Allogeneic osteoplastic materials for reconstructive surgery of combat injuries

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

The number of operations with the use of osteoplastic materials is increasing annually, which is explained by the increasing number of high-tech operations, reconstructive interventions for bone pathology, oncoorthopedics, bone deformities, as well as tissue defects resulting from combat trauma. Bone as an object of transplantation and is preferable because the use of bone tissue and materials made on its basis creates the necessary conditions for biological restoration of bone as an organ.

The modern trend is the development of regenerative medicine technologies and the development of modified materials with improved and predetermined properties — osteoplastic materials ceased to be static structures and their inertness gave way to functional activity.

The article describes the basic advantages of bone tissue and allogenic osteoplastic materials for their prospective use in reconstructive and reconstructive surgery of the musculoskeletal system. Data on the experience in the use of donor bone tissues for homoplasy at the clinic of military traumatology and orthopedics of the Kirov Military Medical Academy are presented. The advantages of allogeneic decellularized tissues for use in clinical and scientific practice are considered. The importance of preserving the architecture of native tissue for successful bone transplantation is shown. Decellularization is a method that allows the removal of immunogenic agents from tissues and organs, including cells and residual DNA, preserving the natural composition and architecture of the extracellular matrix for the most effective use of allogeneic bone tissue. The use of decellularized allogenic bone tissue purified to a mineral-collagen matrix or demineralized is the most practical option among other osteoplastic materials when large bone fragments need to be replaced.

Full Text

Ткань человека — уникальная биологическая материя. По своему строению и функциональным свойствам она неповторима и в случаях массивных повреждений при минно-взрывных, оскольчатых и огнестрельных ранений бывает невосполнима за счет собственных регенеративных ресурсов [1, 2]. Использование аутологичных тканей для трансплантации бывает ограничено или невозможно, и в этом случае первой альтернативой становятся аллогенные ткани [3]. В отличие от других остеопластических материалов биологического и синтетического происхождения, при применении аллогенной донорской кости соблюдается один из главных принципов трансплантологии — принцип внутривидовой специфичности тканей.

Еще в XVII в. производили межвидовые пересадки тканей, а с развитием биотехнологии трансплантация становилась все более и более совершенной и безопасной [4, 5]. В настоящее время из различных донорских зон могут быть получены ткани, которые затем подвергаются обработке во избежание отторжения, инфекционного заболевания, воспаления. Наиболее распространенным объектом для трансплантации являются костные ткани. Большинство ранений сопровождается разрушением костей и контузией окружающих мягких тканей, что приводит к ухудшению трофики и развитию осложнений в виде обширных костных дефектов, требующих применения замещающих материалов. Применение консервированных тканей для восстановительных операций на опорно-двигательном аппарате — один из популярных методов хирургического лечения в клинике травматологии и ортопедии Военно-медицинской академии имени С.М. Кирова (ВМедА). Большой вклад в развитие костной гомопластики внес С.С. Ткаченко, который опубликовал данные о пересадке консервированной кости 1197 пациентам — у 1028 (85,9 %) из них были благоприятные исходы, а у 169 (14,1 %) — отрицательные. Часть из них авторы объясняли недостаточным пониманием в то время механизмов трансплантационной иммунологии [6]. На базе научно-исследовательского центра ВМедА продолжают разрабатываться способы обработки костной ткани и создаются новые остеопластические материалы на ее основе с улучшенными свойствами для реконструктивной хирургии боевой травмы [7, 8].

По классификации Nandi, все остеопластические материалы подразделяются по биологическим и функциональным свойствам — остеоиндуктивность, остеокондуктивность и остеогенность. Золотым стандартом считается аутологичный костный трансплантат, обладающий всеми тремя свойствами. Однако ограниченное количество доступного для забора костного материала делает использование аутотрансплантата затруднительным или невозможным для некоторых групп пациентов [3].

Современные методы хирургии костных дефектов с использованием аллотрансплантатов обеспечивают возможность лечения сложных повреждений. Например, в онкологической хирургии реконструкция конечностей с помощью аллотрансплантатов позволяет восполнить дефект кости после обширной резекции опухоли. Костные аллотрансплантаты все чаще используются для пластики костной ткани при наличии дефектов критического размера, имеющих ограниченные свойства заживления. Однако стоит подчеркнуть, что при работе с аллогенными костными тканями есть риск миграции к реципиенту клеток, несущих на своей поверхности специфические молекулы гистосовместимости, увеличивающих вероятность развития воспаления, способного привести к несостоятельности трансплантата [9]. Тем не менее применение донорской костной ткани дает возможность получать крупные фрагменты аллогенного материала для реконструктивной хирургии. Их можно также получить при использовании ксеногенного материала. Превосходство аллогенной кости над ксеногенными костными заменителями было доказано как в доклинических, так и в клинических исследованиях благодаря наличию в них необходимых стимуляторов костной регенерации [10].

Децеллюляризация является методом, позволяющим удалить все иммуногенные агенты из тканей и органов, включая клетки и остаточную ДНК, сохранив при этом естественный состав и архитектуру внеклеточного матрикса для наиболее эффективного применения аллогенной костной ткани.

Децеллюляризованный матрикс имитирует нативную микросреду, сохраняет специфическую организацию и структуру, сходную с костной тканью, тем самым облегчая остеоинтеграцию трансплантируемых фрагментов материала [11].

Биоматериалы на основе децеллюляризованного матрикса применяются в качестве биоскаффолдов в инженерии костной ткани. Эти биоматериалы играют важную роль в обеспечении механического, физического и биохимического микроокружения, необходимого остеобластам для пролиферации и выживания. Децеллюляризованный внеклеточный матрикс может применяться как в виде цельных фрагментов, так и в виде гидрогеля и 3D-печатных каркасов [11].

Необходимо подчеркнуть важность сохранения архитектуры трансплантируемой ткани наиболее сходной с нативной. Для облегчения остеоинтеграции донорского участка крайне важны такие характеристики, как наличие пористости, определенных размера и формы пор [11].

Для стимуляции остеогенеза фрагменты децеллюляризированной ткани можно подвергнуть дополнительной постобработке. Так, модификация ксеногенного костного заменителя коллагеном типов I и III уже показала более интенсивное высвобождение факторов VEGF, PDGF и TGF-b по сравнению с костным заменителем без дополнительной постобработки коллагенами. Ремоделирование кости в этом случае идет успешнее, так как наблюдаются сигналы регенерации кости, такие как BMP-2, FGF-2, TGF-b1 и VEGF [10]. А гиалуронатсодержащий ксеногенный трансплантат в опытах in vivo на лабораторных животных показывает постепенную интеграцию в новообразованную кость, завершающуюся полным заживлением костного дефекта [12].

Для создания прототипа децеллюляризированной костной ткани, пригодной к трансплантации при боевой травме, необходимо оценивать инфекционную безопасность и гистосовместимость полученных материалов. Остеогенную активность и иммуногенность материалов необходимо оценить с помощью тестов на цитотоксичность, пролиферацию остеобластов, наличие остаточной ДНК и пролиферацию лимфоцитов периферической крови человека [13]. Для получения децеллюляризованного матрикса кости требуется высокоспециализированная лаборатория, что значительно снижает технологичность создания подобных трансплантатов. Также процесс децеллюляризации сопровождается обработкой химическими веществами — концентрированными кислотами, пергидролем и т. д., материал становится невосприимчивым к адгезии культивируемых клеток, соответственно, необходимы методы преодоления данной невосприимчивости [14].

Учитывая специфику заготовки аллогенного костного материала, необходим также подбор подходящих способов консервации и обработки фрагментов костной ткани. Необходимо тщательное планирование разработки способов децеллюляризации, делипидизации с проведением исследований на био- и гемосовместимость, изучение тканевой реакции на имплантацию согласно ГОСТ ISO 10993. В противном случае при имплантации реципиенту могут возникать неблагоприятные реакции в виде замедления процесса реваскуляризации, ухудшения последующей остеоинтеграции. Присутствие липидов в ткани может также стать причиной отторжения и инфицирования. [15, 16]. Физико-химические свойства и биодеградация различных видов остеопластических материалов могут отличаться, поэтому также необходимо оценивать процессы резорбции полученных образцов in vivo. Отсутствие тщательной и многостадийной обработки может привести к активации антигенной активности биологического материала, возникновению инфекционного заболевания и воспаления при трасплантации [17].

Применение децеллюляризированной аллогенной костной ткани, очищенной до минерально-коллагенового матрикса или деминерализованной, является наиболее практичным вариантом среди прочих остеопластических материалов при наличии необходимости замещения крупных фрагментов кости. Обладая нативной архитектурой, остеокондуктивными, остеоиндуктивными свойствами, аллокость способствует скорейшей регенерации поврежденного участка. А также характеризуется возможностью получения большого количества крупных фрагментов биоматериала для трансплантации, для чего необходим тщательный контроль очистки донорского костного материала, исключающий риск возникновения массивных воспалительных реакций или инфекции.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Источник финансирования. Финансирование данной работы не проводилось.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

×

About the authors

Vladimir V. Khominets

Military medical academy

Email: khominets_62@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9391-3316
SPIN-code: 5174-4433
Scopus Author ID: 6504618617

M.D., D.Sc. (Medicine), Professor

Russian Federation, Saint Peterburg

Konstantin A. Vorobev

Military Medical Academy

Email: vorobyov_doc@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5757-2841
SPIN-code: 5733-9790

M.D., Ph.D. (Medicine) Researcher of the Research Center

Russian Federation, Saint Petersburg

Margarita O. Sokolova

Military Medical Academy

Author for correspondence.
Email: sokolova.rita@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3457-4788
SPIN-code: 3683-6054

Researcher of the Research Center

Russian Federation, Saint Petersburg

Anastasia K. Ivanova

Military Medical Academy

Email: fullmetal1999@mail.ru
SPIN-code: 6804-1474

Preparator of the Research Center

Russian Federation, Saint Petersburg

Artem V. Komarov

Military Medical Academy

Email: ximikatu@mail.ru
SPIN-code: 2048-2037

M.D., Captain of Medical Service, Senior Resident of the Turner Clinic of Military Traumatology and Orthopedics

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Denisov AV, Khominets VV, Logatkin SM, et al. Development of mine-blast trauma severity score for lower extremities in men. Bulletin of the Russian Military Medical Academy. 2021;(3(75)): 195–204. (In Russ.) doi: 10.17816/brmma73198
  2. Trishkin DV, Kryukov EV, Chuprina AP, et al. The evolution of the concept of medical care for the wounded and injured with injuries of the musculoskeletal system. Military Medical Journal. 2020;341(2): 4–11. (In Russ.)
  3. Baldwin P, Li DJ, Auston DA, et al. Autograft, Allograft, and Bone Graft Substitutes: Clinical Evidence and Indications for Use in the Setting of Orthopaedic Trauma Surgery. J Orthop Trauma. 2019;33(4):203–213. doi: 10.1097/BOT.00000000000014203
  4. Vorobev KA, Bozhkova SA, Tikhilov RM, Cherny AZ. Current Methods of Processing and Sterilization of Bone Allografts (review of literature). Traumatology and Orthopedics of Russia. 2017;23(3):134–147. (In Russ.) doi: 10.21823/2311-2905-2017-23-3-134-147
  5. Caballe-Serrano J, Bosshart D, Buser D, Gruber R. Proteomic analysis of porcine bone-conditioned medium. Int J Oral Maxillofac Implants. 2014;29(5):1208–1215d. doi: 10.11607/jomi.3708
  6. Tkachenko SS. Kostnaya gomoplastika. Leningrad: Meditsina Publisher; 1970. 296 p. (In Russ.)
  7. Peleshok SA, Zheleznyak IS, Ovchinnikov DV, et al. The experience of application of additive technologies in the military medical organizations and the Military innovation technopolis “Era”. Bulletin of the Russian Military Medical Academy. 2019;(3(67)): 126–131. (In Russ.)
  8. Alexandrov VN, Bolekhan VN, Buntovskaya AS, et al. Development of cell technology, molecular genetics and tissue engineering in S.M. Kirov Military Medical Academy and Military Innovation Technopolis “Era”. Bulletin of the Russian Military Medical Academy. 2019;(3(67)):243–248. (In Russ.)
  9. Nakamura T, Shirouzu T, Nakata K, Ushigome H. The Role of Major Histocompatibility Complex in Organ Transplantation- Donor Specific Anti-Major Histocompatibility Complex Antibodies Analysis Goes to the Next Stage. International journal of molecular sciences. 2019;20(18):4544. doi: 10.3390/ijms20184544
  10. Staedt H, Dau M, Schiegnitz E, et al. A collagen membrane influences bone turnover marker in vivo after bone augmentation with xenogenic bone. Head & Face Medicine. 2020;16(1):35. doi: 10.1186/s13005-020-00249-9
  11. Amirazad H, Dadashpour M, Zarghami N. Application of decellularized bone matrix as a bioscaffold in bone tissue engineering. Journal of biological engineering. 2022;16(1):1. doi: 10.1186/s13036-021-00282-5
  12. Pröhl A, Batinic M, Alkildani S, et al. In Vivo Analysis of the Biocompatibility and Bone Healing Capacity of a Novel Bone Grafting Material Combined with Hyaluronic Acid. International journal of molecular science. 2021;22(9):4818. doi: 10.3390/ijms22094818
  13. Li Mao, Bai Y, Li Miao, Zhou J. [Performance evaluation of two antigen-extracted xenogeneic ostein and experimental study on repairing skull defects in rats]. Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi. 2021;35(10):1303–1310. (in Chinese) doi: 10.7507/1002-1892.202103177
  14. Deev RV, Isaev AA, Kochish AYu, et al. The use of DKM as a carrier for the culture of bone marrow stromal cells in the experiment. In: Aktual’nye voprosy tkanevoy i kletochnoy transplantologii. Symposium materials. Moscow; 2007. P. 19–20. (In Russ.)
  15. Eagle MJ, Man J, Rooney P, et al. Assessment of an improved bone washing protocol for deceased donor human bone. Cell Tissue Bank. 2015;16(1):83–90. doi: 10.1007/s10561-014-9443-z
  16. Smith CA, Richardson SM, Eagle MJ, et al. The use of a novel bone allograft wash process to generate a biocompatible, mechanically stable and osteoinductive biological scaffold for use in bone tissue engineering. Journal of tissue engineering and regenerative medicine. 2015;9(5):595–604. doi: 10.1002/term.1934
  17. Lazishvili GD, Egiazaryan KA, Rat’ev AP, et al. Bone grafting — history and modernity. Moscow Surgical Journal. 2015(6(46)):6–10. (In Russ.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2022 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 77760 от 10.02.2020.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies