Инфекционно-воспалительные и деструктивные изменения в периодонтальной комплексе приводят к быстрой потере зубов, изменению альвеолярной кости, нарушению функции жевания, дисфункции других органов и систем и даже к изменению психического статуса пациента.

Поэтому в настоящее время поиск новых остеопластических материалов для периодонтальной хирургии приобретает огромное значение для эффективного лечения и устранения дефектов челюстей. Скаффолд-материалы должны выполнять функцию скаффолда (англ. scaffold – строительные леса), то есть матрицы для заполнения клетками и формирования костной ткани.

Проблема регенерации костной ткани

Успех проведенной операции по устранению дефекта костной ткани зависит от большого количества факторов. Важную роль в этом направлении играют новые экспериментальные исследования и углубленные фундаментальные знания биохимических реакций организма, функций клеток и тканей.

Альвеолярный отросток следует рассматривать как комплекс гармонично взаимодействующих периоста, хряща, кости, сосудов и нервов.

Костная ткань лунок состоит из компактной и губчатого вещества. Костномозговые полости различных размеров заполнены жировой тканью. Основу костной ткани составляет белок — коллаген. Особенностью костного матрикса является высокое содержание лимонной кислоты, необходимой для минерализации, а также ферментов щелочной и кислой фосфатазы, участвующих в образовании костной ткани.

Ход костных трабекул должен соответствовать направлению сил, действующих на кость. Было установлено, что доля компактного слоя альвеолярного отростка нижней челюсти составляет 50,1%, а губчатого 49,9%. Альвеолярный же отросток имеет около 27-30% компактного и 70-72% губчатого слоя, соответственно.

Основными составляющими кости являются органический матрикс, минеральный компонент и клетки. Органический компонент составляет 35% сухой массы кости и включает в себя коллагеновую матрицу (преимущественно коллаген I типа, и неколлагеновые белки: остеокальцин, остеонектин, остеопонин, сиалопротеин).

Минеральный матрикс составляет 60-70% сухой массы кости и состоит из кристаллов гидроксиапатита. У зубов, которые не выполняют жевательной функции, не только уменьшается количество костных трабекул, но и атрофируется сама зубная лунка.

Атрофия костной ткани наблюдается после потери одного или нескольких зубов, у людей в возрасте старше 60 лет, а также при многих патологических состояниях (пародонтоз, периодонтит). Атрофия после удаления зубов возникает практически сразу и сначала проявляется в уменьшении высоты ячейки зуба на 1/3, а дальше протекает более медленно.

Нормальное функционирование костной ткани поддерживается за счет ремоделирования. Метаболические процессы в костной ткани постоянные, а число участков ремоделирования может достигать миллиона в одной кости.

Физиологическая регенерация костной ткани почти постоянна в трех участках: периосте, эндосте и гаверсовых каналах, где она ориентирована на обновление кристаллов гидроксиапатита. Считается, что движущими силами для структурной перестройки кости являются изменения функции и нагрузки, изменения в гормональном и метаболическом состоянии.

В формировании внутренней структуры кости определенную роль играют не только механические факторы, но и остальные действия со стороны организма хозяина. Важное место в репаративной регенерации альвеолярной кости принадлежит надкостнице, которая выполняет функции питания, образования и регенерации костной ткани (за счет внутреннего слоя), защищает кость и придает ей устойчивость (за счет внешнего волокнистого слоя).

На внутренней поверхности остеогенного слоя периоста, как и на поверхности самой кости, находятся клетки-предшественницы (мезенхимальные, плюрипотентные или стволовые клетки); из них за 3-5 день образуются остеобласты, хондробласты и фибробласты.

Регуляция остеогенеза и кальциево-фосфорного обмена в альвеолярной кости принято подразделять на несколько уровней: генетический, эпигенетический, системный и локальный.

Системная регуляция осуществляется за счет гормонов и гормоноподобных веществ. Локальная поддерживается микроокружением цитокинов (фактора роста и дифференцировки), межклеточных контактов. В периодонтальной хирургии врачу важно иметь базовые знания о костной ткани, ее нормальном строении, изменениях при патологических процессах.

При локальной анестезии стоматолог должен учитывать различную плотность альвеолярной кости и учитывать степень инфильтрации тканей анестетиком, а при удалении зуба следует определять уязвимые к переломам участки.

Толщина компактной пластинки лунки равна 0,1-0,5 мм и зависит от порядка сегмента и уровня зуба. Считается, что надкостнично-альвеолярный комплекс челюстей имеет не только более интенсивную физиологию по сравнению с другими костями человеческого организма, но и быстрее реагирует на метаболические и механические изменения.

Комплексные структурные нарушения (масса, качество и распределение) и субоптимальные нагрузки на костную ткань являются предпосылками для плохой регенерации и неудачи последующей имплантации.

На конечный результат оперативного вмешательства влияют:

• потенциал материала имплантата;

• метаболический статус реципиентного ложа;

• перенесенная хирургическая травма;

• метаболизм в зоне регенерации после вмешательства.

Покрывающие альвеолярную кость мягкие ткани имеют неодинаковый репаративный потенциал, могут неоднократно травмироваться и нуждаются в восстановлении, чтобы могли противостоять агрессивной среде полости рта.

Одной из особенностей вмешательств в челюстно-лицевой области является предварительная инфицированность патологического очага. Так, при наиболее распространенном и достаточно тяжелом для лечения деструктивном процессе в альвеолярной кости при поражении периодонта с развитием очагов в области верхушки корня, на боковых поверхностях и в межкорневом пространстве, необходимо определить наличие внутриканальной и внеканальной инфекции.

Внеканальная инфекция возникает под воздействием микроорганизмов, которые выживают в цементных лакунах на поверхности корней, попав из микробных бляшек и инфицированных стружек.

На сегодняшний день известно по крайней мере два микроорганизма, выживают за апексами корней — это P. Propionicus и A. Israeli. Длительный бессимптомный период формирования таких деструктивных очагов существенно изменяет свойства окружающих тканей и делает их в дальнейшем малопригодными для полноценной регенерации.

Так, инфицированность костных полостей при лечении кистозных новообразований челюстей варьирует от 36% до 87%. Наличие инфекционного начала и воспалительного процесса в реципиентном участке остеопластических материалов сопровождается, помимо прочего, тканевой гипоксией, и значительно ухудшает репаративные возможности.

Гистобиохимическая схема ремоделирования костной ткани достаточно сложная и полностью еще не изучена. Все клетки связаны между собой множеством химических соединений. Механизмы физиологической и репаративной регенерации костной ткани едины, однако репаративная регенерация считается усиленным вариантом физиологической.

Если физиологическая регенерация включает стадии покоя, активации, резорбции, реверсии и формирования костной ткани, то репаративный процесс включает аутолиз, пролиферацию и дифференцировку с дальнейшей перестройкой костной ткани и полным восстановлением.

С точки зрения практической периодонтальной хирургии, наиболее понятна схема репаративной регенерации по Котельникову и Миронову:

1. Формирование гематомы (стадия альтерации): активация свертывания крови, формирование временного фибринового матрикса, высвобождение сигнальных молекул и активация макрофагов (остеокластов).

2. Фаза острого воспаления: последовательная инфильтрация нейтрофилами и макрофагами, фагоцитоз некротических тканей фибринового матрикса, выброс провоспалительных цитокинов, хемокинов, факторов роста, активация МСК, остеопрогениторных клеток и клеток фибробластического пула.

3. Формирование грануляционной ткани: активная упреждающая пролиферация остеопрогениторных клеток, образование незрелого фиброзного экстрацеллюлярного матрикса, ангиогенез.

4. Образование костной мозоли, или первичного регенерата: дифференциация клеток-предшественниц в хондроциты в центральной зоне, дифференциация клеток-предшественниц в остеобласты, формирование ретикулофиброзной костной ткани, восстановление надкостницы, апоптоз хондроцитов и кальцификация регенерата, врастание сосудов и замещение хондроида.

5. Ремоделирование: появление клеток-хондрокластов и остеокластов, рассасывание хряща и первичной костной мозоли, восстановление гаверсовой и фолькмановской системы, а также поверхности поврежденной кости и остеогенного слоя надкостницы.

В свете этого становится понятным использование в остеоинженерии комбинации скаффолдов и компонентов аутокрови — биологически активных материалов, которые включаются в репаративный метаболизм костной ткани.

Роль скаффолдов, компонентов аутокрови и остеопластических материалов в периодонтальной хирургии

Скаффолды — это клеточные матрицы, которые вводятся с целью регенерации костей. Они используются в сочетании с биологическими носителями, которые ускоряют процессы заживления и регенерации костной ткани. Например, богатая тромбоцитами плазма (platelet-richplasma, PRP) или гель (PRG), PRP-коллагеновый комплекс, раствор гиалуроновой кислоты, гидрогель-водный раствор полиетиленгликоль-диакрилата, содержащих факторы роста и / или ВМР-2 и / или стволовые клетки.

PRP и PRG можно получить прямо в операционной методом забора венозной крови и немедленного центрифугирования: из пробирки выходит плазма крови, гель и плотные мембраны после сжатия геля.

PRP содержит тромбоциты в различной концентрации, которые, кроме непосредственного участия в гемостазе и коагуляции, несут альфа-гранулы. После активации тромбоцитов происходит процесс дегрануляции с выделением факторов роста PDGF, TGF-E1, VEGF и ряда биологически активных молекул: эндостатинов, ангиопоэтинов и тромбоспондина I.

Активированные тромбоциты вызывают анальгезирующее действие путем высвобождения специфических пептидов протеазных рецепторов. Помимо тромбоцитов, PRP содержит собственно плазму, богатую фибрином и цитокинами для стволовых клеток или мигрирующих фибробластов. Следовательно, плазма выполняет функцию «биологического клея».

Факторы роста действуют по-разному, обеспечивая три главных эффекта:

• Запускают пролиферацию и дифференциацию различных типов клеток (фибробласты, хондроциты и другие клеточные элементы).

• Усиливают продукцию клеточного матрикса (коллаген, протеогликаны).

• Стимулируют ангиогенез и хемотаксис.

Использование PRP-PRG со скаффолдамы крайне разнообразное: от простого замачивания трансплантата в растворе РRP перед его внесением в костную рану до введения в реципиентное ложе при помощи инъекции.

Применение богатой тромбоцитами плазмы представляется безопасным и выполнимым, может оказывать благоприятное терапевтическое воздействие, особенно на ранних стадиях формирования кости.

Инновационным направлением в восстановлении костной ткани считается поиск специализированных биосовместимых и биодеградируемых композитных остеопластических материалов. Эти материалы должны имитировать строение и функцию костной ткани, обеспечивать механическую поддержку, дифференциацию и пролиферацию клеток, управлять структурой и функциональностью новой костной ткани.

Эта стратегия включает в себя три основных блока — клетки, матрицы (скаффолд-материалы) и остеоиндуктивные ростовые факторы.

Кроме того, при рассмотрении костной ткани как нанокомпозитные структуры, изменились требования и к скаффолдам — они рассматриваются как наноструктуры, которые могут индуцировать или усиливать остеогенез благодаря формированию клеточных ниш на наноуровне.

Пористость и размеры пор сильно влияют на межклеточное взаимодействие, способствуют плотности заселения клеток в матрице, их распространению и миграции, изменению сигнальной дистанции.

Быстрая васкуляризация чрезвычайно важна для роста костной ткани в имплантированном скаффолд-материале. Клетки, имплантированные в матрицу, теряют жизнеспособность без крови и питания. Проблема заключается в том, что кислород и питательные компоненты передаются на дистанцию около 200 мкм, поэтому васкуляризация крайне необходима даже для малых матриц, определяя в конечном итоге механизм формирования кости.

Не менее важным является влияние пор скаффолда на межклеточные взаимодействия. Сейчас существует колоссальное разнообразие природных и синтетических остеопластических материалов, которые изучали для применения в тканевой инженерии. Преимуществом новых синтетических полимеров является возможность оптимизации их механических свойств.

Этими свойствами можно манипулировать разными способами, чаще всего путем сополимеризации или внедрения другой архитектуры. Способность к распаду полимерного биоматериала, контроль скорости и степени распада имеет решающее значения для успеха лечения.

На растворимость влияют многие факторы, такие как химическая структура, состав сополимера, архитектура, молекулярная масса, морфология, площадь поверхности и характер среды.

Сегодня внимание челюстно-лицевых хирургов переключается на использование аллогенных и ксеногенных материалов, где эффект достигается за счет пассивной стимуляции остеогенеза, то есть ткань только «опирается» на каркас, постепенно замещая дефект одновременно с поступательной биорезорбцией остеопластического материала.

В целом можно выделить три основные группы веществ, применяемых промышленностью для изготовления скаффолдов:

• Натуральные полимеры: коллаген, полипептиды, полисахариды, альгинат, агароза, фиброин, фибронектин, хитозан, сложные полиэфиры, а также их комбинации различного состава.

• Синтетические полимеры: биоразлагаемые (полилактид, полигликолид, их сополимеры, поликапролактон, полицианоакрилат) и неразлагаемые (поливиниловый спирт, поликапролактон).

• Керамические материалы, которые включают обширную группу инертных и полуинертных материалов керамической природы.

В тканевой инженерии наиболее часто встречаются такие керамические материалы, как гидроксиапатит, трикальцийфосфат, биоактивное стекло различного состава. Все материалы данной группы демонстрируют отличную биосовместимость за счет их присутствия в минеральной фазе костной ткани.

Чаще всего для оптимизации параметров и получения нужных характеристик матриц при изготовлении комбинируют несколько материалов, которые имеют различные физико-химические и биологические свойства.

Вторым шагом после подбора материала является принятие решения об использовании того или иного метода получения скаффолдов с определенными свойствами. В настоящее время существует огромное количество технологий, позволяющих получать матрицы нужной формы, размера и состава.

Классификация методов производства скаффолд-материалов:

1. Методы, основанные на использовании растворителей или высоких температур: электроспиннинг, фазоразделение, лиофилизация, газовое вспенивание, выщелачивания и так далее.

2. Быстрое прототипирование: лазерная стереолитография (включая двухфотонную фотополимеризацию), селективное лазерное спекание, моделирование методом наплавления, 3D-печать и другие.

Отдельно заслуживают внимания материалы из кальций-фосфатов в различной комбинации составов: от трикальцийфосфата в чистом виде до гидроксиапатита в чистом виде. Известны материалы биологического и синтетического происхождения, а также их смеси различных составов.

Важной задачей тканевой инженерии является включение биоактивных веществ в структуру скаффолда для медленного их высвобождения в ходе биорезорбции.

Первый вариант доставки ростовых факторов включает их непосредственное инкорпорирование в структуру скаффолда. Для этого белки иммобилизируют через ковалентное или нековалентное связывание с полимером матриц.

Второй вариант заключается в инкапсуляции ростовых факторов в системе лекарственной доставки (микросферы, липосомы, гидрогели). Результаты комплексного использования различных технологий получения скаффолдов, работы с клеточными системами и стимулирование остеогенеза убедительно свидетельствуют, насколько значимым для успешного решения таких масштабных проблем является объединение большого числа междисциплинарных наук.

В настоящее время требуется проведение дальнейших исследований с целью повышения качества, доступности и расширения сферы применения данных биосистем. Также важно получение данных об отдаленных результатах применения, проведение клинических исследований и разработка схем рационального их внедрения в клиническую практику.

Заключение

В основе физиологического и репаративного остеосинтеза, а также адаптивной функциональной и посттравматической перестройки костной ткани лежат одни и те же стереотипные клеточно-молекулярные процессы.

Применение модифицированных остеопластических материалов для периодонтальной хирургии, а также костных морфогенетических белков, факторов роста и методов тканевой инженерии при замещении дефектов костной ткани ускоряет процесс репаративного остеогенеза и приводит к значительному улучшению результатов лечения.

Преимуществом перечисленных технологий является стимуляция остеогенеза на всех уровнях, сочетание высокого остеоиндуктивного и остеокондуктивного эффекта, полная биосовместимость, а также биодеградации материала из организма пациента без токсических воздействий.