Современный ассортимент материалов для костной пластики стремительно расширяется благодаря введению в их состав клеток и компонентов, стимулирующих остеогенез.

В настоящее время наблюдается тенденция использования остеозамещающих материалов как носителей для стволовых клеток-предшественников костной ткани. Мезенхимальные стволовые клетки обладают высоким регенеративным потенциалом, что позволяет существенно ускорить восстановление при травмах костей.

Сегодня медицина как никогда раньше заинтересована в продуктах природного происхождения, которые не оказывают негативного действия на организм пациента и одновременно увеличивают способность противостоять неблагоприятным факторам, активизируют естественные регенеративные процессы.

Остеозамещающие материалы и тканевая инженерия

Широкое распространение получили биологически активные вещества, в особенности полисахариды и полифенольные соединения. Преимуществом полисахаридов является достаточная изученность и доступность материала в природе.

Многие полисахариды, получаемые из растительного и животного мира, активно используются в медицине. Многочисленные исследования подтверждают, что продукты на основе природных полисахаридов оказывают антибактериальное, гиполипидемическое, иммуномодулирующее, репаративное и антиоксидантное действие.

Проведенные еще в 1990-х годах эксперименты дают основания для использования полисахаридов в качестве носителей для мезенхимальных стволовых клеток.

При этом наиболее ответственным и сложным этапом лечения исследователи считают трансплантацию культивированных клеток в очаг повреждения. Результат последующих мероприятий зависит от того, какая доля пересаженных клеток проникнет в очаг, закрепившись в тканях и сохранив при этом свои функции.

Таким образом, обеспечение оптимальных условий для стволовых в реципиентном ложе рассматривается как ключ к успешному применению остеозамещающих материалов.

С этой целью ученые ищут новые способы стимулировать ангиогенез при трансплантации клеток, поддерживая адекватный нутритивный статус и оксигенацию новой ткани. Данный фактор является решающим для дифференцировки предшественников в остеобласты.

Благодаря успешным опытам по восстановлению поврежденной роговицы пластическим клеточным материалом в 1980-х годах тканевая инженерия получила мощный толчок.

В целом, создание любого искусственного органа или ткани включает несколько принципиальных этапов. Во-первых, выполняется забор донорского либо собственного биоматериала путем биопсии, с последующим отбором и выращиванием тканеспецифических клеток в требуемом количестве.

Помимо клеточной культуры, имплантат включает так называемую матрицу — носитель, выполняющий роль опоры для развивающихся тканей. Матрица всегда изготавливается из биосовместимых материалов природного и синтетического происхождения.

Объемная структура имплантата формируется путем колонизации каркаса культурой жизнеспособных клеток, которую некоторое время инкубируют в питательной среде. Каждый продукт требует особых условий выращивания.

Например, для выращивания кровеносных сосудов используют проточные реакторы, в которых обеспечивается непрерывный поток нутриентов под давлением, имитирующим природные условия работы сердечно-сосудистой системы.

При создании имплантатов может применяться метод префабрикации.

Для этого заселенную остеопрогениторными клетками матрицу сначала помещают в особые условия для оптимального кровоснабжения и быстрого дозревания графта.

Разновидности носителей остеопрогениторных клеток

С позиций клеточной технологии, выбор остеозамещающего материала начинается с правильного выбора носителя остеопрогениторных клеток (предшественников). Ведь инъекция клеток без подготовки не приведет к образованию новой кости.

Поэтому одновременно с разработкой новых технологий выращивания продолжаются поиски идеального носителя. Чтобы реализовать свой остеогенный потенциал, клетки должны некоторое время оставаться связанными с носителем — это позволяет предшественникам организоваться в сложные объемные структуры.

Остеозамещающие материалы должны удовлетворять определенным биологических, химическим и механическим требованиям. Рассмотрим эти требования.

Биологические требования:

·       Остеогенность: наличие клеточных источников остеогенеза

·       Остеоиндуктивность: способность индуцировать остеогенез

·       Остеокондуктивность: обеспечение структурной поддержки для наращивания новой кости и ее направленного роста

·       Неиммуногенность: отсутствие нежелательных иммунных реакций

·       Способность полностью интегрироваться с родной костной тканью

Химические требования:

·       Достаточный период биодеградации, исключающий «вымывание» клеток

·       Отсутствие химических реакций с тканями и склонности к коррозии

Механические требования:

·       Пористость, обеспечивающая прорастание ткани в материал

·       Механическая прочность, отвечающая клиническим потребностям

·       Сопротивление замедленному разрушению (усталости)

·       Устойчивость к образованию трещин

·       Высокая износостойкость

Успешная трансплантация культуры клеток человека требует введения минеральных компонентов, ростовых факторов и других добавок.

Большинство применяемых сегодня остеозамещающих материалов легко резорбируются в организме с их дальнейшей заменой собственными тканями реципиента.

Такой продукт должен соответствовать еще нескольким условиям.

Промежуточные продукты биодеградации не должны быть токсичными для организма больного, не должны нарушать кислотность и ухудшать рост (дифференцировку) клеток.

Нерезорбируемые материалы в костной пластике сейчас практически не используют, а металлические имплантаты стараются ограничивать из-за высвобождения потенциально токсичных веществ под действием агрессивных жидких сред организма.

Один из главных минусов нерезорбируемых материалов в том, что они ограничивают регенеративную активность, способны вызвать избыточное разрастание соединительной ткани и даже спровоцировать иммунную реакцию на чужеродное тело.

Предложенные наукой имплантаты можно классифицировать по степени инвазивности манипуляций, необходимых для вживления. Соответственно, ряд исследователей выделяют продукты, требующие открытого хирургического вмешательства или такие, которые возможно имплантировать минимально инвазивными методами.

Для открытых хирургических вмешательств применяют композиционные материалы на основе гидроксиапатита (ГАП) синтетического или животного происхождения и фосфатов кальция. Экспериментально доказано, что их пористая структура позволяет предотвратить образование соединительной ткани на границе соприкосновения с имплантатом и обеспечивает полноценную остеоинтеграцию.

По мнению многих зарубежных авторов, подобные материалы выглядят наиболее переспективными как носители культивированных остеопрогениторных клеток.

За последние два десятилетия появились контролируемые способы синтеза биоактивного ГАП, кальция фосфата, магний- и карбонат-замещенных гидроксиапатитов (КГА). Были предложены практичные двухфазные материалы, такие как гидроксиапатит + трикальцийфосфат, обладающие новыми свойствами.

Промышленность выпускает продукты с разной морфологией, степенью кристалличности, стехиометрией, удельной поверхностью и температурной стабильностью.

Новые способы активирования процесса спекания позволили значительно снизить температуру спекания, предупредив тем самым термическое разложение.

В качестве пористой матрицы могут использоваться разнообразные полимерные и биокерамические продукты или пористые мембраны.

Полимерные остеозамещающие материалы

Среди первых биодеградирующих синтетических полимеров в костной пластике появились производные органических кислот. Например, молочной, гликолевой (полигликолиды) или фумаровой кислот.

Состав подобных полимеров предлагается как однотипный, так и включающий комбинации остатков молочной, фумаровой и других кислот.

Созданные с их помощью каркасы за рубежом стали основой для выращивания жизнеспособных тканей, в том числе скелетной мускулатуры, кожи, костей и хрящей.

Искусственные полимеры — удобный материал с большими возможностями. Легкость, гибкость, упругость, высокая технологичность. Химически такие полимеры напоминают ткани нашего организма благодаря образованию связей с белками.

Заменителями живых тканей сегодня могут быть полипропилен и полиэтилен, тефлон и силикон, полиметилметакрилат, полиуретан, дакрон, различные смолы и др.

Существенным недостатком этой группы считается разложение на мономеры, которое неминуемо начинается с течением времени даже при соблюдении мягких условий. Не говоря уже об агрессивных биологических средах, где имплантат всегда подвергается разрушительному действию ферментов и свободных радикалов.

Результатом деградации полимерных молекул становится постепенная утрата механических свойств и потребность в замене имплантата.

Отдельный повод для беспокойства — это малоизученные эффекты мономеров, которые отщепляются от полимерных цепей и поступают в кровь и лимфу пациента. В принципе, продукты распада могут быть токсичны и требуют длительного изучения.

Поэтому, несмотря на все успехи химии, все больше внимания в мире уделяется биосовместимым природным полимерам (хитозан, коллаген, альгинат и др.)

Альгинат — это полисахарид, получаемый из морской растительности. Некоторые производители пытаются использовать альгинат в роли матрицы, но полученный продукт не отличается биосовместимостью. Механические свойства также далеки от идеальных.

Поэтому продукты на основе альгината находят применение не в костной пластике, а при восстановлении нервных клеток и поврежденного суставного хряща. Значительно реже он используется в комплексе с ГАП или полиэтиленамином для регенерации кости.

В научных целях применяются комплексы, состоящие из альгината, вспомогательных веществ и мезенхимальных клеток. С их помощью изучаются механизмы остеогенеза.

Хитозан — это азотосодержащий полисахарид, который широко распространен в природе. Служит основной составляющей прочного внешнего скелета у ракообразных и насекомых. Производится из хитиновых панцирей моллюсков и ракообразных.

Комбинированный хитозаново-коллагеновый комплекс заслуживает первоочередного внимания врачей. Опыты in vitro и клинические испытания подтверждают его стабильность, способность к поддержанию жизнеспособности клеточных культур и приемлемые механические свойства, необходимые для остеопластического материала.

Данный комплекс уже применяется в хирургической практике и стоматологии. Чаще всего используют модифицированные хитозановые мембраны, в том числе с альгинатом.

Синтетические полимеры стали основой нового поколения биосовместимых полимерных материалов, наделенных уникальными физико-химическими, сорбционными, механическими и биологическими (антибактериальными) свойствами.

Мембраны данного типа в стоматологии, ЧЛХ и ортопедии используют недостаточно широко, но в западных странах есть успешные попытки применения этой синтетики в качестве носителей мезенхимальных стволовых клеток.

Коллаген практически не имеет антигенного потенциала, что подтверждается применением инновационного продукта Биоматрикс ООО «Конектбиофарм».

Данный ксеноматериал, состоящий из 100% высокоочищенного коллагена животного происхождения, успешно применяется для костной пластики в стоматологии.

Преимуществами Биоматрикса в остеопластике считаются именно низкая антигенность, биосовместимость с костным ложем реципиента, удачная структура и возможность полной резорбции имплантата в течение 1,5-2 месяцев. Материал универсален.

Согласно проведенным в России и ближнем зарубежье клиническим исследованиям, Биоматрикс может служить надежным носителем остеопрогениторных клеток.

Коллаген активно используется в роли матрицы; он деградирует в биологических средах путем гидролиза с участием ферментов и замещается собственными протеинами организма реципиента, которые вырабатываются клетками-фибробластами.

Из коллагена можно изготовить матрицу для клеток со специфическими характеристиками, нацеливая продукт на разные сегменты рынка. Теоретически, его можно оптимизировать для реконструкции любых органов или тканей человеческого тела.

Будучи натуральным межклеточным тканевым белком, коллаген идеально подходит для развития любых культур клеток, поддерживает ангиогенез и рост новых тканей.

Как правило, коллаген применяют в композиционных материалах, в том числе в виде хитозан-коллагеновых комплексов или комплексов с полилактокогликолевой кислотой (PLGA), альгинатом и другими веществами.

Готовые композиты модифицируют добавлением определенных ростовых факторов и питательных веществ, в зависимости от требований к продукту. Некоторые исследователи рекомендуют в качестве биосовместимого материала нановолокна PHBV-коллагенового комплекса — поли(3-гидроксибутират-ко-3-гидроксивалерата).

PHBV считается перспективным полимером для остеопластики. Этот термопластичный продукт нетоксичен, биосовместимый, резорбируется с достаточной скоростью.

Российские и зарубежные авторы пытались применять и другие природные полимеры, включая эфиры гиалуроновой кислоты со сложными эфирами альгиновой кислоты.

Среди носителей клеток, которые можно имплантировать минимально инвазивными методами, особый интерес представляют микрогранулированные полимерные гели. Это может быть желатин, коллаген, поливинилпирролидон + хитозан и нанотрубки.

В 2000-х годах в Европе предпринимались попутки вызвать дифференцировку мезенхимальных стволовых клеток без дополнительных химических факторов.

Как известно, этот процесс в значительной мере зависит от свойств подложки, поэтому полученные результаты оказались противоречивыми. Опыты с нанострутурированными подложками могут принести результат уже в ближайшем будущем.

Керамические остеозамещающие материалы

Развитие данного направления началось в 1960-х годах, когда стали очевидны недостатки металлических имплантатов. Согласно современной классификации, к керамике относятся оксиды кремния, алюминия, титана, иттрия, циркония и некоторых других металлов, карбиды (карбид кремния), нитриды (нитрид кремния) и бориды.

Керамику считают перспективным медицинским материалом благодаря высокой биологической совместимости, устойчивости к коррозии и химической инертности.

Она легкая и износостойкая, поэтому широко применяется в производстве эндопротезов суставов. Дополнительным преимуществом керамики называют биологическую активность (поверхность керамических имплантатов адсорбирует биоактивные молекулы).

Среди недостатков керамических материалов — ломкость при сгибании, из-за чего достаточно тяжело изготавливать имплантаты сложной геометрической формы.

Поскольку получение керамических изделий основано на порошковой металлургии, качественные изделия требуют наличия тонкодисперсных высокоочищенных порошков с одинаковым размером частиц. На практике, качество этого продукта широко варьирует.

В зависимости от химической активности и способности связываться с биологическими молекулами, всю биосовместимую керамику можно разделить на несколько групп:

1. Инертная керамика

Эта группа включает оксид алюминия и циркония, углерод и т. д. Характерной особенностью их является инертность: продукты не вступают во взаимодействие даже после нескольких тысяч часов, проведенных в агрессивной среде, включая крайние значения рН и присутствие катализаторов.

Инертная биокерамика даже в самых жестких условиях не образует химических связей с биологическими молекулами, демонстрируя высочайший уровень безопасности.

2. Керамика с низкой реакционной способностью

Материалы данной группы способны в благоприятных условиях образовывать химические связи с протеинами человеческого организма, участвуя в хемосорбции. Сюда относят многие разновидности стекла, в том числе стекло на основе кальция фторида.

3. Керамика с умеренной реакционной способностью

Эта группа биокерамики, в том числе стекло на основе кальция оксида, формирует химические связи с белками и выступать источником ионов кальция (то есть подвергается выщелачиванию). Тем самым продукт стимулирует развитие костной ткани — остеогенез.

4. Керамика, которая полностью усваивается организмом

Сюда относят упомянутый выше гидроксиапатит, а также ортофосфат кальция.

Такая биокерамика отличается высокой реакционной способностью, поэтому спустя несколько лет после имплантации на ее месте обнаруживается вновь образованная ткань.

В качестве носителя остеопрогениторных клеток наибольший интерес представляет поверхностно-активная керамика (например, стеклокерамика), которая способна образовывать устойчивые химические связи с тканями живого организма.

Основным ее компонентом является оксид кремния, другие обязательные компоненты материала — оксиды кальция, фосфора и натрия. Эти вещества не имеют пор, а потому могут наноситься на поверхность других биоактивных материалов.

Аналогичные пористые структуры можно получать путем выщелачивания одного из компонентов. Таким способом производят композиты по типу металлостекла.

Экспериментально были подобраны добавки, способные модифицировать биологическую активность продукта — стимулировать (фторид кальция) или ингибировать (оксид бора).

Важным фактором успешной остеоинтеграции имплантатов является полноценная васкуляризация — развитие сосудистой сетки в очаге повреждения.

Это фундаментальный фактор для тканевой инженерии, без соблюдения которого невозможно эффективно восстанавливать утраченные ткани и органы при помощи тканеспецифических клеток на трехмерной матрице.

В процессе роста новой кости васкуляризация играет ключевую роль в миграции и пролиферации эндотелиальных клеток у поверхности биоматериала. При этом другой материал становится источником питания ткани, обеспечивает ее кислородом и необходимыми нутриентами, удаляет продукты метаболизма.

Слабая васкуляризация становится причиной тяжелой гипоксии, развития некротических процессов и, в конечном счете, отторжения имплантата и неудачи лечения.

В первую очередь, для развития сосудистой сетки необходима достаточная пористость. Благодаря наличию пор происходит закрепление и размножение эндотелиальных клеток, пространственная перестройка имплантата в дальнейшем.

Зарубежные исследования показывают, необходимыми для васкуляризации свойствами обладает целый ряд природных и синтетических остеопластических материалов.

В этом плане искусственные материалы имеют некоторые преимущества, в том числе отсутствие донорских патогенов, способных вызвать отторжение. Стандарты надлежащей производственной практики не допускают присутствия бактериальных продуктов (эндотоксинов) и требуют тщательной обработки сырья.

В идеале, качественный костный трансплантат не должен каким-либо образом нарушать физиологические процессы на клеточном уровне. Это залог его эффективности.

Существует несколько разновидностей биосовместимого фосфата кальция. Большинство из них разрушаются под действием внутренней среды человеческого организма. По данным исследований, бета-трикальцийфосфат и гидроксиапатит — это наиболее подходящие субстраты для роста и развития костной ткани.

Указанные вещества биосовместимые, имеют выраженные остеокондуктивные свойства и стимулируют рост клеток. Так, на основе кальция фосфата предложен композиционный материал кальций-фосфат-силикатный ксерогель в виде нанопористых гранул.

Частицы ксерогеля лиофилизировались при помощи коллагенового матрикса.

Были также проведены эксперименты по заселению каркасов гидроксиапатита выращенными в лаборатории костномозговыми стромальными клетками с дальнейшей имплантацией биоматериала грызунам. В течение нескольких недель такой имплантат вызывает формирование коллагеновых волокон и минерализацию матрикса.

Отличные результаты дает применение пористых имплантатов с трикальцийфосфатом, колонизированных лабораторными культурами клеток остеогенного слоя надкостницы.

Сложность практического применения указанных остеозамещающих материалов заключается в том, что до момента полной резорбции имплантата и образования новой костной ткани категорически противопоказаны любые нагрузки.

В клинической практике это означает, что пациенту после травмирования нагруженных участков опорно-двигательного аппарата придется провести в койке несколько месяцев, пока кость регенерирует. Кроме того, при резорбции этого материала в кровь выделяются большие количества кальция, фосфата и гидроксид-иона.

Интерес со стороны исследователей вызывают носители клеток-предшественников из стеклокристаллических материалов. Они характеризуются близкой к физиологической эластичностью и имеют схожие диаграммы деформирования.