кислоты, который является интегральным белком клеток и принимает участие в адгезии клеток. Если такой пептид нанести на поверхность искусственного каркаса, то процессы распространения и адгезии вновь образовывающихся клеток кости ускорятся. Yang et al. продемонстрировали катализацию дифференцировки стволовых клеток в остеобласты под воздействием нанесённого на биоразлагаемый каркасный материал RGD. В дальнейшем эта методика была усовершенствована путём добавления гидрогелевого матрикса, позволяющего контролировать высвобождение RGD с помощью внешнего стимулирования. Позже были проведены успешные испытания этого метода доставки необходимой субстанции in vivo. В качестве активных веществ использовались фактор роста фибробластов и эндоваскулярный фактор роста. Далее для клеточной инженерии предложили использовать пористый материал, обработанный гелем, содержащим активное вещество. Используя такую технологию, Howdle and colleagues смогли к основе на губчатом ПЛА добавить рибонуклеазу и обеспечить её контролируемое высвобождение в течение 3 месяцев, без потери активности фермента. На основе вышеописанных открытий и практических опытов учёные изобрели новый подход по доставке активных веществ к необходимому участку костной ткани. Суть этой тактики состоит в инкапсулировании лекарственного препарата, который впоследствии высвобождается, предотвращая патологические изменения, могущие возникнуть после применения синтетического трансплантата. Спектр веществ, которые могут быть доставлены и высвобождены таким образом, включает себя большое количество молекул, начиная от антибиотиков и заканчивая РНК и ДНК. Согласно информации из статьи, наиболее часто такой схемой доставки пользуются для применения антибиотиков в месте травмы или хирургического вмешательства. При этом чаще всего в качестве биоразлагаемого полимера применяют PLGA. В экспериментах in vitro и на животных моделях местная доставка препарата оказалась успешной на протяжении 20 дней и более. На данный момент остаются нерешёнными несколько вопросов, основными из которых являются стабильность антибиотика и его деактивация во время изготовления. Пока эти проблемы не решены, приступать к клиническим исследованиям на людях не представляется возможным.

Всё более углубляясь в проблему поиска средства, позволяющего проводить эффективное восстановление кости после проведения трансплантации или же вывести эту процедуру на другой уровень, учёные решили подойти к решению этого вопроса с позиции генной инженерии. С этой целью были сделаны пробные шаги на этом новом поприще. Было решено использовать биоактивные клетки для локальной доставки остеоиндуктивных генов с целью ускорения сращения кости. Однократно введённые в необходимую область, такие клетки должны были постоянно поддерживать высокую скорость регенерации костной ткани. Согласно данным статьи, экспериментальное применение такого способа на животных дало положительные результаты. Тем не менее целый ряд вопросов, связанных с безопасностью применения такой методики лечения на людях, не даёт возможности на данный момент использовать его в клинической практике. В качестве исходного материала учёные используют мезенхимальные стволовые клетки (МСК), которые обладают хорошей пластичностью, могут трансформироваться в различные клетки соединительной ткани и имеют высокую способность к регенерации. Также их дополнительным преимуществом является возможность длительное время находится вне живого организма, легко переносить изоляцию, сохраняя при этом все свои свойства. Комбинируя МСК и остеоиндуктивный каркас, учёным удалось создать продуктивное средство, использующееся в качестве заменителя кости. Для большей эффективности этого метода необходимо выделить остеогенную линию МСК, что легче всего сделать забором клеток костного мозга. Такой клеточный материал обладает наибольшим остеогенным потенциалом, что авторы связывают с предрасположенностью МСК превращаться в клетки тканей, которые их окружают.

Выводы

Дефекты кости, возникающие вследствие разнообразных обстоятельств, будут и в дальнейшем являться причиной применения различных видов трансплантатов и методик их установки. Как мы узнали, за последние 50 лет костная трансплантология сделала огромный рывок не только в плане изобретения новых материалов, но и принципиально новых подходов к вопросу замещения костных дефектов, стимулирования срастания повреждённых костей и ускорения реабилитационных процессов. Начав с аутотрансплантата, являющегося и по сей день золотым стандартом, учёные продвинулись далеко вперёд. Необходимо помнить, что каждый из вновь изобретённых материалов имеет свои сильные и слабые стороны. Например, керамические заменители кости обладают высокой прочностью, доступностью и безопасностью, но при этом не имеют недостаточную остеоиндуктивность. Только разумное применение каждого вида трансплантата, индивидуальный подход к пациенту может обеспечить грамотный подбор необходимого в конкретном случае типа трансплантата и варианта его установки. Обращаем ваше внимание, что данный обзор является «выжимкой» самого интересного, на наш взгляд, материала, представленного авторами. Для ознакомления с полным текстом предлагаем перейти по ссылке, размещённой в начале нашего ревью.

Рисунок 1. а. Кортикальный штифт из малоберцовой кости для проведения ауторансплантации при неконсолидированном переломе проксимальной трети плечевой кости. b. Контрольная рентгенограмма выполнена через один год после операции. Отмечается сращение перелома и хорошее вживление трансплантата.

Даные статьи: Campana V, Milano G, Pagano E, et al. Bone substitutes in orthopaedic surgery: from basic science to clinical practice. J Mater Sci Mater Med. 2014;25(10):2445-2461. doi:10.1007/s10856-014-5240-2

Рисунок 2. a, b. Мацерированный трансплантат головки бедренной кости, полученной из костного банка. с. Большая потеря костной массы в области крыши вертлужной впадины после проведения тотального эндопротезирования. d. Контрольная рентгенограмма, выполненная через 2 года после проведения оперативного вмешательства, показывает остеоинтеграцию трансплантата с его ремоделированием и образованием новой крыши вертлужной впадины.

Рисунок 3. а, b. Ксенотрансплантат из костей коровы. с. Ксенотрансплантат хорошо виден не рентгенограмме плечевого сустава даже после сращения перелома хирургической шейки плечевой кости (снимок сделан через год после операции). d. Заполненный ксенотрансплантатом ацетабулярный костный дефект.

Рисунок 4. Инъекционный костный цемент: a–b преимущество костного цемента в его пластичности, что позволяет использовать этот материал в локальном восстановлении костной массы при проведении MIS. с. Компьютерная томография дистальной трети голени. Отмечается наличие неконсолидированного оскольчатого перелома дистального метадиафиза большеберцовой кости с локальным дефицитом костной массы в месте травмы. d. Контрольная рентгенограмма, проведённая через год после оперативного вмешательства. Хорошо видна консолидация перелома с интеграцией костного цемента.

Рисунок 5. Сульфат кальция: а. На рентгенограмме тазобедренного сустава отмечается наличие множественных пеллет, заполнивших дефект кости, который возник после удаления динамического бедренного винта. b. Рентгенограмма того же пациента через 2 месяца после операции. Отмечается полное рассасывание сульфата кальция. с. Рентгенограмма средней трети голени. Заполнение дефекта кости при остеомиелите пеллетами с антибиотиком. d. Этот же пациент. На контрольной КТ, сделанной через 3 года, признаки костной регенерации отсутствуют.