Биологические явления, происходящие в мембране и нижерасположенном костном дефекте критически важны для регенерации костной ткани. Мембраны в хирургической стоматологии действительно способны оказывать стимулирующее действие на кость благодаря клеткам-хозяевам, экспрессирующим проостеогенные биологически активные вещества, связанные с регенерацией костной ткани и заживлением дефекта. Этот биоактивный эффект также был продемонстрирован с клетками и молекулами, намеренно включенными в барьерную мембрану и / или в нижележащий дефект, с остеопластическими материалами или без них.

Развивающиеся знания о биоактивной роли барьерных мембран в модулировании клеточных и молекулярных событий в связанных с мембранами клетках и прилегающих тканях лежат в основе разработки нового поколения мембран для стоматологии. В настоящее время все больше производителей по всему миру предлагают дальнейшую оптимизацию свойств мембран с упором на повышение биологической активности с помощью тщательно подобранных и научно задокументированных биологических механизмов. Это способствует появлению новые продуктов, подходящих для лечения крупных дефектов кости.

Характеристика и требования к мембранам в хирургической стоматологии

Первоначальная гипотеза управляемой костной регенерации была представлена практически три десятилетия назад (Dahlin, Linde, Gottlow, Nyman, 1988). Она подразумевала, что нерезорбируемый или биоразлагаемый барьер необходимо использовать для исключения определенных клеток, таких как быстро пролиферирующий эпителий и соединительная ткань, способствуя тем самым росту медленнорастущих клеток, формирующих кость. Таким образом, мембрана помогает исключительно остеопрогениторным клеткам повторно заселять участок костного дефекта, предотвращая проникновение неостеогенных тканей.

Ранние экспериментальные работы по направленной регенерации кости (НРК) проводились с использованием барьерных стоматологических мембран без введения костного материала под мембрану. Преимущество только барьерной мембраны было подтверждено клинически, когда процедуры с ПТФЭ мембраной продемонстрировали большее количество образования новой кости по сравнению с участками, оставленными с надкостницей без мембраны.

После клинического внедрения концепции направленной регенерации кости стало понятно, что добавление поддерживающих мембрану материалов или графтов вместе с мембранами может обеспечить синергетический эффект для достижения оптимального регенеративного результата (Donos, Mardas, Chadha, 2008).

Направленная регенерация кости считается наиболее широко используемой в клинической практике и четко задокументированной техникой локального увеличения и восстановления дефектов в кости челюсти в сочетании с установкой дентальных имплантатов. Ряд работ показывает, что выживаемость имплантатов, установленных в аугментированные участки с помощью направленной регенерации кости, аналогична таковой для имплантатов, установленных в нетронутую кость. Более того, данные крупного когортного клинического отчета показали, что до 40% пациентов с имплантатами нуждались в процедуре НРК как части имплантационной терапии (Bornstein, Halbritter, Harnisch, Weber, Buser, 2008).

В качестве мембран в разное время клинически использовались различные синтетические материалы и материалы природного происхождения. Кроме того, рассмотрены несколько модификаций, включая металлы и композиты. Известны методики включения биологических веществ, клеток и антибактериальных агентов в мембрану или в дефект под ней.

В ходе развития НРК был определен набор требований к стоматологическим мембранам:

• Биосовместимость. Материал должен обеспечивать адекватную тканевую реакцию. Взаимодействие между материалом и тканями не должно отрицательно влиять на предполагаемый результат заживления или безопасность пациента.

• Окклюзионные свойства. Материал должен предотвращать инвазию мягких тканей и обеспечивать некоторую степень защиты от бактериальной инвазии, если мембрана подвергается воздействию окружающей среды полости рта.

• Способность к образованию пространства. Мембрана должна создать подходящее пространство, в котором будет происходить естественная регенерация кости.

• Присоединение к тканям или интеграция с ними. Интеграция мембраны с тканями должна стабилизировать среду заживления ран и дополнительно способствовать созданию барьера между мягкими тканями и костным дефектом.

• Управляемость. Современная мембрана в хирургической стоматологии должна быть четко контролируемой в плане времени резорбции и других параметров.

Со временем научный поиск оптимального набора свойств привел к появлению мембран, которые обладают рядом характеристик, перечисленных выше. Обзор классов мембранных материалов, модификации физико-химических свойств мембран и задокументированных биологических эффектов выходит за рамки данной статьи.

На сегодняшний день выбор мембраны продиктован анатомией дефекта, необходимостью увеличения в горизонтальном (вертикальном) направлении и использованием предсказуемого клинического протокола.

Краткая классификация мембран и составов материалов приведено ниже:

• Нерезорбируемые синтетические мембраны: политетрафторэтилен (ПТФЭ), в том числе расширенный ПТФЭ, ПТФЭ высокой плотности, ПТФЭ с двойной текстурой и армированный титаном ПТФЭ, а также титан (титановая сетка).

• Резорбируемые природные мембраны: коллаген без поперечных связей (коллагены I, III, IV, VI типа, специальный коллаген с примесью эластина), сшитый коллаген (включая сшитый коллаген I, III типа).

• Резорбируемые синтетические мембраны: преимущественно алифатические эфиры, (D,D‐L,L полимолочная кислота, поли-D,L-лактид-со-гликозиды, поли-L-лактид и др.)

Несмотря на значительный опыт клинического использования, подкрепленный обширными гистологическими данными, клеточные и молекулярные механизмы, которые управляют последовательностью биологических событий во время НРК, и возможная биоактивная роль мембраны в модуляции этих событий практически не исследованы.

С появлением клеточных и молекулярных научных методов возник коррелятивный подход к расшифровке молекулярной и морфологической основы направленной регенерации кости. Цель сегодняшней статьи заключается в том, чтобы обобщить текущие знания о клеточных и молекулярных процессах заживления и регенерации кости в связи с НРК, а также определить роль мембран в хирургической стоматологии и оценить эффективность экзогенного введения биологически активных веществ (включая факторы роста и клетки) в мембрану или костные материалы, чтобы способствовать образованию кости в дефекте.

Роль мембраны в направленной регенерации кости

Большая часть имеющейся информации о заживлении и регенерации кости под мембраной основана на гистологических исследованиях. Хотя гистологические данные являются фундаментальным доказательством концепции данной регенеративной процедуры, они не полностью раскрывают клеточные и молекулярные процессы рекрутирования клеток, воспаления, образования кости и ремоделирования внутри дефекта.

Более того, эти данные не объясняют точную роль мембраны в ускорении заживления дефекта, приводящего к значительному заполнению дефекта. Важно связать индуцированные мембраной молекулярные паттерны в дефекте как с привлечением и дифференцировкой разных типов клеток, участвующих в заживлении и регенерации кости, так и со структурным восстановлением покрытого мембраной дефекта.

Уместен вопрос о биологической роли мембраны в дополнение к барьерной функции. Первоначально считалось, что роль мембраны — физический барьер для предотвращения вторжения в нежелательные мягкие ткани и обеспечения и поддержания пространства для миграции остеогенных клеток и формирования кости в дефекте (Retzepi & Donos, 2010).

Кроме того, гистологические данные предполагают биомеханическую роль нерезорбируемой, относительно жесткой мембраны из ПТФЭ в стабилизации и защите формирующегося сгустка и обеспечении васкуляризации и остеогенеза, особенно в центральной области покрытого мембраной костного дефекта. Организованный сгусток крови обеспечивает промежуточную ткань с механическими свойствами, необходимыми для остеогенеза.

Несмотря на то, что заживление и регенерация кости — сложный процесс, вполне вероятно, что на регенеративные процессы влияет местная микросреда в дефекте, причем стабильность первоначально сформированной гематомы и сгустка крови может влиять на миграцию клеток, васкуляризацию и остеогенез (Liu & Kerns, 2014).

Несколько исследований, посвященных биологическим процессам внутри стоматологической мембраны, предоставили доказательства того, что мембрана сама по себе может играть биологически активную роль в регенерации кости.

Нерезорбируемые мембраны

Экспериментальное исследование показало, что применение нерезорбируемой мембраны из ПТФЭ, по сравнению с отсутствием лечения, способствовало более раннему образованию и большему количеству Cbfa1/Runx2-положительных клеток-предшественников в дефектах большеберцовой кости крыс уже после 6 дней заживления. Через 8 и 10 дней заживления присутствие мембраны из ПТФЭ увеличивало экспрессию связанного с ростом кости гена остеокальцина по сравнению с необработанным дефектом (Tanaka et al., 2007).

Другое исследование подтвердило повышенную остеогенную активность регенерирующей ткани непосредственно под мембраной из ПТФЭ на экспериментальной модели дефекта пародонта у макак-резусов (Amar et al., 1997). Последнее исследование выявило высокую иммунореактивность костных морфогенетических белков (BMP-2, BMP-4 и BMP-7), остеонектина и костного сиалопротеина (BSP), а также более высокие уровни транскриптов мРНК BMP-2 и BMP-4 в ткани, сформированной под мембраной из ПТФЭ.

Кроме того, в модели свода черепа крысы применение мембраны из ПТФЭ было связано с положительной активацией сигнального пути Wnt на 7-й день по сравнению с 15-м днем. При этом было установлено, что время регуляции различных молекулярных путей, которые участвуют в регенерации кости, может отличаться (Calciolari, & Donos, 2017).

Вышеупомянутые экспериментальные данные были подтверждены в исследовании на людях, в котором сравнивалась процедура направленной регенерации кости с использованием мембраны из ПТФЭ с лоскутной операцией без мембраны при дефектах пародонта. Анализ экспрессии генов показал, что мембрана из ПТФЭ привела к значительной активации генов формирования кости, включая остеопонтин, BSP и щелочную фосфатазу, после 3 недель заживления по сравнению с группой контроля (Lima et al., 2008).

Индуцированные мембраной эффекты не только способствовали остеогенной активности, но и усиливали экспрессию генов, кодирующих факторы роста (фактор роста фибробластов-2, воспалительные цитокины и белки, участвующие в ремоделировании костей и тканей (RANKL), остеопротегерин и матриксные металлопептидазы (MMP-2 и MMP-9).

Резорбируемые мембраны

Как и в случае с нерезорбируемыми мембранами из ПТФЭ, резорбируемые естественным образом коллагеновые мембраны способствуют регуляции генов, связанных с образованием и ремоделированием кости (рецептор кальцитонина, катепсин K и RANKL) по сравнению с необработанным дефектом бедренной кости крысы.

Кроме того, наличие коллагеновой мембраны над дефектом позволяет точно настроить экспрессию провоспалительного цитокина TNF-α во время разных фаз НРК, на что указывает ранний пик TNF-α на 3 день с последующим подавлением на 6 день и вторым пиком на 28 день после процедуры (Turri et al., 2016).

Несмотря на разногласия относительно роли воспаления и провоспалительных цитокинов во время заживления кости, TNF-α определенно участвует в этом процессе. В частности, второй пик экспрессии TNF-α может быть связан с ремоделированием кости (Takahashi, 2002).

Множественные биологические эффекты коллагеновой мембраны в участке дефекта могут объяснить более высокий процент хорошо ремоделированной зрелой кости под мембраной и, в конечном итоге, более высокую степень восстановления.

Первоначальная гипотеза о барьерной функции мембраны предполагала, что изолированное пространство, созданное мембраной, позволяет мигрировать остеогенным клеткам с их последующей дифференцировкой в клетки, образующие костную ткань. Но молекулярные механизмы, лежащие в основе такого эффекта, долгое время оставались неопределенными.

Недавние исследования с использованием коллагеновой мембраны дали, по крайней мере частично, молекулярное объяснение. Присутствие коллагеновой мембраны вызывает раннее (3 дня) и позднее (28 дней) повышение экспрессии медиаторов рекрутирования клеток (хемокиновый рецептор CXCR4 и хемоаттрактантный белок-1 моноцитов) в клетках. Хемокиновый рецептор CXCR4 играет роль в привлечении мезенхимальных стволовых клеток и остеопрогениторов, тогда как MCP-1 выполняет ряд хемотаксических действий, включая привлечение предшественников остеокластов(Ceradini et al., 2004).

Кроме того, экспериментальные данные показывают важную роль MCP-1 в ремоделировании кости во время заживления перелома. Например, истощение гена CCR2 (рецептора MCP-1) у модифицированных мышей приводит к уменьшению количества макрофагов на 3 день, нарушению васкуляризации и образованию костей на 7 и 14 дни соответственно, а также замедлению общего ремоделирования и заживления перелома по сравнению с аналогичными процессами в организме нормальных грызунов (Binder et al., 2009).

Взятые вместе, эти клеточные и молекулярные открытия, подтвержденные гистологическими наблюдениями, показывают, что мембрана улучшает местную среду в дефекте, способствует привлечению и дифференцировке разных типов клеток, включая остеобласты и остеокласты. Более того, среда, созданная мембраной, содействует молекулярным механизмам, лежащим в основе образования кости и ремоделирования дефекта кости.

Мембраны для хирургической стоматологии в сочетании с костными материалами

Мембрана в хирургической стоматологии и костные графты / заменители используются, как правило, вместе. Мембрана изолирует участок костного дефекта от неостеогенных мягких тканей, тогда как костный материал предоставляет трехмерный каркас, поддерживающий остеогенные клетки и способствующий образованию кости, одновременно предотвращая коллапс мембраны. Таким образом, одной из основных стратегий улучшения результатов НРК является улучшение графтов и синтетических материалов, заменяющих кость.

До настоящего времени были предложены различные типы костных остеопластических материалов, включая аутотрансплантаты, аллотрансплантаты, ксенотрансплантаты, а также аллопластические (синтетические) заменители кости. Существует консенсус, что аутогенная кость является золотым стандартом. Она действительно улучшает результаты направленной регенерации костной ткани как в экспериментальных, так и в клинических условиях (Mattout, 2000; Meijer & Vissink, 2005; Sverzut et al., 2008).

Однако получены противоречивые данные относительно других типов костных заменителей. Одни авторы предполагают синергические эффекты, но другие не выявляют значительного положительного эффекта от костных материалов в сочетании с мембранами. Различия между результатами зарубежных авторов можно объяснить различиями в видах животных, дизайне исследований, локализации дефекта, размере и конфигурации, а также во времени оценки.

Кроме того, производство и подготовка одного и того же типа костного материала может отличаться или вовсе не стандартизироваться, что способно влиять на свойства материалов и, следовательно, на окончательные результаты каждого исследования.

Нерезорбируемые мембраны

Сообщалось о противоречивых результатах при сочетании нерезорбируемых мембран с различными типами заменителей кости. Например, сочетание нескольких коммерческих типов аллогенного деминерализованного лиофилизированного костного матрикса (DFDB) с расширенным ПТФЭ привело к различным результатам в сочетании с имплантатами. В то время как один уменьшал прирост кости при дефектах, связанных титановыми имплантатами (Becker et al., 1992), другой тип улучшал контакт кости с имплантатом (Kohal et al., 1998).

Эти наблюдения предполагают, что остеоиндуктивность DFDB во многом зависит от степени декальцификации, возраста донора, размера частиц аллотрансплантата. Ксенотрансплантаты (например, депротеинизированная или деминерализованная бычья кость) и синтетические заменители кости (например, гидроксиапатит) являются наиболее изученными материалами в контексте направленной регенерации кости.

Интересно, что в исследованиях по формированию кости за пределами скелета крысы депротеинизированная бычья кость ингибировала остеогенез, а применение куполообразной мембраны из ПТФЭ привело к лучшему формированию кости (Stavropoulos et al., 2001).

Аналогичным образом Buser (1998) показал на карликовых свиньях, что другой тип естественного гидроксиапатита (полученный из кораллов) не усиливает регенерацию кости, управляемую стоматологической мембраной из расширенного ПТФЭ. С другой стороны, экспериментальное исследование на модели дефекта свода черепа кролика(Okazaki, Shimizu, 2005) предположило, что комбинация депротеинизированной бычьей кости с куполообразной мембраной из ПТФЭ сохраняет более высокую долю вновь сформированной кости в течение длительного периода времени по сравнению с мембраной из ПТФЭ, заполненной кровью.

Кроме того, исследование на собаках (Tehemar, Hanes, 2003) показало, что комбинация неорганического матрикса бычьей кости с мембраной из расширенного ПТФЭ усиливает остеоинтеграцию имплантатов, помещенных постэкстракционные лунки.

Резорбируемые мембраны

Как и с нерезорбируемыми мембранами, до настоящего времени получены противоречивые результаты о сочетании резорбируемых мембран с заменителями кости. Экспериментальное исследование с использованием резорбируемой полимерной куполообразной мембраны с депротеинизированным бычьим костным минералом и без него на дефектах свода черепа пришло к выводу, что, хотя депротеинизированный бычий минерал способствовал ускорению начального регенерации кости, он не приводил к увеличению объема или высоты кости на более поздних этапах наблюдения (Schmid, 1997).

Экспериментальное исследование ранних биологических реакций при заживлении кости и клеточной активности в ответ на введение депротеинизированной бычьей кости или гидроксиапатита с коллагеновой мембраной демонстрируют отсутствие дополнительного остеогенеза с любым замещающим материалом. Однако, когда материал был усилен ионами стронция и использовался с той же коллагеновой мембраной, образование новой кости в дефекте значительно увеличилось. Это связано с ингибированием числа и активности остеокластов, а также со снижением сцепления между остеобластами и остеокластами, что не было показано в присутствии депротеинизированной бычьей кости и стехиометрического гидроксиапатита (Elgali et al., 2016).

Экспериментальный вывод, что коллагеновой мембраны достаточно для стимулирования образования кости без добавления депротеинизированной бычьей кости, в целом согласуется с клиническими данными (Guarnieri, Testarelli et al., 2017).

В отличие от некоторых из этих работ, положительный эффект депротеинизированной бычьей кости наблюдался в сочетании с различными типами резорбируемых мембран (Jung, 2011). Более того, у людей добавление депротеинизированных гранул бычьей кости с коллагеновой мембраной приводит к усилению регенерации костной ткани вокруг постэкстракционных имплантатов и улучшает эстетический результат направленной регенерации кости (De Angelis et al., 2011).

Включение биологических сигналов (факторов роста или клеток) и антибактериальных агентов в мембраны было предложено в качестве нового подхода для увеличения остеогенеза и / или профилактики наиболее частых осложнений в процессе лечения.

Включение биологических молекул для усиления регенерации кости

Наибольшее внимание уделяется различным факторам роста из-за множества их функций при заживлении кости, включая рекрутирование, пролиферацию и дифференциацию клеток (Fei, Gronowicz, & Hurley, 2013). В большинстве исследований in vitro использовались мезенхимальные стволовые клетки, клеточные линии остеобластов и эндотелиальные клетки для определения эффектов глюкагоноподобного пептида-1, основного фактора роста фибробластов (bFGF) / FGF-2 и фактора-1α, полученного из стромальных клеток (SDF-1α).

Применяемые на мембранах в хирургической стоматологии, эти вещества демонстрируют усиление клеточной пролиферации, миграции и остеогенной дифференциации в зависимости от конкретной иммобилизованной молекулы.

В экспериментах на животных in vivo сравнивались регенеративные эффекты нативных мембран и мембран, нагруженных рекомбинантным человеческим BMP-2 (rhBMP-2), rhBMP-2 с коллаген-связывающим доменом, BMP-7, комбинацией BMP-2 и BMP-7, bFGF / FGF-2, FGF-2, PDGF и глюкагоноподобным пептидом-1 (BFP1). Большинство экспериментальных исследований in vivo были выполнены с резорбируемым мембранами / материалами в дефектах черепа грызунов. По сравнению с нативной мембраной, мембраны, нагруженные этими молекулами, демонстрируют повышенную регенерацию кости.

Иммобилизация белков, таких как коллаген, декорин или фибронектин, полученных из кондиционированной среды BMSC крысы, на мембране PLGA усиливала пролиферацию клеток и активность ALP (Tsuchiya, 2015). Было также показано, что дексаметазон ускоряет регенерацию костей при иммобилизации на коллагеновой мембране (Piao et al., 2014).

Стратегии введения факторов роста и клеток в костный дефект в сочетании с мембраной дали очень интересные и многообещающие экспериментальные результаты. Клинические доказательства и использование стратегии факторов роста в сочетании с НРК еще предстоит получить. Например, этой стратегии в значительной степени препятствуют потенциальные долгосрочные и серьезные неблагоприятные события, а также нормативные и финансовые ограничения, как в нашей стране, так и за рубежом.

Включение антимикробных агентов и антибиотиков в стоматологические мембраны

Антибиотики широкого спектра действия и серебро могут изменить клеточные и тканевые реакции, а также способность бактерий прилипать к мембране и колонизировать ее. Введение противомикробных агентов, например тетрациклинов, метронидазола и серебра позволяет ингибировать бактериальную инфекцию, например, в сочетании с воздействием мембраны.

Исследования in vitro демонстрируют подавление S. aureus и аналогичную пролиферацию клеточных линий остеобластов после воздействия нагруженных серебром композитных мембран из PLA / силоксана / карбоната кальция (Tokuda, 2009). Сниженная жизнеспособность, но сходная остеогенная дифференцировка линии клеток остеобластов была также продемонстрирована для композитных мембран наногидроксиапатит / диоксид титана (TiO) / полиамид 66 (PA66), нагруженных серебром (Ye et al., 2011).

Опыты in vivo демонстрируют повышенную регенерацию костной ткани с мембранами, содержащими тетрациклины, без уменьшения роста кости. Подобное заполнение черепных дефектов у крыс было показано для мембран из нанокомпозитов серебро-ГАП-титан / полиамид и мембран из расширенного ПТФЭ (Zhang et al., 2010). Кроме того, уменьшение воспаления в мягких тканях было продемонстрировано для PCL мембран с включенным в их состав метронидазолом (Xue et al., 2014).

Интересна работа Kutan (2016), показывающая, что высвобождающая доксициклин коллагеновая мембрана в модели дефекта большеберцовой кости крысы, загрязненного бактериями, существенно подавляет рост микроорганизмов и способствует остеогенезу.

В дополнение к относительно скудным экспериментальным свидетельствам того, что местная антибактериальная стратегия целесообразна для НРК, существуют общие опасения по поводу чрезмерного использования антибиотиков, особенно антибиотиков широкого спектра действия, и риска развития штаммов бактерий с множественной устойчивостью.

В отличие от нескольких исследований инфицированных дефектов пародонта, локально обработанных антибиотиками и мембранами, оценка конкретной антимикробной стратегии для направленной регенерации кости еще не проводилась.

Регенерация кости, восстановление дефектов и последующая интеграция имплантатов сегодня являются общепринятым подходом, осуществляемым обычно с использованием нерезорбируемых или рассасывающихся материалов, без экзогенно вводимых клеток или сигналов, индуцирующих костную ткань.

Включение факторов роста, клеток или антибактериальных агентов в мембрану все же является многообещающим подходом, способствующим формированию кости, особенно в сложных клинических случаях (например, при крупных дефектах и участках, подверженных бактериальному заражению), а также у пациентов с нарушением заживления кости.

Однако, несмотря на обнадеживающие результаты, наблюдаемые in vitro и на доклинических моделях, клиническая ценность включения биологических сигналов для стимулирования костной ткани и антибактериальных стратегий еще не была продемонстрирована.

Препятствия на этом пути связаны с необходимостью создания экономичных протоколов, отвечающих нормативным требованиям. Крайне важно способствовать распространению технологий и обеспечивать эффективные и воспроизводимые клинические результаты. Необходимы рандомизированные клинические испытания для определения безопасности и клинической эффективности инновационных процедур.