Modern possibilities of optimizing reparative bone tissue regeneration

Full Text

Репаративная регенерация костной ткани характеризуется многоэтапностью течения. От момента повреждения кости до завершения репарации, т.е. до образования морфологически зрелой костной ткани, заполняющей костный дефект, и полноценного восстановления функции кости, проходит достаточно много времени. При этом четко прослеживаются общие закономерности развития репаративного процесса, а специфические особенности зависят от условий, в которых он протекает, и от потенций остеогенных клеточных элементов.

При точной репозиции и хорошей фиксации костных отломков, сохранности кровоснабжения зоны повреждения кости у молодых пациентов с неотягощенным анамнезом репаративный процесс имеет благоприятное течение и исход. Пожилой возраст, обширные костные дефекты, нарушение кровоснабжения зоны перелома, наследственные заболевания соединительной ткани, ослабление организма, связанное с перенесенными заболеваниями, и т.п. снижают способность организма к остеогенезу. Восстановление поврежденных костей в этих случаях может оказаться неполноценным или замедленным.

Поиск путей влияния на репаративный остеогенез рассматривается как одна из актуальных проблем биологии и медицины. Решение ее возможно посредством оптимизации внутритканевой среды в зоне регенерации, а также активации остеогенеза с выходом за пределы генетического алгоритма остеогенных клеток и их предшественников, характерного для естественного течения репаративной регенерации. При этом необходимо учитывать, что основным механизмом как физиологической, так и репаративной костной регенерации является пролиферация и дифференцировка предшественников остеогенных клеток, находящихся в периосте и эндосте.

В настоящее время известно несколько способов стимуляции репаративной регенерации [14]:

• трансплантация детерминированных остеогенных продромальных клеток (ДОПК), обладающих собственной потенцией костеобразования, — остеобластический остеогенез [15];
• воздействие специфическими субстанциями, к которым принадлежит костный морфогенетический белок (BMP — bone morphogenetic protein), точнее, семейство морфогенетических белков, индуцирующих фенотипическое преобразование полипотентных стволовых соединительнотканных клеток, или индуцибельных остеопродромальных клеток [15], в остеобласты — остеоинду ктивный остеогенез, или остеоиндукция [46];
• воздействие факторами, стимулирующими новообразование кости (TGF-|3, IGF-I, IGF-II, PDGF, bFGF, aFGF, BMPs), — стимулированный остеогенез. Эти факторы постоянно присутствуют в нативной костной ткани и являются медиаторами клеточной пролиферации и дифференцировки, ангиогенеза и минерализации как при физиологической, так и при репаративной регенерации костной ткани [41];
• пассивная стимуляция ДОПК с помощью аллогенных костных трансплантатов, синтетических либо полусинтетических заменителей кости — остеоконду ктивный остеогенез, или остеокондукция [28]. Имплантаты искусственного или биологического происхождения в этом случае являются остовом (кондуктором) для прорастания кровеносных сосудов, после чего происходит врастание клеток (остеобластов) из костного ложа.

Способ воздействия на репаративную регенерацию путем трансплантации ДОПК, обладающих собственной потенцией к остеогенезу [15], авторы обозначили как остеобластический остеогенез. Однако это название слишком общо. В организме нет другого остеогенеза кроме остеобластического. Правильнее было бы определить данный способ как трансплантационный остеогенез. Рождение его связано с совершенствованием метода выращивания клеточных культур и появлением возможности выделять из костного мозга стволовые полипотентные соединительнотканные клетки, культивировать их и наращивать их количество до необходимой для «реэкспорта» в костный дефект клеточной массы [15]. Однако из-за сложности и высокой стоимости культивирования предшественников остеобластов, короткого срока жизни клеток вне питательной среды этот способ пока не получил широкого применения.

В основе остеоиндуктивного и стимулированного остеогенеза лежит активирование морфогенетическими белками и/или факторами роста коммитированных клеток-предшественников остеобластов в периосте и эндосте либо полипотентных стволовых соединительнотканных клеток в костном мозге.

В настоящее время из костной ткани выделено и идентифицировано 15 типов BMP, действующих на разных этапах фенотипирования индуцибельных остеопродромальных клеток в остеобласты. Каждый тип костного морфогенетического белка состоит из 4~5 субъединиц. Морфогенетическими свойствами обладает только одна его часть, являющаяся гидрофобным гликопротеидом [45]. Биологическую активность в максимальной степени проявляет кислоторастворимая форма BMP. Поэтому чем больше в кости кислоторастворимой формы BMP, тем выше ее остеоиндуктивная активность. Значимое проявление остеоиндуктивности имеют белковые субъединицы ВМР-2, 3, 4, 6, 7 [39, 41]. Более всего в этом плане изучены в эксперименте на животных два морфогенетических белка — ВМР-2 и ВМР-7 [27, 40].

Доказательством остеоиндуктивности BMP служит появление после эктопической имплантации этих субстанций энхондральной оссификации, чего не наблюдается при имплантации других материалов [12, 45, 46]. Согласно современным представлениям, комплекс BMPs влияет на дифференцировку полипотентных стволовых клеток в хондроциты или остеобласты, ускоряет созревание и кальцификацию костного матрикса [19]. Некоторые морфогенетические протеины — ВМР-2, ВМР-3, ВМР-4, ВМР-6, ВМР-7 определяют путь дифференцировки полипотентных мезенхимальных клеточных линий в остеобластическую линию [16, 17].

Наряду с BMPs костная ткань содержит трансформирующий [3-фактор роста (TGF-J3), эпидермальный фактор роста (PDGF), инсулиноподобные факторы роста I и II (IGF-I, IGF-II), основной и кислотный факторы роста фибробластов (bFGF и aFGF) [41]. Эти факторы роста комплексируются с цитоплазматическими рецепторами клеток-мишеней, активируют внутриклеточные ферменты, их многоступенчатую (каскадную) систему, конечными продуктами которой могут быть несколько биологически активных соединений, регулирующих многие стороны внутрии внеклеточного метаболизма [2].

Локальное применение различных факторов роста влияет на пролиферацию и дифференцировку предшественников остеогенных клеток в их культурах с образованием костной ткани [41, 43].

Таким образом, факторы роста и костные морфогенетические белки могут стимулировать синтез костных коллагеновых белков остеобластами и пополнять количество последних за счет воздействия на дифференцировку их предшественников. В настоящее время BMP и факторы роста применяются в некоторых странах в клинической практике. Однако трудность их выделения и очистки, невозможность синтеза методами генной инженерии делают их использование ограниченно доступными.

Другой проблемой применения культур аутоклеток и факторов роста для стимуляции репаративного остеогенеза является их доставка в зону дефекта. Введение культуры аутоклеток или факторов роста непосредственно в область обширного костного дефекта инъекционным путем не обеспечивает их длительного присутствия в зоне повреждения кости и пролонгированной стимуляции остеогенеза [41]. Поэтому факторы роста должны быть доставлены в область дефекта с помощью различных имплантатов, способных адсорбировать их и затем выделять в течение времени, достаточного для завершения регенерации. Так же можно доставить в костный дефект аутоклетки, которыми насыщаются имплантируемые матрицы.

Идеальный материал для этой цели, по мнению некоторых авторов, должен быть способен биодеградировать, замещаясь костью, в течение 6 нед [47]. Имплантат из такого материала, несущий факторы роста, должен полностью резорбироваться, не препятствовать костеобразованию, быть инертным по отношению к окружающим тканям [41].

Существующие материалы, в той или иной степени отвечающие указанным требованиям, можно разделить на три группы: 1) биоорганические — инактивированный деминерализованный костный матрикс, коллаген, фибриновый клей, фибрин-коллагеновая паста; 2) керамические — [3-трикальцийфосфатная керамика, парижский пластырь (сульфит кальция), коралл; 3) синтетические полимеры — полимолочная кислота, полиактид-полигликолид сополимер, полиангидрид и полиортоэстер.

Большинство этих материалов не отвечает в полной мере критериям идеальной системы доставки факторов роста в область регенерации. Так, [3-трикальцийфосфатная керамика [46], полиактид-полигликолид сополимер [39], полимолочная кислота [33] ообнаруживаются в костном дефекте дольше 6 мес. Фибрин-коллагеновая паста и фибриновый клей индуцируют развитие хронического воспалительного процесса и угнетают гетеротопический остеогенез [35, 43] . Перспективным, по данным проведенных исследований [41—44], является синтетический материал полиортоэстер. Имплантаты из него вызывают минимальную воспалительную реакцию, не угнетают остеогенез, резорбируются в течение 4 нед после помещения в костный дефект. Однако отдаленные результаты применения этого материала пока неизвестны.

Все разновидности материалов, предлагаемых для помещения в костные дефекты в качестве носителей аутоклеток или факторов роста, могут быть использованы и самостоятельно для остеокондуктивного остеогенеза [23]. Они не оказывают прямого стимулирующего влияния на репаративный остеогенез, но способствуют направленному росту новой кости. Являясь основой для прорастания в область дефекта первичных сосудов, остеокондукторы постепенно утилизируются и замещаются новообразованной костью [41]. К. Denner и соавт. [24] экспериментально определили размер пор трансплантата (не менее 100 мкм), обладающего остеокондуктивными свойствами. Следовательно, трансплантат, используемый в качестве остеокондуктора, должен сочетать в себе такие свойства, как пористость и способность к резорбции до построения на его месте первичного костного регенерата и заполнения им костного дефекта.

Остеокондуктивный имплантат из пористой керамики и гидроксиапатита не отвечает этим требованиям [22, 47]. При помещении такого имплантата в костный дефект формирующийся костный регенерат образует вокруг него футляр. Кроме того, данный материал, обладая высокой пористостью и хорошими прочностными свойствами, не подвергается полной резорбции, вследствие чего не происходит глубокого прорастания костной ткани в имплантат. В результате такое восстановление часто заканчивается переломами в области операции [46, 47].

Материалом, сочетающим в себе остеокондуктивные и остеоиндуктивные свойства, является деминерализованный костный матрикс (ДКМ) [38, 41]. Он имеет значительную пористость [9] и хорошо резорбируется при помещении в костный дефект, так как его волокнистая основа является естественным для организма субстратом. Длительность резорбции имплантируемого ДКМ можно регулировать степенью деминерализации исходной нативной кости [12]. В процессе резорбции ДКМ, состоящий из коллагеновых волокон, служит строительным материалом для образующейся новой кости [20, 36]. Добавление аутологичного костного мозга в место имплантации ДКМ при костных дефектах приближает ДКМ к аутотрансплантату с сохраненным кровообращением [47].

Для интенсификации репаративной регенерации необходимо создать определенные условия, способствующие быстрому костеобразованию и повторяющие те, в которых проходит физиологическая регенерация. С этих позиций имплантат, насыщенный различными стимуляторами, следует рассматривать не только как средство доставки этих веществ в область костного дефекта [41]. Трансплантат, имеющий структуру, подобную структуре костной ткани, и несущий в себе стимуляторы остеогенеза, должен создавать микроокружение, способное оптимизировать регенерацию костной ткани, приближать ее к физиологической, но на более высоком уровне метаболизма и с большей скоростью костеобразования (за счет стимуляторов) [36].

Перечисленным требованиям (стимуляционная активность, резорбируемость, пористость и др.) отвечают некоторые естественные биологические тканевые структуры. Среди них особое внимание привлекает незрелая костная ткань млекопитающих. Аллогенная фетальная костная ткань в измельченном виде применяется при восстановлении поврежденных костей с обширными дефектами, лечении ложных суставов, различных кист, остаточных полостей, для стимуляции замедленно созревающих дистракционных регенератов и т.д. [6, 18, 34, 42]. Использование фетальной костной ткани в качестве стимулятора репаративного остеогенеза имеет определенные теоретические основания. Прежде всего, компоненты этой ткани — незрелый коллаген и аморфный фосфат кальция относительно легко резорбируются [5]. Кроме того, наличие в ее составе нескольких типов костного морфогенетического белка во многом определяет остеоиндуктивные свойства костного матрикса. Целая группа факторов роста, содержащихся в фетальной костной ткани, стимулирует как пролиферацию и дифференцировку родоначальников остеодифферона, так и ангиогенез [41]. Важное значение имеет также низкая антигенная активность нативной незрелой костной ткани [4].

Незрелая костная ткань новорожденных животных, как и фетальная кость, содержит большое количество факторов роста [26] и близка к ней по структуре и биохимическому составу. Имеются сведения о применении в эксперименте костной ткани новорожденных животных в деминерализованной форме для оценки остеоиндуктивности ДКМ [21], а также в нативном виде — в сравнении с фетальной костной тканью [30]. Исследование влияния этих тканей на репаративную костную регенерацию показало их выраженный стимуляционный эффект [26]. При заполнении значительных дефектов длинных костей кролика фрагментированной незрелой (фетальной и «новорожденной») костной тканью животных наблюдалось полноценное структурно-функциональное восстановление поврежденной кости в течение 6 мес. Формирование регенерата происходило многоэтапно, путем заполнения дефекта волокнистой соединительной тканью, замещения ее ретикулофиброзной костной тканью и последующего ремоделирования в пластинчатую компактную костную ткань. Фрагменты незрелой костной ткани, распределенные в костном дефекте, не являлись центрами остеогенеза. Вокруг фрагментов этой ткани образовывалась волокнистая соединительная ткань, создававшая основу для пролиферации и дифференцировки остеогенных клеток периоста и эндоста [10, 26].

Течение и завершение репаративной регенерации во многом определяется условиями протекания регенераторных процессов, и прежде всего — трофическим обеспечением, которое в свою очередь зависит от степени кровоснабжения зоны регенерации. Факторы, влияющие на кровоснабжение, можно разделить на две группы: первая — стимуляторы ангиогенеза, вторая — стимуляторы кровотока. Как отмечалось выше, стимуляторами ангиогенеза и остеогенеза являются факторы роста. Для усиления развития сосудистого русла в области больших диафизарных дефектов применялись адреналовый экстракт надпочечников [11, 31], антиоксиданты [8, 20]. При этом развитие сосудистого русла способствовало более активному течению регенераторных процессов. Локальную гиперемию в области повреждения кости и интенсификацию микроциркуляции вызывали с помощью индуктотермии [37], УВЧ-терапии [7], ультразвука [1, 25], электростимуляции [13, 32], постоянного и переменного магнитных полей [29], лазерного излучения [3] т.д.

Итак, из представленного аналитического обзора следует, что в настоящее время существует большой арсенал способов воздействия и факторов влияния на разные звенья репаративной костной регенерации:

— непосредственное воздействие (стимуляция) на предшественники остеобластов в периосте и эндосте и полипотентные стволовые соединительнотканные клетки костного мозга факторами роста и BMP;

• трансплантация аутоклеток костного дифферона после культивирования и помещения на соответствующие носители;
• имплантация остеокондуктивных матриц;
• имплантация фрагментированной незрелой костной ткани, выступающей в роли остеокондуктивной матрицы и носителя (источника) факторов роста и BMPs;
• интенсификация ангиогенеза и микроциркуляции в зоне регенерации.

Указанные способы воздействия на репаративную регенерацию должны применяться комплексно, на основе индивидуального подбора и в сочетании с традиционными методами лечения костных повреждений (репозиция, фиксация отломков и т.д.). При этом следует учитывать особенности поврежденных костей, объем повреждения, возраст больного и другие факторы.

About the authors

N. P. Omelyanenko

Central Institute of Traumatology and Orthopedics. N.N. Priorov

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow

S. P. Mironov

Central Institute of Traumatology and Orthopedics. N.N. Priorov

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow

Yu. I. Denisov-Nikolsky

Research Center for Biomedical Technologies

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow

I. V. Matveychuk

Research Center for Biomedical Technologies

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow

A. I. Dorokhin

Central Institute of Traumatology and Orthopedics. N.N. Priorov

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow

N. N. Karpov

Central Institute of Traumatology and Orthopedics. N.N. Priorov

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files