Аутотрансплантаты по-прежнему представляют золотой стандарт костной пластики, но им присущи такие недостатки, как риск осложнений, трудоемкость ограниченная доступность.
Аллотрансплантаты являются остеокондуктивными и слабо остеоиндуктивными. Из минусов стоит отметить, что в медицинском сообществе все еще ведутся дискуссии по поводу риска передачи инфекции, затрат и источников получения этого материала.
В качестве замены предлагаются ксенотрансплантаты (ксеногенные костные материалы), которые дешевы, однако их использование в мире пока ограничено. Тем не менее, опыт применения бычьего деминерализованного костного матрикса при заживлении переломов дает результаты, по некоторым параметрам сопоставимые с аутокостью.
Синтетические костные материалы на основе керамики, производимые из гидроксиапатита (ГАП) и трикальцийфосфата, широко используются в клинической практике. Несмотря на то, что они полностью рассасываются и механически слабее по сравнению с кортикальной костью, эти материалы доказали эффективность в некоторых процедурах.
Биомиметические гидроксиапатиты представляют собой дальнейшее развитие традиционных ГАП. Они содержат карбонаты, Si, Sr, F, Mg, которые имитируют природный состав костной ткани. Инъекционные костные цементы представляют другую ветвь эволюцию, которая появилась для удовлетворения потребностей минимально инвазивной хирургии.
Костные морфогенетические белки (а именно BMP2 и ВМР7) являются единственными индуцирующими остеогенез факторами роста, которые одобрены на Западе для применения в хирургии позвоночника и заживления переломов большеберцовой кости.
Деминерализованный костный матрикс и обогащенная тромбоцитами плазма (ОТП) в мире считаются спорными заменителями костной ткани для хирургической практики.
Стоит отметить, что экспериментальные клеточные методы сейчас активно рассматриваются в разных направлениях регенеративной медицины, включая регенерацию кости.
В некоторых случаях клетки использовались в качестве биологически активных носителей, доставляющих остеоиндуктивные гены локально для достижения оптимальной регенерации. С этой целью широко используются мезенхимальные стволовые клетки, которые являются плюрипотентными клетками с высочайшим остеогенным потенциалом.
Роль факторов роста и костных материалов в хирургии
Заменители костной ткани часто применяются в онкологической хирургии, травматологии, ревизионных ортопедических операциях и хирургии позвоночника (спондилодез). Пересадка костной ткани по частоте занимает второе место среди процедур трансплантации тканей в мире, сразу после такой востребованной процедуры, как гемотрансфузия.
Ежегодно на планете выполняется более двух миллионов процедур остеопластики: только в США регистрируется более 500 000 процедур каждый год. Это связано с простотой, хорошим профилем безопасности современных материалов, умеренными затратами и временными преимуществами, а также с возможностью гибкой адаптации костных материалов и факторов роста к различным клиническим проблемам.
Инкорпорация костного трансплантата в реципиентное ложе определяется как «процесс интеграции донорской костной ткани и образования новой кости в организме реципиента».
Этот процесс всегда протекает по многоступенчатому сценарию: сначала костный трансплантат вызывает острый ответ с быстрым накоплением воспалительных клеток, за которым следует хемотаксис мезенхимальных клеток хозяина к реципиентному участку.
После этого примитивные клетки хозяина дифференцируются в хондробласты и остеобласты под влиянием различных остеоиндуктивных факторов. Процессы реваскуляризации костного трансплантата и резорбции некротического трансплантата происходят одновременно.
Наконец, происходит образование новой кости из остеобластов на каркасе трансплантата с последующим ремоделированием тканей в ответ на механическое напряжение.
Согласно Schlickewie, заменитель костной ткани (костный материал) есть «синтетическая, неорганическая или органическая субстанция, применяемая для лечения дефекта кости».
За 50 лет в мировой практике опробовано большое количество таких материалов. Выделяют костные трансплантаты (аутотрансплантат, аллотрансплантат, ксенотрансплантат), керамику (гидроксиапатит, трикальцийфосфат, сульфат кальция) и композитные материалы.
Идеальный заменитель костной ткани должен быть биосовместимым и не вызывать каких-либо неблагоприятных воспалительных реакций. Он должен легко интегрироваться и не рассасываться в течение определенного периода времени. Среди важнейших свойств этих материалов — остеоиндуктивность и остеокондуктивность.
Для обеспечения оптимальной рентгенографической оценки важна радиопрозрачность материала. Идеальный заменитель костной ткани должен быть термоизолирующим, легко поддаваться стерилизации. Доступность и разумная цена также играют роль.
Хотя аутотрансплантат все еще считается золотым стандартом для восстановления костных дефектов в хирургии, на протяжении ХХ столетия были достигнуты значительные успехи в разработке надежных и экономически целесообразных альтернатив аутокости.
Более полувека назад мы наблюдали быструю эволюцию костных цементов и керамики на основе гидроксиапатита (ГАП) и фосфата кальция. В настоящее время мы видим прогресс в разработке тканевых продуктов, инкорпорирующих факторы роста и стволовые клетки.
В зависимости от типа операции и объема дефекта кости возможны различные варианты. Мы применяем кортикальные фрагменты кости там, где необходима механическая прочность. Губчатая кость более полезна для заполнения дефектов полой кости или спондилодезе.
Инновационная керамика в форме гранул, блоков или пасты используется для улучшения заживления кости, но имеет плохие механические свойства. Факторы роста представлены в виде BMP7 (при переломах большеберцовой кости) и ВМР2 (в хирургии позвоночника).
Здесь мы рассмотрим важнейшие биоматериалы из каждой категории.
Костные аутотрансплантаты
В настоящее время аутотрансплантаты являются золотым стандартом костной пластики.
Аутологичная костная пластика предполагает использование кости, полученной от реципиента. Материал может быть извлечен из несущественных костей, таких как гребень подвздошной кости, малоберцовой кости, подбородка, ребер, нижней челюсти и даже отдельных частей черепа.
Костный аутотрансплантат обладает всеми свойствами, необходимыми для формирования кости: он является остеокондуктивным и остеоиндуктивным, содержит факторы роста и остеогенные клетки без связанных с ними иммунных или инфекционных рисков.
Аутологичные костные фрагменты сравнительно медленно замещаются новообразованной костью. Главный недостаток заключается в необходимости дополнительного хирургического вмешательства с целью получения материала (Baumhauer, Pinzur 2014).
Это связано с послеоперационными болями, кровотечениями, инфекциями, переломами, повреждениями нервов, косметическими дефектами и другими осложнениями. Получение костного аутотрансплантата представляет риск, особенно для детей и у пожилых людей.
Костные аллотрансплантаты
Биологически очищенный костный аллотрансплантат представляет собой подходящую альтернативу аутогенной кости, также получаемую из человеческого организма.
Аллотрансплантат берут у живого донора (операция по эндопротезированию тазобедренного сустава) либо у трупа. Он должен подвергаться соответствующей обработке. Банки костной ткани за рубежом стремительно развивались с 1980-х годов, но до сих пор возникают сомнения и опасения по поводу затрат и проблем, связанных с хранением.
Донорская костная ткань является остеокондуктивной, а также обладает слабовыраженными остеоиндуктивной (факторы роста могут присутствовать, в зависимости от обработки). Кроме того, аллотрансплантаты требуют стерилизации (гамма-облучение), что оказывает негативное воздействие на механические свойства кости и разрушает белки, характерные для здоровой костной ткани.
Были высказаны опасения по поводу потенциальных инфекционных рисков, хотя с 1989 года в Соединенных Штатах зарегистрировано только два подтвержденных случая ВИЧ-инфекции с показателем риска порядка 1 случая на 1,6 миллиона процедур (Khan, 2005).
Другие известные эпизоды включают один случай заражения вирусом гепатита В, два случая передачи вируса гепатита С и один смертельный эпизод, связанный с Clostridium difficilis.
В любом случае, нынешние правила закупки и обработки донорского материала в наши дни достаточно строгие, что минимизирует потенциальную передачу возбудителей инфекций.
Ограничения применения аллогенного костного материала:
· высокая стоимость
· трудоемкость получения и хранения
· недостаточная механическая стойкость
· ограниченная остеоиндукция
· риск инфицирования
Ксеногенные костные материалы в хирургии
Костный ксенотрансплантат получают из организмов других видов, отличных от человека. Среди них наибольшей популярностью пользуется бычья или свиная кость, которая может быть лиофилизирована, деминерализована и депротеинизирована.
Laurencin с соавторами были высказаны сомнения в отношении зоонозных заболеваний, передающихся от животных человеку, таких как губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота и PERV (эндогенные ретровирусы свиней).
Результаты противоречивы, так как некоторые авторы сообщают о положительных данных, но в западной клинической практике ксенотрансплантаты используются редко.
Преимущества ксеногенных костных материалов в хирургии:
· доступность
· низкая стоимость
· хорошие механические свойства
· остеокондуктивность
Костная керамика в хирургической практике
Обычно костная керамика представляет собой материалы на основе соединений кальция, смесь ГАП (гидроксиапатита) и ТКФ (трикальцийфосфата), аморфной фазы гидроксиапатита.
ГАП считается инертным веществом, которое сохраняется in vivo в течение длительных периодов времени, тогда как более пористый ТКФ обычно подвергается биодеградации в течение 6 недель после введения в участок формирования кости.
ГАП характеризуется высокой механической прочностью, тогда как трикальцийфосфат обладает плохими механическими качествами. Обычно основой выступает двухфазный фосфат кальция, который сочетает 40–60% ТКФ и 60–40% гидроксиапатита, Этот состав обеспечивает физиологический баланс между механической поддержкой и резорбцией.
Ряд зарубежных исследований показывают меньшую длительность лечения, кровопотерю и риск осложнений при использовании синтетических костных материалов по сравнению с «золотым стандартом» - трансплантатами из гребня подвздошной кости. Керамика широко известна и доказана как безопасная и эффективная альтернатива аутокости.
В хирургической практике материалы из ГАП и трикальцийфосфата доступны в виде чипсов, блоков, гранул и более удобных инъекционных наборов. Для успешной интеграции кости необходимы макропористость (около 100–400 мкм) и система взаимосвязанных пор.
В зависимости от концентрации ГАП и ТКФ, прочность варьируется от 10 до 60 МП, что значительно ниже по сравнению с прочностью на сжатие кортикальной кости (150–200 МП).
Это является одним из основных ограничений керамических биоматериалов.
Гидроксиапатит (ГАП) и трикальцийфосфат
Гидроксиапатит [Ca10(PO4)6(OH)2] — кристаллическая форма трикальцийфосафата, которая является основным минеральным компонентом зубов и костей человека. В течение последних 30 лет он был популярным материалом в ортопедической, челюстно-лицевой и ортогнатической хирургии. Гидроксиапаптит отлично подходит для заполнения костных дефектов и сглаживая неровности контура.
Гидроксиапатитная керамика бывает как натурального, так и синтетического происхождения. Керамика на основе ГАП и ТКФ выпускается в разных формах, включая гранулы и пористые блоки. Трикальцийфосфат более растворим по сравнению с гидроксиапатитом.
Хотя на ГАП приходится около 70% минерального состава зубов и костей, гидроксиапатит в человеческом теле существует в замещенной форме. Карбонат, силикаты, магний и другие ионы могут замещать гидроксильные или фосфатные группы в структуре апатита.
Исследователи пытались модифицировать синтетический ГАП альгинатом, стронцием, кремнием, карбонатом и магнием с целью получения материала, максимально близкого к минеральному составу нативной кости. Эти модификации могут повысить биологическую активность и остеокондукцию (биомиметические керамические материалы).
Несмотря на то, что сегодня в клинической практике биомиметический гидроксиапатит применяют редко, исследования в этом направлении продолжаются. По мнению Landi и Tampieri, получение биомиметического гидроксиапатита в ближайшие десятилетия останется одной из наиболее перспективных областей.
Одним из лучших гидроксиапатитов на российском рынке остается Биоимплантат ГАП, выпускаемый в форме чипсов размером от 1 мм, а также крошки с размеров частиц от 0,25 мм. Этот природный материал отличается биосовместимостью, сохранением естественной архитектоники кости и микроструктурой, обеспечивающей быструю регенерацию.
Кальций-фосфатные цементы
Кальций-фосфатные цементы (КФЦ) — это синтетические заменители кости, которые были изобретены в 1986 году исследователями из Американской стоматологической ассоциации Chow и Brown. КФЦ представляют собой белый порошок, состоящий из фосфата кальция. При смешивании с жидкостью он образует пластичную пасту, которую можно формировать во время операции для оптимального соответствия форме костного дефекта.
Костно-фосфатные цементы затвердевают в течение 20 минут. Реакция, в ходе которой образуется нанокристаллический гидроксиапатит, является изотермической и протекает при физиологическом рН, поэтому при схватывании повреждение ткани не происходит.
В 1996 КФЦ были одобрены FDA для лечения дефектов костей, не несущих нагрузку.
Гидроксиапатит служит основным неорганическим компонентом натуральной кости, который делает затвердевший цемент биосовместимым и остеокондуктивным. Со временем костно-фосфатные цементы полностью рассасываются и заменяются новой костью.
Поскольку КФЦ хрупкие, они используются для участков, не испытывающих значительной механической нагрузки, в том числе в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Применение этого материала в ортопедической хирургии ограничено.
У костно-фосфатного цемента есть важные преимущества по сравнению с предварительно сформированной керамикой. Во-первых, пасту КФЦ можно формировать во время операции, что обеспечивает полное соответствие геометрии дефекта. Во-вторых, нанокристаллическая структура гидроксиапатита КФЦ делает материал остеокондуктивным, заставляя постепенно резорбироваться и заменяться новой костью.
КФЦ удобны в применении и широко используются для минимально инвазивных процедур и сохраняющей ткань хирургии с целью снижения послеоперационных осложнений и затрат.
Первым костно-фосфатным цементом, представленный на рынке в конце 1990-х годов, был Norian компании DePuy Synthes, самозастывающий карбонатный гидроксиапатит. С тех пор для хирургической практики предложено множество других фосфатных цементов.
В последнее время исследования в области КФЦ сосредоточены на улучшении механических свойств, создании предварительно смешанных цементов, а также получении макропористых структур и засевании цемента стволовыми клетками с ростовыми факторами.
Сульфат кальция
Сульфат кальция, даже известный как «Парижский гипс», впервые имплантирован человеку Dreesman в 1892 году в качестве заменителя костной ткани при туберкулезном остеомиелите. Совсем недавно гипс был повторно введен в клиническую практику в качестве заменителя кости Peltier в 1959 году, в более чистой кристаллической форме.
Фосфат кальция способен резорбироваться в течение 6-8 недель. Сторонники данного костного материала в хирургической практике утверждают, что гранулы обеспечивают более эффективное заполнение дефекта, создают лучшие условия для разрастания сосудистой сетки, а также быстро и полностью рассасываются, обеспечивая физиологическую регенерацию кости. По-видимому, из-за быстрой резорбции трансплантата образующаяся жидкость, богатая ионами кальция, вызывает воспаление.
Первые исследования показали многообещающие результаты in vitro и in vivo: Huff и Grisoni в 1996 году провели успешные эксперименты на мышах, Cunningham в 2005 получил отличные результаты на овцах, Turner на собаках. С 1980-х в научной литературе появляются отчеты об успешном применении фосфата кальция на человеке.
В последнее время сообщалось о многочисленных неблагоприятных эффектах или отсутствии клинических результатов, что объясняется, главным образом, слишком быстрой резорбцией и развитием воспалительной реакции без образования кости в 13–18% случаев.
Впоследствии фосфат кальция был предложен в качестве основы для деминерализованного костного матрикса. Инновационная комбинация улучшила клинические результаты.
Полимерные материалы для замещения костных дефектов
Полимеры обладают физическими, механическими и химическими свойствами, совершенно отличными от других заменителей кости. Полимеры можно разделить на природные и синтетические. Их, в свою очередь, классифицируют на биоразлагаемые и неразлагаемые.
Одним из важнейших природных полимеров для костной пластики является коллаген, такой как Cortoss — инъекционный продукт на основе смолы, предназначенный для применения в участках, несущих большую механическую нагрузку. Он состоит из 33% бифункциональных метакрилатов, которые образуют трехмерный каркас, армированный рентгеноконтрастными биоактивными стеклокерамическими частицами. Результаты применения в вертебропластике при компрессионных переломах позвонков были обнадеживающими.
Биоразлагаемые полимеры полностью поглощаются организмом. Их преимущество заключается в том, что они способствуют регенерации, не оставляя инородных частиц. Биоразлагаемые полимеры, такие как полилактат (PLA), полигликолевая (PGA) и полимолочно-гликолевая кислота (PLGA), использовались как по отдельности, так и с целью модификации аутотрансплантатов и аллотрансплантатов.
Большая часть зарубежных исследований посвящена именно этим трем материалам.
В частности, компания Tissue Regeneration Therapeutics (Канада) разработала пористую пенную матрицу из PLGA при помощи выщелачивания частиц, чтобы вызвать пористость. Ее применяют американские и канадские хирурги для увеличения объема вносимой ткани.
Этот успех стал толчком к активному изучению алифатических сложных полиэфиров, таких как поликапролактам (PCL). Этот полукристаллический сложный полиэфир очень технологичный, поскольку растворим в разных органических растворителях. Необычным свойством поликапролактама является термостабильность (температура разложения 350°C), в то время как другие алифатические полиэфиры разлагаются при 235-255°C.
В костной пластике поликапролактам относят к категории перспективных биосовместимых и биоразлагаемых полимеров. Он подходит для улучшения интеграции и регенерации, однако из-за медленной биодеградации применение пока ограничено.
Композитные костные материалы в хирургии
Кость в основном состоит из коллагена и карбонатзамещенного гидроксиапатита. На самом деле такую структуру можно получить при помощи процесса самоорганизации в нанометрическом масштабе. По мнению Tampieri, полученный таким способом имплантат будет вести себя лучше традиционных заменителей костной ткани.
Действительно, было обнаружено, что как коллаген типа I, так и гидроксиапатит усиливают дифференцировку остеобластов, в сочетании ускоряя остеогенез. Композитный матрикс с клетками, подобными остеобластам человека, демонстрирует лучшие остеоиндуктивные свойства по сравнению с «монолитным» гидроксиапатитом. Кроме того, композиты на основе коллагена и ГАП показали биосовместимость, как в экспериментах на животных, так и в реальной клинической практике.
Композитные костные материалы имеют определенные механические преимущества. Пластичность коллагена помогает улучшить недостаточную стойкость гидроксиапатитов к растрескиванию. Добавление соединений кальция и фосфата в коллагеновые листы дает более высокую стабильность, улучшает механические свойства во влажном виде.
Прямое сравнение композитов коллагена и ГАП с остальными костными материалами в хирургической практике пока ограничено небольшими исследованиями с противоречивыми результатами. Это предмет будущих исследований.
Как утверждает Schierholz в публикации «Имплантационная инфекция: рай для бактерий», повышение биомиметических свойств имплантата может в значительной мере нивелировать проблему бактериальных инфекций, связанных с введением инородного тела.
Доказательства биологического превосходства по сравнению с искусственным полимерным каркасом были продемонстрированы при регенерации хряща в исследовании Wang (2004).
Добавление коллагена к керамической структуре может обеспечить другие преимущества для хирургической практики: более точный контроль формы, пространственную адаптацию, повышенную адгезию частиц и стенок костного дефекта, способствование образованию и стабилизации сгустка.
Healos (DePuy Orthopaedics) представляет собой продукт на основе натурального полимера Это полимерно-керамический композит, состоящий из коллагеновых волокон, покрытых гидроксиапатитом. Предназначен для операций на позвоночнике.
Предполагается, сочетание коллагена и гидроксиапатита должно обеспечить преимущество перед другими материалами для восстановления костной ткани. Дальнейшие клинические исследования необходимы для подтверждения его эффективности.
Факторы роста для восстановления костной ткани
Особое место в костной пластике занимают факторы роста (деминерализованный костный матрикс, обогащенная тромбоцитами плазма). Остановимся подробнее на каждом.
Деминерализованный костный матрикс
Асептическая обработка донорской кости для получения деминерализованного костного матрикса человека (DBM) была впервые описана в 1975 году и внедрена в ортопедическую и пародонтальную практику с начала 1980-х годов.
Деминерализованная кость (остаточный кальций <5%) представлена коллагеновой матрицей, которая должна сохранять трехмерную архитектуру кости, следовательно, облегчая и направляя инвазию, рост и дифференцировку клеток реципиента.
Кроме того, деминерализованный костный матрикс должен сохранять факторы роста, такие как костные морфогенетические белки (BMP), инсулиноподобный фактор роста, трансформирующий фактор роста и фактор роста фибробластов. Это вещества призваны стимулировать миграцию остеогенных стволовых клеток и клеток-предшественников, а также индуцировать реваскуляризацию.
Хотя DBM способствует формированию новой кости, он не обладает высокой механической прочностью. Используется в сочетании с глицерином, сульфатом кальция, гиалуроновой кислотой, животным коллагеном или карбоксиметилцеллюлозой.
Несмотря на изобилие данных, сообщающих об успехах деминерализованного костного матрикса в качестве безопасного и эффективного материала для костной пластики, в мире все еще ведутся дискуссии касательно самостоятельного применения DBM.
Кроме того, Kinney и соавторы в 2010 году высказали опасения по поводу изменчивости содержания BMP2 и BMP7 в разных партиях DBM. Это может быть связано с отсутствием стандартизированных процессов производства наряду с неоднородностью сырья.
Обогащенная тромбоцитами плазма
Тромбоциты легко собираются из собственной или донорской крови и представляют собой ценный источник биологически активных веществ, таких как тромбоцитарный фактор роста, инсулиноподобный фактор роста и трансформирующие ростовые факторы.
Обогащенную тромбоцитами плазму (ОТП) производят путем концентрации собственной крови пациентов при помощи центрифугирования. Доказано, что ОТП проявляет хемотаксические и митогенные свойства в отношении остеобластов и фибробластов in vitro. Она стимулирует синтез гиалуроната фибробластами, что является важным условием для формирования внеклеточного матрикса и роста новой кости.
К сожалению, проведенные до настоящего времени клинические исследования до сих пор сообщали о неудачных результатах использования обогащенной тромбоцитами плазмы в операциях на позвоночнике. По некоторым данным, в 15–19% не удается достичь сращения позвонков, даже в комбинации с клетками костного мозга.
Weiner и Walker предположили, что эта неудача связана с парадоксальным ингибирующим действием на BMP2 при высоких концентрациях. Как бы то ни было, ОТП сегодня не может применяться самостоятельно, а лишь как фактор роста для восстановления костной ткани.
Костные морфогенетические белки
Первоначально названные в честь способности индуцировать эктопическое образование кости, костные морфогенетические белки (BMP) представляют собой гетерогенное семейство высококонсервативных секретируемых белков. Они принадлежат к крупному суперсемейству трансформирующих факторов роста-бета, вовлеченных в процесс остеогенеза.
Отдельные BMP способствуют образованию кости in vitro, индуцируя дифференцировку плюрипотентных мезенхимальных клеток в направлении хондрогенных и остеогенных линий, стимулируя ангиогенез и активность щелочной фосфатазы.
Остеогенный / остеоиндуктивный потенциал костных морфогенетических белков был подтвержден в доклинических и в клинических исследованиях. Большинство авторов сообщает об эффективности, сопоставимой с аутогенной губчатой костью.
На сегодняшний день использование рекомбинантных человеческих BMP2 и BMP7 было одобрено в Европе и в США для отдельных клинических областей. В частности, BMP2 с коллагеновым носителем (INFUSE, Medtronic Sofamor Danek) для спондилодеза поясничного отдела позвоночника и BMP7 (OP-1, Stryker) для заживления переломов большеберцовой кости у пациентов, ранее перенесших безуспешное лечение.
Целесообразность применения костных морфогенетических белков зависит от множества факторов, в том числе от конкретного участка. ВМР показали неблагоприятный эффект в шейном отделе позвоночника и, следовательно, противопоказаны при спондилодезе ШОП.
Вывод и рекомендации
Деструкция костной ткани продолжает оставаться одной из важных проблем в хирургической практике, и промышленность предлагает множество альтернатив.
Несмотря на стремительный прогресс технологий и материалов для костной пластики, аутокость по-прежнему является наиболее эффективным и безопасным вариантом.
Альтернативные материалы лишены одного или нескольких свойств:
- остеогенные клетки
- механическая стабильность
- возможность быстрой васкуляризации
- остеокондуктивный каркас
- наличие факторов роста
Все вышеперечисленное относится к предпосылкам успешного лечения.
Правильный выбор костного материала для хирургии зависит от конкретных показаний, участка, ожидаемого объема дефекта и других факторов. Исследования, которые сравнивали бы напрямую те или иные заменители костной ткани, остаются ограниченными.