В наши дни остеопластика — это привычная процедура, которая показана для лечения различных аномалий, таких как неправильное сращение, отсроченное сращение, несращение, реконструкция нижней челюсти и свода черепа, для пластики после резекции опухоли. Кроме того, остеопластика широко применяется для восстановления сложных дефектов (кость, кожа и мышцы), удлинения костей, обеспечения сращения при лечении свежих переломов, ускорение раннего образования кости и лечения остеомиелита. В общем, материал для остеопластики представляет собой основу для обеспечения стабильности, лечения псевдоартроза и стабилизации сегментов позвоночника, восстановления анатомической целостности при полной замене сустава.

Кость является вторым после переливания крови материалом, который чаще всего имплантируется в человеческое тело, при этом ежегодно в мире выполняется около 600 000 процедур остеопластики, преимущественно в стоматологии, ортопедии и травматологии. Таким образом, костные трансплантаты и синтетические заменители костного трансплантата широко используются для заполнения объема, заживления и формирования кости. Эти трансплантаты не должны вызывать реакции антиген-антитело и иметь хорошую способность к рассасыванию. Кроме того, костные трансплантаты действуют как минеральный резервуар, который способствует образованию новой кости.

Общие сведения об остеопластике

Первая в истории попытка использовать костный трансплантат в медицинских целях была сделана голландским хирургом Job van Meekren в 1668 году. В церковной литературе упоминается первая пересадка костного ксенотрансплантата русскому солдату с черепной костью собаки в 1682 году. Как сообщается в литературе, попытки перенести ткани животных в людей предпринимались еще со времен Гиппократа. Научные свидетельства предполагают, что древние индусы и египтяне также проводили эксперименты по остеопластике. В 1821 году в Германии была успешно проведена первая процедура аутогенной остеопластики при экспериментальных дефектах кости, созданных в черепах животных. Сэр William MacEwan представил аллотрансплантат в 1879 году, успешно заменив проксимальную часть плечевой кости у 4-летнего мальчика костью, полученной от других пациентов. В настоящее время аллопластика часто используется, и большинство хирургов пересаживают кость как минимум в 10 раз чаще, чем любой другой пересаживаемый орган.

В современной остеопластике костный трансплантат — важный динамический инструмент, который поддерживает нормальные силы и встраивается в ложе, реваскуляризируясь по мере образования новой кости. Кроме того, костный трансплантат и другие остеопластические материалы обеспечивают структурную поддержку дефекта. Недавний прогресс в технологии рекомбинантной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) способствовал развитию новых материалов для остеопластики, поскольку он позволил хирургам использовать биологические факторы роста в терапевтических количествах для облегчения регенерации.

В настоящее время существуют различные виды остеопластики в зависимости от типа используемых материалов. Развитие аллотрансплантатов, синтетических костных трансплантатов и новых оперативных методов улучшило результаты процедуры. Кроме того, продолжается использование аутотрансплантата — трансплантата ткани от одной части тела к другой, принадлежащий одному и тому же животному или человеку. Существует также изотрансплантат — материал, который взят от одного человека и трансплантируется другому генетически идентичному человеку, например, однояйцевому близнецу.

Трансплантация ткани между особями одного вида называется аллотрансплантацией (ранее известная как гомотрансплантация), тогда как трансплантация ткани между особями разных видов называется ксенотрансплантацией (ранее известная как гетеротрансплантация). Все эти процедуры широко применяются в современной клинической практике, в том числе для дентальной имплантации. Остеопластические материалы могут быть корковыми и губчатыми, они могут быть привиты от мертвых, живых людей или животных.

Существует много споров относительно трансплантации живой кости и ее способности выжить. Считается, что наибольшие шансы на успешную трансплантацию живой кости имеют губчатый аутотрансплантат и васкуляризованный кортикальный аутотрансплантат. Идеальный костный трансплантат или заменитель костного трансплантата должен иметь три жизненно важных элемента, включая остеокондуктивный матрикс, остеоиндуктивные свойства или факторы, а также живые остеогенные клетки.

Таким образом, во время трансплантации трансплантат должен проявлять следующие свойства:

• Остеогенная активность материала.

• Способность клеток трансплантата выживать и размножаться.

• Отсутствие иммунного ответа организма хозяина.

• Наличие каркаса для роста и развития новой костной ткани.

• Сродство, которое ткань-хозяин проявляет по отношению к имплантированной кости.

Среди многообразия материалов для остеопластики аутогенный губчатый костный трансплантат пока считается «золотым стандартом» трансплантации кости, поскольку он удовлетворяет всем трем атрибутам идеального костного трансплантата. Тем не менее, существует несколько потенциальных осложнений, связанных с аутогенной трансплантацией, таких как осложнения на донорском участке, ограниченная доступность кости и повышенная операционная кровопотеря.

Поэтому возникла потребность найти подходящие альтернативы, особенно когда требуется остеопластика на крупных дефектах. Все трансплантаты в конечном итоге заменяются тканью хозяина с помощью процесса, называемого ползучим замещением. Это процесс ремоделирования кости путем резорбции остеокластов и создания новых сосудистых каналов. Этот путь ведет к формированию прочной кортикальной кости из трансплантата. Соответственно, костный трансплантат способствует более быстрому процессу заживления кости, заполняя пустоты / поврежденные части, он обеспечивает остеокондуктивный каркас для роста кости-хозяина и нативные, остеоиндуктивные морфогенетические белки кости (BMP), которые привлекают остеобласты.

Таким образом, остеопластика — это важный метод, который помогает ускорить выздоровление пациентов, а также увеличивает шансы на успешный результат лечения костных дефектов разного размера. Эта статья освещает принципы, способы применения и развитие остеопластики за последние годы.

Современные принципы остеопластики

Наука об остеопластике значительно продвинулась, особенно за последние два десятилетия, с фундаментальным пониманием механизмов костного заживления, которое теперь включает принципы клеточной и молекулярной биологии. В настоящее время костные трансплантаты используются в реконструктивной ортопедии, от лечения простых переломов до обширных процедур восстановления конечностей и сложных реконструкций позвоночника.

На успешное внедрение трансплантата влияет несколько факторов, в том числе тип используемого остеопластического материала, место имплантации, методы хранения, местные и системные факторы, васкуляризация трансплантата, иммуногенетические взаимодействия хозяин-трансплантат, а также механические свойства кости, которые зависят от размера, формы и типа используемого трансплантата.

Требования к идеальному костному трансплантату или материалу для остеопластики:

• Остеокондуктивный каркас. Остеокондукция — это процесс инфильтрации капилляров, периваскулярной ткани, который включает стимуляцию остеопрогениторных клеток для дифференцировки в остеобласты с образованием новой кости. Этот процесс протекает с помощью медиаторов остеоиндуктивных клеток, называемых BMP.

• Остеоиндукция. Под этим термином подразумевают стимуляцию ткани к продукции остеогенных элементов. Данный процесс также контролируется факторами роста, такими как BMP, которые способны индуцировать дифференцировку мезенхимальных клеток в хрящевые и костные клетки.

• Остеогенез. Остеогенные клетки представляют собой клетки мезенхимального типа, которые можно вызвать в участок заживления из костного мозга хозяина или трансплантата. Эти клетки должны сохранять жизнеспособность.

Аутологичные губчатые костные трансплантаты обладают всеми атрибутами идеального материала для остеопластики, однако они не так часто используются в реальной практике из-за необходимости забора собственной кости. Гидроксиапатит (ГАП) и коллаген обеспечивают остеокондуктивный каркас и вызывают процессы регенерации. Несмотря на серьезные ограничения, аутогенный губчатый костный трансплантат в настоящее время считается «золотым стандартом» остеопластики.

Биологическая роль остеопластических материалов

Остеопластический материал помогает заполнить область, где отсутствует кость, и обеспечить структурную стабильность. Костные трансплантаты выполняют комбинированную механическую и биологическую функцию; в зависимости от желаемого клинического результата одна функция может быть важнее другой. Например, массивные костно-хрящевые трансплантаты в процедурах по восстановлению конечностей при опухолях выполняют преимущественно механическую опорную функцию.

Кроме того, аутогенный костный трансплантат, полученный из гребня подвздошной кости для заднебокового спондилодеза позвоночника, обеспечивает биологический стимул для образования новой кости с незначительной механической функцией или без таковой. На границах хозяин-трансплантат существуют сложные взаимоотношения, и для обеспечения желаемого клинического результата хирург должен представлять свойства как трансплантата, так и участка-реципиента. Более того, остеопластические материалы используются либо в различных блоках, либо в измельченном виде, чтобы он мог лучше адаптироваться к дефекту.

Васкуляризованные трансплантаты из малоберцовой кости использовались для восстановления целостности длинных трубчатых костей конечностей, для замены сегментов кости после травмы или инвазии злокачественной опухоли. Надкостница и питательная артерия обычно удаляются вместе с кусочком кости, чтобы трансплантат оставался живым и развивался при пересадке на новый участок. Как только пересаженная кость закреплена в новом месте, сосуды обычно восстанавливают доставку крови и питание.

Наиболее широкой областью применением остеопластики является установка зубных имплантатов для восстановления отсутствующего зуба. Кроме того, остеопластика активно используется для сращивания суставов и предотвращения движения в пораженных сегментах, заживления переломов и восстановления объема после удаления опухолей.

Таким образом, биологическими механизмами, которые служат обоснованием для проведения остеопластики, являются остеогенез, остеоиндукция, остеокондукция и механическая поддержка во время восстановления кости.

Остеогенез

Остеогенез — это развитие и формирование кости из клеток, полученных либо из трансплантата, либо из организма-хозяина. Обработка трансплантатов и выживание клеток (кортикальные и губчатые трансплантаты) являются наиболее важной начальной фазой восстановления и ремоделирования кости. В отличие от других трансплантатов, губчатые трансплантаты имеют большую площадь поверхности, состоящую из интимной трабекулярной структуры, выстланной остеобластами, что делает их более привлекательными в местах формирования полноценной новой кости.

Кроме того, концепция остеогенеза обеспечивает биологическое обоснование декортикации для спондилодеза. Обнажение интрамедуллярного пространства поперечных отростков, пластинки и ножек с помощью фрезы открывает локальный костный мозг до места сращения. Затем элементы костного мозга обеспечивают слияние остеоиндуктивными белками, потенциальными остеогенными клетками и биологическими факторами, которые доставляются местным кровоснабжением.

Остеоиндукция

Остеоиндукция — это процесс, с помощью которого мезенхимальные стволовые клетки (МСК) в участке дефекта и вокруг него рекрутируются для последующей дифференцировки в хондробласты и остеобласты. Рекрутирование и дифференциация регулируются введением факторов роста, полученных из матрикса, активность которых запускается при удалении костного минерала.

Эти факторы роста включают костные морфогенетические белки ВМР-2, ВМР-4 и ВМР-7, которые являются членами суперсемейства трансформирующих факторов роста бета. Другие факторы, участвующие в формировании кости, включают митогены, такие как факторы роста тромбоцитов, интерлейкины, факторы роста фибробластов, инсулиноподобные факторы роста и колониестимулирующие факторы гранулоцитов-макрофагов. Также высвобождаются ангиогенные факторы, такие как факторы роста сосудистого эндотелия.

Остеокондукция

Остеокондукция представляет собой процесс роста костной ткани на поверхности имплантированного материала, обеспечивающий возможность колонизации новых клеток, роста костей и образования сосудов (васкуляризации). Этот каркас позволяет формировать новую кость по предсказуемой схеме, определяемой биологией трансплантата и механической средой на границе раздела трансплантат-хозяин.

Для успешной остеопластики недостаточно только остеогенной активности и образования кости. Новая кость должна быть равномерно распределена в объеме трансплантата и должна соединиться с местной костью-хозяином. Отторжение графта приводит к прерывистому формированию кости без достаточной механической прочности для поддержания функции.

Механическая поддержка

Материалы для остеопластики, помимо заполнения крупных дефектов, обеспечивают механическую поддержку пораженной кости. Кроме того, материал должен быть стабилизирован компрессией на границе раздела, с использованием жесткой внутренней фиксации.

Существует несколько потенциальных осложнений остеопластики, которые зависят от типа используемого материала:

• Хирургические осложнения при получении кости для аутотрансплантации.

• Иммуноопосредованное отторжение аллотрансплантатов и аллоимплантатов.

• Передача инфекционных агентов с аллотрансплантатами и ксенотрансплантатами.

• Кровотечение, инфекция и нестабильность в участке имплантации материала.

Соответственно, подготовка участка имплантации критически важна для успеха процедуры остеопластики, поэтому необходимо строгое соблюдение хирургических принципов. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить адекватный контакт поверхности между трансплантатом и реципиентом без вмешательства мягких тканей.

Чрезмерное использование расширителя или фрезы может вызвать чрезмерное тепловыделение, что приведет к некрозу в области имплантации. Необходимо приложить усилия для сохранения остеогенности аутотрансплантатов, включая сокращение времени от получения кости до имплантации, хранение материала в закрытых контейнерах и поддержание гидратации.

Виды материалов для остеопластики и их источники

Классификация материалов для остеопластики основана на источнике, и эти знания необходимы для понимания показаний, функций, биологии и противопоказаний различных типов костных трансплантатов. Сегодня известны следующие типы материалов:

• Аутотрансплантат: костный материал для трансплантации в пределах одного организма.

• Аллотрансплантат: костный материал для трансплантации от одного человека к другому одного и того же вида.

• Ксенотрансплантат: костный материал для трансплантации представителям другого биологического вида.

• Изотрансплантат (сингенный трансплантат): материал для пересадки между двумя генетически идентичными людьми.

• Синтетический костный материал, разработанные с целью создания замены трансплантатов при остеопластике.

Среди остеопластических материалов также выделяют обширную группу аллоимплантатов — это нежизнеспособные трансплантаты, которые обеспечивают фундамент (каркас) и биологические факторы роста, но не содержат живых клеток.

Что касается структуры материала, то губчатая кость (пористость 30-90%) обладает большей остеогенной способностью. Кортикальные фрагменты кости (пористость 5-30%) обычно используются для обеспечения стабильности. Аутогенный / аспирированный костный мозг используется для получения живого недифференцированного мезенхимального вещества. Губчато-кортикальные материалы для остеопластики представляют собой комбинацию кортикального слоя и губчатого вещества кости. Костно-хрящевой трансплантат представляет собой материал для лечения повреждений хряща. Также остеопластические материалы различают по форме и размеру частицы (фрагменты, клинья, костные чипсы, костная крошка), каждый из которых имеет свои преимущества.

Свободные трансплантаты не васкуляризированы, а потому зависят от местной среды и врастания новых сосудов. Васкуляризованные трансплантаты — это сегменты кости, удаленные вместе с сосудами и помещенные с анастомозом. Накладные трансплантаты представляют собой костные трансплантаты, накладываемые на внешнюю сторону кости-реципиента. Вкладышевые (inlay) трансплантаты — это кортикальные части кости, используемые для вкладыша в длинных костях. Ортотопические трансплантаты представляют собой трансплантаты, перенесенные на тот же или аналогичный анатомический участок в организме другого человека, в то время как гетеротопические трансплантаты помещаются в неподходящее место или положение.

Отдельно стоит упомянуть деминерализованные костные трансплантаты, представляющие собой специализированный продукт, получаемый путем выщелачивания минералов из кости и содержащий коллаген I типа, неколлагеновые белки и определенное количество остеоиндуктивных факторов роста, таких как BMP, инсулиноподобный фактор роста (IGF), трансформирующий фактор роста-бета.

Аутотрансплантаты

Аутологичный или аутогенный трансплантат в остеопластике — это костный материал, полученный из одной точки и пересаженный в другую точку на теле одного и того же человека. Трансплантаты такого типа можно получать из гребня подвздошной кости, симфиза нижней челюсти (область подбородка) и передней ветви нижней челюсти (венечный отросток).

Аутотрансплантат является наиболее предпочтительным вариантом при применении техники блочного трансплантата, поскольку несет меньший риск отторжения благодаря его иммунологической совместимости. Кроме того, аутотрансплантат обладает остеоиндуктивными, остеогенными и остеокондуктивными свойствами, соответствуя всем современным требованиям к идеальному материалу.

Однако аутологичные трансплантаты нуждаются в дополнительном хирургическом участке, а это вызывает у пациента значительные опасения по поводу послеоперационной боли и осложнений. Все пересаженные кости нуждаются в восстановлении кровоснабжения в месте трансплантации. В зависимости от участка и размера трансплантата может потребоваться дополнительное кровоснабжение. Для этих типов трансплантатов требуется так называемый свободный лоскут, который получается путем извлечения части надкостницы и сопутствующих кровеносных сосудов вместе с донорской костью.

Аллотрансплантаты

Аллотрансплантаты можно получить от живых доноров одного вида или от трупов. В отличие от аутотрансплантатов, аллотрансплантаты происходят от неродственного организма, а потому они несут риск иммунологической несовместимости и требуют специальной обработки. Доступны три типа костного аллотрансплантата, включая свежую или свежезамороженную кость, сублимированный костный аллотрансплантат (FDBA) и деминерализованный сублимированный костный аллотрансплантат (DFDBA).

Аллотрансплантаты следует собирать из здоровой кости, и использование аллотрансплантатов для остеопластики требует стерилизации и дезактивации белков. Внеклеточный матрикс костной ткани содержит различные типы факторов роста костей, белки и другие биоактивные материалы, необходимые для остеоиндукции и успешного заживления костей. Кроме того, желаемые факторы и белки удаляются из минерализованной ткани с помощью деминерализующего агента, такого как соляная кислота. Минеральное содержание такой кости ухудшается, а остеоиндуктивные агенты остаются в деминерализованном костном матриксе (DBM).

Ксенотрансплантаты

Ксенотрансплантаты — это костные трансплантаты, полученные от других биологических видов. В клинической практике чаще всего используются ксеногенные материалы для остеопластики, производимые их кости крупного рогатого скота в виде кальцифицированного матрикса, значительно реже применяют материалы из кости свиней и лошадей.

Преимущества ксенотрансплантатов включают:

• Отсутствие этических проблем, поскольку трупная кость не используется.

• Доступность и возможность производства материала в огромных масштабах.

• Давняя история применения и научно задокументированный успех.

• Самостоятельное использование при небольших костных дефектах.

• Хорошая интеграция в кость хозяина.

Однако ксеноматериалы для остеопластики имеют и ряд недостатков, среди которых ограниченная эффективность при лечении крупных дефектов кости (требует введения дополнительных материалов), а также неполная резорбция — иногда части трансплантата остаются на долгие годы. Кроме того, высказываются опасения по поводу передачи инфекций при использовании продуктов низкого качества.

Биологические факторы роста

Остеопластические материалы, усиленные факторами роста, сегодня производятся с использованием технологии рекомбинантной ДНК. Они могут состоять из BMP и других биоактивных молекул в сочетании со средой-носителем, такой как коллаген. Эти факторы и белки, существующие в кости, отвечают за регулирование клеточной активности.

В частности, факторы роста связываются с рецепторами на поверхности клеток и стимулируют превращение внутриклеточной среды. Как правило, эта активность транслируется в протеинкиназу, которая индуцирует транскрипцию матричной рибонуклеиновой кислоты (мРНК) и приводит к образованию белка, который будет использоваться внутриклеточно или внеклеточно.

Сочетание и одновременное воздействие нескольких факторов приводит к контролируемому образованию и резорбции кости. Эти факторы, находящиеся во внеклеточном матриксе кости, включают TGF-бета, инсулиноподобные факторы роста I и II, тромбоцитарный фактор роста (PDGF), факторы роста фибробластов (FGF) и костные морфогенетические протеины (BMP).

Остеопластические материалы на основе клеток

Стволовые клетки культивируют в присутствии различных добавок, таких как дексаметазон, аскорбиновая кислота и глицерофосфат, чтобы направить недифференцированную клетку в сторону линии остеобластов. Добавление TGF-бета и BMP-2, BMP-4 и BMP-7 в культуральную среду также может влиять на стволовые клетки в направлении остеогенного происхождения. Мезенхимальные стволовые клетки засеиваются на биоактивную керамику, кондиционированную для ускоренной дифференциации остеобластов.

Синтетические материалы для остеопластики

Композитный гидроксиапатит (ГАП) имеет соотношение минералов и органических веществ в матрице примерно такое же, как у натуральной человеческой кости. В зависимости от растворимости в физиологической среде, синтетическая кость может быть получена из керамики, такой как фосфаты кальция и трикальцийфосфат, сульфата кальция и биологически активного стекла. Эти материалы сочетаются с факторами роста, ионами, такими как стронций, или совмещаются с аспиратом костного мозга для увеличения их биологической активности. Присутствие таких элементов, как стронций, может вести к повышению минеральной плотности костной ткани (МПК) и усилению пролиферации остеобластов, что подтверждается многочисленными научными исследованиями.

Заменители кости на основе полимеров можно разделить на натуральные полимеры и синтетические полимеры. Кроме того, они подразделяются на разлагаемые и неразлагаемые типы. В данной группе есть продукты на основе натурального полимера и полимерно-керамического композита из коллагеновых волокон, покрытых гидроксиапатитом, а также материалы на основе инъекционной смолы, предназначенные для использования в участка кости, несущих нагрузку (например, позвоночник).

Остеопластические материалы на основе керамики

Большинство доступных костных материалов включают керамику, либо отдельно, либо в сочетании с другим материалом, таким как сульфат кальция, биоактивное стекло и фосфат кальция. Эти вещества заслуживают особого внимания специалистов.

Фосфат кальция — это керамический гидроксиапатит кальция, обладающий остеокондуктивными и остеоинтеграционными, а в некоторых случаях остеоиндуктивными свойствами. Он требует высоких температур для формирования каркаса и является относительно хрупким.

Сульфат кальция также известен как парижский гипс; он биосовместим, биологически активен и рассасывается через 30-60 дней. Однако применение этого материала вызывает сомнения из-за низкой механической прочности — это точно не выбор для нагруженных участков.

Биоактивное стекло (биостекло) — это стекло на силикатной основе, имеющее и хрупкий характер. Состоит из натрий-кальциевых солей, фосфатов и диоксида кремния; используется в комбинациях с полиметилметакрилатом для образования биоактивного костного цемента и облегчает химическое связывание имплантатов с окружающей костью.

Существуют различные типы фосфатов кальция, такие как трикальцийфосфат, синтетический гидроксиапатит и кораллин-гидроксиапатит; они доступны в виде паст, шпатлевок, твердых матриц и гранул. Когда материал вступает в контакт с тканевыми жидкостями, поверхность частиц покрывается гидроксилкарбонатапатитом, включает гликозаминогликаны и привлекает в зону дефекта остеобласты.

Модификация материалов для улучшения результатов остеопластики

Научные исследования последних лет сосредоточены на понимании механизмов заживления кости, эффекта иммунного ответа и роли эндогенных факторов роста в манипулировании и усилении процесса заживления костей. Прочность кости определяется балансом двух противоположных процессов: остеобластического образования кости и остеокластической резорбции. Повышенное механическое напряжение сдвигает этот баланс в сторону образования, а отсутствие нагрузки и хронические заболевания сдвигают его в сторону рассасывания костной ткани.

В ходе исследований Были сформулированы два механизма регуляции образования и резорбции костей: системная регуляция кальцием и фосфат-регулирующими гормонами (например, паратироидным гормоном, витамином D, кальцитонином) и местная регуляция.

Некоторые вещества, способствующие росту, участвуют в локальной регуляции, выявлены на месте переломов. Эти вещества можно разделить на две группы: пептидные сигнальные молекулы (обычно называемые факторами роста) и иммуномодулирующие цитокины, такие как интерлейкин-1 и интерлейкин-6. Известно, что пептидные факторы оказывают множественное действие на клетки.

Пептидные факторы включают BMP, TGF-I, тромбоцитарный фактор роста, факторы роста фибробластов, IGF-I и IGF-II, микроглобулин, остеогенный пептид роста и гематопоэтические факторы, в том числе лимфокины и монокины. Рекомбинантная технология уже сделала возможной изоляцию и выработку индивидуальных факторов для ускорения заживления костных дефектов.

Будущее остеопластики определенно заключается в совместном использовании натуральных или синтетических костных материалов в различных комбинациях с биологически активными молекулами, делающими восстановление кости быстрее, эффективнее и безопаснее.