Allogeneic osteoplastic materials for reconstructive surgery of combat injuries

Vladimir V. Khominets; Хоминец Владимир Васильевич; Konstantin A. Vorobev; Воробьев Константин Александрович; Margarita O. Sokolova; Соколова Маргарита Олеговна; Anastasia K. Ivanova; Иванова Анастасия Константиновна; Artem V. Komarov; Комаров Артем Владимирович

doi:10.17816/rmmar109090

Аллогенные остеопластические материалы для реконструктивной хирургии боевых травм

Авторы: Хоминец В.В.¹, Воробьев К.А.¹, Соколова М.О.¹, Иванова А.К.¹, Комаров А.В.¹
Учреждения:
1. Военно-медицинская академия
Выпуск: Том 41, № 3 (2022)
Страницы: 309-314
Раздел: Научные обзоры
URL: https://journals.eco-vector.com/RMMArep/article/view/109090
DOI: https://doi.org/10.17816/rmmar109090
ID: 109090

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Количество операций с использованием остеопластических материалов ежегодно возрастает, что объясняется увеличением числа высокотехнологичных операций, реконструктивных вмешательств при костной патологии, онкоортопедии, деформациях костей, а также дефектах тканей, полученных в результате боевой травмы. Кость, как объект трансплантации является предпочтительной, поскольку применение костной ткани и материалов, изготовленных на ее основе, создает необходимые условия для биологического восстановления кости как органа.

Современной тенденцией стало развитие технологий регенеративной медицины и разработка модифицированных материалов с улучшенными и заданными свойствами — остеопластические материалы перестали быть статическими конструкциями, а присущая им ранее инертность сменилась функциональной активностью.

В статье описаны базовые преимущества костной ткани и аллогенных остеопластических материалов для их перспективного применения в реконструктивно-восстановительной хирургии опорно-двигательного аппарата. Приводятся данные по опыту применения донорских костных тканей для гомопластики в клинике военной травматологии и ортопедии Военно-медицинской академии имени С.М. Кирова. Рассматриваются преимущества аллогенных децеллюляризированных тканей для применения в клинической и научной практике. Показана важность сохранения архитектуры нативной ткани для успешной трансплантации кости. Децеллюляризация является методом, позволяющим удалить все иммуногенные агенты из тканей и органов, включая клетки и остаточную ДНК, сохраняя естественный состав и архитектуру внеклеточного матрикса для наиболее эффективного применения аллогенной костной ткани. 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.

Ключевые слова

аллогенные материалы, децеллюляризированная кость, костный дефект, костная патология, костный трансплантат, остеопластические материалы, реконструктивно-восстановительная хирургия

Полный текст

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.

Список литературы

Денисов А.В., Хоминец В.В., Логаткин С.М., и др. Разработка шкалы оценки тяжести минно-взрывных ранений защищенных нижних конечностей человека // Вестник Российской Военно-медицинской академии. 2021. № 3 (75). С. 195–204. doi: 10.17816/brmma73198
Тришкин Д.В., Крюков Е.В., Чуприна А.П., и др. Эволюция концепции оказания медицинской помощи раненым и пострадавшим с повреждениями опорно-двигательного аппарата // Военно-медицинский журнал. 2020. Т. 341, № 2. С. 4–11.
Baldwin P., Li D.J., Auston D.A., 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. Vol. 33, No. 4. P. 203–213. doi: 10.1097/BOT.00000000000014203
Воробьев К.А., Божкова С.А., Тихилов Р.М., Черный А.Ж. Современные способы обработки и стерилизации аллогенных костных тканей (обзор литературы) // Травматология и ортопедия России. 2017. Т. 23, № 3. С. 134–147. doi: 10.21823/2311-2905-2017-23-3-134-147
Caballe-Serrano J., Bosshart D., Buser D., Gruber R. Proteomic analysis of porcine bone-conditioned medium // Int. J. Oral. Maxillofac. Implants. 2014. Vol. 29, No. 5. P. 1208–1215d. doi: 10.11607/jomi.3708
Ткаченко С.С. Костная гомопластика. Л.: Медицина, 1970. 296 с.
Пелешок С.А., Железняк И.С., Овчинников Д.В., и др. Опыт применения аддитивных технологий в военно-медицинских организациях и Военном инновационном технополисе «Эра» // Вестник Российской Военно-медицинской академии. 2019. № 3 (67). С. 126–131.
Александров В.Н., Болехан В.Н., Бунтовская А.С., и др. Развитие клеточных технологий, молекулярно-генетических исследований и тканевой инженерии в Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова и Военном инновационном технополисе «Эра» // Вестник Российской Военно-медицинской академии. 2019. № 3 (67). С. 243–248.
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. Vol. 20, No. 18. Art. 4544. doi: 10.3390/ijms20184544
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. Vol. 16, No. 1. Art. 35. doi: 10.1186/s13005-020-00249-9
Amirazad H., Dadashpour M., Zarghami N. Application of decellularized bone matrix as a bioscaffold in bone tissue engineering // Journal of biological engineering. 2022. Vol. 16, No. 1. Art. 1. doi: 10.1186/s13036-021-00282-5
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. Vol. 22, No. 9. Art. 4818. doi: 10.3390/ijms22094818
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. Vol. 35, No. 10. P. 1303–1310. [Article in Chinese] doi: 10.7507/1002-1892.202103177
Деев Р.В., Исаев А.А., Кочиш А.Ю., и др. Использование ДКМ в качестве носителя для культуры стромальных клеток костного мозга в эксперименте. В сб.: Актуальные вопросы тканевой и клеточной трансплантологии. Материалы симпозиума. М., 2007. С. 19–20.
Eagle M.J., Man J., Rooney P., et al. Assessment of an improved bone washing protocol for deceased donor human bone // Cell Tissue Bank. 2015. Vol. 16, No. 1. P. 83–90. doi: 10.1007/s10561-014-9443-z
Smith C.A., Richardson S.M., Eagle M.J., 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. Vol. 9, No. 5. P. 595–604. doi: 10.1002/term.1934
Лазишвили Г.Д., Егиазарян К.А., Ратьев А.П., и др. Костная пластика — история и современность // Московский хирургический журнал. 2015. № 6 (46). С. 6–10.

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

Имя пользователя
Пароль
Запомнить меня

Забыли пароль?	Регистрация

Имя пользователя
Пароль
Запомнить меня

Забыли пароль?	Регистрация