Методы восстановления костной ткани в основном основаны на использовании тканевых трансплантатов и искусственных каркасов. Первый подход имеет хорошо известные ограничения, такие как ограниченная доступность трансплантата и осложнения со стороны донорского участка, тогда как последний обычно приводит к плохой интеграции трансплантата и его фиксации в кости. Последнее приводит к несбалансированному распределению нагрузок, нарушению остеогенеза, усилению восприятия боли и переломам, что в конечном итоге ведет к повторным операциям.

В период с 2010 по 2020 годы научные усилия были сосредоточены на разработке инновационных костных материалов, которые не только обеспечивают немедленную механическую поддержку, но и обеспечивают надлежащую фиксацию, например, улучшая формирование костной ткани de novo. Из бесчисленных научных методов, созданных в этом направлении, лишь немногие сделали большой прыжок из лаборатории к койке больного, в то время как большинство из них погибли на сложном пути клинического воплощения.

Современные проблемы костной пластики

Исключительная способность костной ткани к заживлению может быть нарушена сложными переломами (например, травмы выше критического размера) или некоторыми состояниями здоровья (например, диабет, генетика, неправильный образ жизни), что приводит к переломам без сращения, длительной инвалидности и хронической боли.

Костная пластика — одна из наиболее часто используемых процедур в травматологии, стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, направленная на формирование новой костной ткани в целевой области (например, скелетный дефект, участок атрофии, пространство между сращиваемыми костями).

Ежегодно около 500 тысяч пациентов в США и Европе требуют вмешательства по восстановлению кости. Ежегодные глобальные расходы на переломы костей и ортобиологию оцениваются в 5,5 млрд долларов США и 4,7 млрд долларов США соответственно, когда как совокупные затраты на восстановление костей оцениваются в 17 млрд долларов США в год.

Вмешательства по восстановлению костной ткани основаны на аутотрансплантатах, аллотрансплантатах, ксенотрансплантатах и искусственных каркасах. Аутотрансплантаты считаются золотым стандартом из-за их остеоиндуктивных и остеокондуктивных свойств, но влекут за собой важные недостатки, такие как ограниченная доступность и заболеваемость донорскими участками.

Аллотрансплантаты и ксенотрансплантаты, хотя они и эффективно преодолевают вышеупомянутые ограничения, склонны вызывать иммунное отторжение, передачу болезни, а их остеоиндуктивный потенциал часто нарушается из-за разрушительной предварительной обработки.

Альтернативные подходы к костной пластике основаны на применении искусственных каркасов, специально разработанных для поддержания физической целостности и содействия прорастанию кости в месте дефекта. Искусственные каркасы, также называемые заменителями костных трансплантатов, можно разделить на три группы:

• только натуральные или синтетические каркасы;

• каркасы в сочетании с биоактивными молекулами;

• комбинированные продукты на основе клеток.

Несмотря на то, что сегодня для клинического использования доступен огромный ассортимент костных трансплантатов и заменителей, проблема эффективного реконструктивного лечения остается чрезвычайно сложной. Несмотря на обширные доклинические исследования, путь трансляции новых технологий в практику является медленным и часто приводит к незначительным улучшениям установленных клинических методов лечения.

Основные препятствия на пути к койке пациента заключаются в масштабируемости, повышенных экономических требованиях и проблемах безопасности, которые влекут за собой некоторые из этих новых методов лечения.

От винтов до костного цемента и клея

Имплантация пластин и винтов для фиксации переломов костей — обычная и доступная практика в ортопедической хирургии с начала XX века. Эти имплантаты претерпели значительные изменения с разработкой новых материалов, конструкций и стратегий клинической имплантации.

Основная функция пластин и винтовых имплантатов — обеспечение механической устойчивости фрагментов перелома кости. В незафиксированных пластинах, когда винты затягиваются и начинают растягиваться, возникающее трение между пластиной и костью стабилизирует переломы и способствует правильному распределению механической нагрузки.

Интрамедуллярный стержень для остеосинтеза Stryker является примером системы интрамедуллярной фиксации, конструкция которой показала эффективность в обеспечении механической стабильности в сотнях тысяч проведенных процедур на сегодняшний день.

Однако осложнения, связанные с имплантатом, по-прежнему возникают довольно часто (до 20%) и включают перфорацию кости, переломы и инфекции, которые требуют повторных операций. При таких осложнениях качество кости играет жизненно важную роль, а остеопороз или кость с низкой плотностью неизбежно приводят к более высокому риску отказа имплантата.

Другие факторы, такие как положение имплантата, влияют на частоту осложнений независимо от конструкции винта. Таким образом, в течение нескольких десятилетий было признано, что существует клиническая потребность в системах, которые улучшат характеристики существующих фиксирующих устройств с точки зрения остеоинтеграции и биомеханической поддержки, особенно в остеопоротической кости.

Чтобы удовлетворить эту клиническую потребность, были разработаны костные цементы для увеличения площади контакта между винтом и костью, обеспечивающие лучшее закрепление и адекватную механическую поддержку устройства. Такие костные цементы доказали свою клиническую ценность при переломах костей при остеопорозе.

Разнообразные продукты на основе кальциевого цемента проникли в клинику, улучшили механическую стабильность винтов и результаты лечения кости низкого качества. Однако ограничения существуют, и все еще есть потенциал для дальнейшего улучшения.

В частности, существует огромная клиническая потребность в костной хирургии для прикрепления имплантата к кости и / или кости к кости с одновременным улучшением биомеханических свойств и стимулированием остеоиндукции de novo. Однако существуют барьеры для трансляции в клиническую практику инновационных адгезивных биоматериалов и удовлетворения этой конкретной потребности.

Хирургические адгезивы, такие как цианоакрилаты, были подробно изучены и показали хорошие механические свойства in vitro, но у них отсутствует остеоиндуктивный потенциал, а продукты их разложения вызывают местную и системную токсичность.

Другие адгезивы, такие как клеи на основе фибрина, обладают плохими механическими свойствами. Чтобы удовлетворить эту неудовлетворенную потребность, были получены функционализированные костные цементы, такие как OsStic, который представляет собой биокерамический клей из трикальцийфосфата в сочетании с аминокислотой фосфосерином. Аминокислота вызывает минутное связывание, обеспечивая прочную фиксацию между тканями и биоматериалами. Это происходит через иерархическую организацию органической и неорганической интерфазы, где фосфосерин действует как инициатор, образуя фибриллярную сеть и обеспечивая агрегацию фосфата кальция.

Новая технология костного адгезива уже доказала безопасность и эффективность в первоначальных доклинических испытаниях in vivo и, по-видимому, имеет четкий путь к клинической трансляции, учитывая, что она содержит давно используемый материал (кальций в костном цементе) и аминокислоту, механизм действия которой хорошо известен.

Если дальнейшие исследования in vivo подтвердят первоначальные положительные результаты, это будет гарантированный путь к эффективному внедрению в практику.

Новые подходы к костной пластике в стоматологии

Костная пластика — обширная практика в стоматологии с растущей тенденцией, применяемая с целью наращивания объема кости во избежание плохой фиксации и расшатывания имплантатов.

Чтобы уменьшить риск осложнений при костной пластике, используются специальные мембраны для увеличения поверхности контакта с костным трансплантатом в целях облегчения роста клеток и целенаправленного высококачественного образования кости, что приводит к лучшей фиксации и стабилизации материала внедренного костного трансплантата.

Первоначально с этой целью использовались не рассасывающиеся синтетические полимеры, такие как политетрафторэтилен (ПТФЭ), однако для их удаления нужно второе вмешательство, что неизбежно усиливает страдания пациентов и увеличивает расходы. Это стимулировало использование децеллюляризированных тканевых каркасов. Очевидные преимущества децеллюляризованных каркасов включают высокую цитосовместимость и потенциал ремоделирования, который способствуют остеоинтеграции и регенерации окружающих мягких тканей.

Тканевые трансплантаты, используемые в этом клиническом сценарии, включают аллотрансплантаты (например, децеллюляризованный перикард и кожу) и ксенотрансплантаты (например, обработанная свиная и бычья дерма), которые широко и успешно используются в других областях, включая заживление ран или пластику грыж.

Для клинического перевода этих продуктов в стоматологию особое внимание следует уделять их источнику и обработке. Сырье (например, тканевый трансплантат) требует тщательного скрининга, чтобы снизить риск передачи инфекций как в аллотрансплантатах, так и в ксенотрансплантатах.

В разных странах существуют строгие стандарты, как это регулируется FDA в признанном стандарте ASTM F2212-11, и CE в Регламенте ЕС 722/2012 и ISO 22442-2015 года, по-прежнему действующими в соответствии с новым Европейским регламентом о медицинских устройствах 2017/745.

Кроме того, обработка этих биологических материалов (очистка, децеллюляризация, сшивание) должна выполняться в соответствии со строгими стандартами GMP или ISO в целях обеспечения безопасности, воспроизводимости и масштабируемости процесса.

Еще одним серьезным препятствием является стерилизация этих продуктов, которая должна обеспечивать одновременно безопасность и минимальный риск заражения при имплантации в и без того уязвимом для инфекции месте, в полости рта человека. Все этапы обработки должны сопровождаться сохранением структуры и состава трансплантата.

В конце концов, эти свойства рационализируют их использование и дают им конкурентное преимущество перед синтетическими материалами. Если эти требования к коммерческой разработке будут выполнены, тканевые трансплантаты для стоматологии займут нишу в нынешней практике.

Биогибридные материалы: натуральные заменители костной ткани

Инновации в инженерии костной ткани ведут к постоянному сокращению использования аутотрансплантатов (золотого стандарта в клинической практике) и параллельному расширению ассортимента искусственных каркасов. Однако новые продукты далеки от оптимальных, поскольку сообщалось о низких скоростях восстановления костной ткани и серьезных побочных эффектах.

Чтобы преодолеть ограничения, природные биогибридные костные материалы, например, частицы кальция-фосфата / поли-ε-капролактона, каркасы из карбида кремния / коллагена, поли (N- акрилоил-2-глицин) / метакрилированные желатиновые гидрогели. Данные материалы сочетают механические характеристики специально подобранных синтетических полимеров и биоактивного элемента естественных полимеров или минералов.

Успешным примером в клинической практике последних лет является минеральный матрикс бычьего происхождения, армированный резорбируемым поли (лакто-со-капролактоновым) блок-сополимером со встроенными фрагментами коллагена на поверхности. Данная конструкция соответствовала парадигме «безопасность при разработке», которая в настоящее время считается важнейшим из столпов нового европейского регламента и активно внедряется в Европе.

Многие другие биогибридные композиты идут по тому же пути с положительными результатами in vitro и in vivo и в клинических испытаниях, как в случае гидроксиапатитных / коллагеновых каркасов. Однако количество успешных заменителей кости в клиническом переводе остается низким, учитывая феноменальное количество проведенных научных исследований.

Ключ к выживанию в «долине смерти медицинских технологий» — доказательный подход от начала до конца. Он применяется от выявления и понимания неудовлетворенной клинической потребности до измеримых клинических результатов, которые подтверждают рыночную дифференциацию биогибридного медицинского устройства как для пациента, так и для плательщика.

Улучшение регенерации кости с помощью биоактивных материалов

Альтернатива факторам роста была представлена многочисленными составами, содержащими клетки или генные конструкции, которые способны стимулировать репаративный остеогенез.

Костная регенерация — это многоступенчатый пространственно-временной процесс, координируемый множеством сигнальных путей фактора роста. Костные морфогенетические белки (BMP) были первыми факторами роста, которые идентифицированы как остеокондуктивные и остеоиндуктивные, то есть были способны дифференцировать стволовые клетки в направлении остеопрогениторных клеток и способствовать прорастанию костной ткани в каркас.

Со времен их разрешения FDA в начале 2000-х годов, BMP-2 и BMP-7 остаются наиболее широко используемыми факторами роста для функционализации костного трансплантата. Инновационные костные материалы на их основе неоднократно демонстрировали способность к восстановлению костной ткани, в том числе при утвержденных FDA клинических показаниях для травмы позвоночника и большеберцовой кости. Тем не менее, недостатки упомянутых продуктов связаны с потребностью в новой или улучшенной технологии, которая позволит более эффективно контролировать высвобождение биоактивного груза в организме.

Несмотря на многообещающие результаты исследований «умных» составов для улучшенного контроля над высвобождением фактора роста в местах регенерации костей, реальность такова, что большинство этих амбициозных материалов никогда не выходят за рамки исследования на животных.

Действительно, такого рода продукты должны конкурировать с аутотрансплантатами и деминерализованным костным матриксом (DBM) с точки зрения эффективности восстановления или сращения костей, особенно когда они обрабатываются биоактивными молекулами для поддержания остеоиндуктивных и остеокондуктивных свойств нативного костного матрикса.

Большинство активированных устройств, которые попали в клиники за последнее десятилетие, основаны на аллотрансплантатах или каркасах из коллагена / трикальцийфосфата. Эти продукты в клинических испытаниях способствовали сращению костной ткани без необходимости извлечения аутотрансплантата в двух клинических испытаниях с пациентами, перенесшими процедуру спондилодеза или артродеза голеностопного сустава соответственно.

Кратковременная активность факторов роста в медицинских устройствах может быть проблемой для оптимальной клинической эффективности. Сложный инновационный подход, способный обойти это ограничение, основан на экзогенной доставке плазмидных ДНК из активированных генами матриц к клеткам-хозяевам в участках костных дефектов, чтобы вызывать эндогенную продукцию репаративных факторов роста.

В недавнем клиническом испытании показано, что комбинированный продукт на основе медицинского устройства с коллаген-гидроксиапатитом и плазмидной ДНК, кодирующей фактор роста эндотелия сосудов А (VEGF-A), способствует сращению костных отломков в дефектах челюстно-лицевой кости, не вызывая побочных эффектов.

В целом, продукты с биоактивными молекулами соответствуют или увеличивают регенеративные способности традиционных костных трансплантатов. Однако поток технологий от лаборатории к клинике двигается медленно, поскольку любой биологически активный кандидат должен соответствовать строгим требованиям безопасности и эффективности.

В США процесс 510 (k) FDA позволяет устройствам, характеризуемым как «практически эквивалентные» существующим одобренным устройствам, весьма быстро выходить на рынок. Однако биоактивные каркасы с плохо определенными продуктами разложения требуют значительных усилий для обеспечения безопасности, что многократно увеличивает время и затраты, связанные с доклинической и клинической оценкой.

Сегодня конструкция системы доставки биоактивных молекул, которая призвана служить каркасом для прикрепления клеток и отложения матрикса, одновременно способствуя активной миграции клеток, ангиогенезу и дифференцировке остеогенных клеток в нужное время и в нужном количестве, выглядит как «миссия невыполнима». Если только не будут разработаны более элегантные, но все же соответствующие нормативным требованиям системы.

Эксперты призывают осознать, что упрощенный подход с использованием одной молекулы вряд ли приведет к полноценному восстановлению костной ткани. С другой стороны, испытания и одобрение регулирующими органами систем доставки с несколькими биоактивными грузами являются обременительными для компаний и требуют дополнительного времени и средств.

Это поощряет использование клеточной терапии, учитывая, что клетки могут действовать как «фабрика» трофических / биоактивных молекул непосредственно в участке имплантации.

Новые биоматериалы со стволовыми клетками для костной пластики

Среди наиболее важных инноваций в костной пластике следует отметить клеточные стратегии, которые имеют длительную историю исследований, но пока вносят минимальный вклад в текущую клиническую практику. Действительно, введение клеток в качестве компонента тканевой инженерии влечет за собой экономические проблемы и проблемы безопасности. Первое связано с необходимыми материально-техническими средствами, технологиями и человеческими ресурсами, а второе с возможной иммуногенностью, образованием тератом и рисками передачи инфекций.

Вследствие проблем с безопасностью только те методы, которые включают минимальные ex vivo манипуляции с аутологичными клетками, были одобрены зарубежными регуляторными органами (FDA, ЕМА). Методы, которые следуют традиционной парадигме тканевой инженерии (in vitro распространение аутологичных / аллогенных клеток и ex vivo развитие конструкции на основе клеток), преодолевают более сложный регуляторный путь, который обычно приводит к отказу от технологии, в лучшем случае, после клинических испытаний.

Источники клеток в инженерии костной ткани служат предметом дискуссий, причем в научной литературе тип стволовых клеток, выбранных для экспериментов in vitro и in vivo, может существенно различаться. Однако стромальные клетки костного мозга (BMSC) были предпочтительным выбором в клинических испытаниях из-за непосредственного участия в физиологии и патологии костей, остеогенной активности и противовоспалительных свойств.

Клеточная терапия для регенерации кости с использованием только что извлеченных BMSC — это метод с 30-летней историей. Первое зарегистрированное клиническое исследование с использованием аспиратов костного мозга датируется 1991 годом. В 2003 композитные трансплантаты DBM, служащие каркасом, и аутологичный костный мозг показали аналогичные результаты по сравнению с аутотрансплантатами при спондилодезе.

Несмотря на проблемы, связанные с размножением аутологичных стволовых клеток ex vivo до имплантации, использование этого метода может иметь значительные преимущества. Например, размножение клеток существенно увеличивает количество клеток и позволяет обрабатывать клетки ex vivo факторами роста или другими биохимическими / биофизическими стимулами для увеличения их терапевтического потенциала.

В недавнем исследовании ex vivo модифицированные аутологичные стволовые клетки, полученные из жировой ткани (ADSC), посеянные на каркасах из биоактивного стекла или β-трикальцийфосфата и, в некоторых случаях, предварительно инкубированные с BMP-2, показали успешную интеграцию конструкций и формирование ткани у 10 из 13 пациентов с крупными кранио-челюстно-лицевыми дефектами твердых тканей (Sandor et al., 2014).

В другом клиническом исследовании использовался коктейль из модифицированных аутологичных BMSC, периостальных клеток-предшественников и эндотелиальных клеток-предшественников на композите фибрин-гидрогель-DBM, чтобы восстановить костные дефекты критического размера у 47 пострадавших со сложной огнестрельной костной раной. Рентгенологическое исследование показало, что в течение 4–6 месяцев после вмешательства 90,4% обработанных дефектов восстановили естественную целостность (Vasyliev et al., 2017).

Инновационные методы тканевой инженерии и использование стволовых клеток в комбинации с биоматериалами в большинстве клинических исследований доказали, что они соответствуют или превосходят клинические результаты аутотрансплантатов в костной пластике.

Хотя дополнительная стадия размножения клеток in vitro влечет за собой многочисленные риски и финансовые затраты, при надлежащем планировании и реализации этот подход может существенно улучшить терапевтические результаты.

Выводы

Несмотря на огромные научные усилия по разработке безопасных и функциональных заменителей костной ткани, аутотрансплантаты пока что остаются золотым стандартом в клинической практике. Распространенность костных патологий и колоссальные размеры рынка костной пластики стимулируют развитие терапевтических технологий для преодоления ограничений аутотрансплантатов костной ткани и заполнения клинических пробелов в широком спектре применений, от ортопедии и травматологии до стоматологии.

Успех новых костных материалов, препаратов и методов лечения во многом объясняется более точным пониманием механизма действия различных компонентов и строгим соответствием ужесточающимся нормативным требованиям.