Кісткової і Клітинних імплантатів для ЗАМІЩЕННЯ ДЕФЕКТІВ КІСТКИ

1. бібліографічна ПОСИЛАННЯ

1 Предеин Ю.А. 1 Реріх В.В. 1, 2

1 ФГБУ «Новосибірський науково-дослідний інститут травматології і ортопедії ім. Я.Л. Цив'яна »МОЗ Росії

2 Федеральне державне бюджетне освітня установа вищої освіти «Новосибірський державний медичний університет» Міністерства охорони здоров'я Російської Федерації

В даному огляді розглянуто сучасні способи заміщення кісткових дефектів, в основі яких лежить використання імплантатів, мультіпотентних мезенхімальних стромальних клітин і біоактивних речовин. Тканеінженерной конструкції розглянуті як альтернатива Аутопластика, яка є золотим стандартом при заміщенні дефектів кістки. Виявлено переваги і недоліки використовуваних пластичних матеріалів для заміщення кісткових дефектів при реконструктивних операціях на опорно-руховому апараті. Особливе значення надається актуальному на сьогоднішній день напрямку - використання мультіпотентних мезенхімальних стромальних клітин, які є найбільш поширеними клітинами, застосовуваними для регенерації кісткової тканини. А також описані деякі джерела їх виділення і способи диференціювання мультіпотентних мезенхімальних стромальних клітин в Остеогенні напрямку. Описано досвід використання методів тканинної інженерії із застосуванням клітинних конструкцій для корекції патології опорно-рухового апарату.

імплантат

дефект кісткової тканини

клітинні технології

лікування

хірургія

кістка

тканинна інженерія

1. Дєєв Р.В. Результати трансплантації культури аутогенних стромальних клітин кісткового мозку в область крайового дефекту довгих трубчастих кісток / Дєєв Р.В., Цупкіна Н.В., Іванов Д.Є. та ін. // Травматологія і ортопедія Росії. - 2007. - № 2 (44). - С. 57-63.

2. Зайдман А.М. Культура хондробластов як потенційне джерело для тканинної інженерії при пошкодженнях і захворюваннях хребта / Зайдман А.М., Сахаров А.В., Колокольцева Т.Д. // Хірургія хребта. - 2004. - № 4. - С. 115-121.

3. Зайдман А.М., Тихонов В.М. Використання хондротрансплантата від міні-свиней для міжвидової репаративної регенерації кісткової тканини // Біомедицина. - 2011. - № 4. - С. 34-36.

4. Зайдман А.М. Тривимірний хондротрансплантат - пластичний матеріал для заміщення дефектів кісткової тканини / Зайдман А.М., Щелкунова Є.І., Строкова Е.Л., Корель А.В., Рахматіллаев Ш.Н., Шевченко А.І. // Хірургія хребта. - 2012. - № 4. - С. 65-72.

5. Зорін В.Л. Спосіб відновлення цілісності дефектів довгих трубчастих кісток з використанням мезенхімальних стовбурових клітин / Зорін В.Л., Крашенинников М.Є., Фролов В.І. та ін. // Вісник трансплантології і штучних органів. - 2004. - № 1. - С. 37-40.

6. Фатхудинов TX Особливості репаративного остеогенезу при трансплантації мезенхімальних стовбурових клітин / Фатхудинов TX, Гольдштейн Д.В., Пулін А.А. та ін. // Бюлетень експериментальної біології. - 2005. - Т. 140, № 7. - С. 109-113.

7. Arinzeh TL Allogeneic mesenchymal stem cells regenerate bone in a critical-sized canine segmental defect / Arinzeh TL, Peter SJ, Archambault MP, van den Bos C., Gordon S., Kraus K., Smith A., Kadiyala S. / / J Bone Joint Surgery. - 2003. - № 85-A. - P. 1927-1935.

8. Banwart JC Iliac crest bone graft harvest donor site morbidity. A statistical evaluation / Banwart JC, Asher MA, Hassanein RS // Spine. - 1995. - № 20. - P. 1055-1060.

9. Baskin DS A prospective, randomized, controlled cervical fusion study using recombinant human bone morphogenetic protein-2 with the CORNERSTONE-SR allograft ring and the ATLANTIS anterior cervical plate / Baskin DS, Ryan P., Sonntag V., Westmark R., Widmayer MA // Spine. - 2003. - № 28. - P. 1219-1224.

10. Bhumiratana S., Vunjak-Novakovic G. Concise review: personalized human bone grafts for reconstructing head and face. // Stem Cells Translational Medicine. - 2012. - № 1 (1) - Р. 64-69.

11. Birmingham E. Osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells is regulated by osteocyte and osteoblast cells in a simplified bone niche / Birmingham E., Niebur GL, McHugh PE, Shaw G., Barry FP, McNamara LM // European Cells and Materials. - 2012. - № 23. - Р. 13-27.

12. Burkus JK Use of rhBMP-2 in combination with structural cortical allografts: clinical and radiographic outcomes in anterior lumbar spinal surgery / Burkus JK, Sandhu HS, Gornet MF, Longley MC // J. Bone and Joint Surgery. - 2005. - Vol. 87A. N 6. - P. 1205-1212.

13. Cornell CN, Lane JM Current understanding of osteoconduction in bone regeneration. // J Clinical Orthopaedics and Trauma. - 1998. - № 355. - P. 267-273.

14. Di Bella C. Historical review of bone prefabrication / Di Bella C., Lucarelli E., Donati D. // La Chirurgia degli organi di movimento. - 2008. - № 92. - Р. 73-78.

15. Dimar JR 2nd. Two-year fusion and clinical outcomes in 224 patients treated with a single-level instrumented posterolateral fusion with iliac crest bone graft / Dimar JR 2nd, Glassman SD, Burkus JK et al. // Spine. - 2009. - № 9. - Р. 880-885.

16. De Long WG Bone grafts and bone graft substitutes in orthopaedic trauma surgery / De Long WG, Einhorn TA, Koval K., McKee M., Smith W., Sanders R., Watson T. // Bone and Joint Surgery. - 2007. - № 89. - Р. 649-658.

17. Ebraheim NA Bone-graft harvesting from iliac and fibular donor sites: techniques and complications / Ebraheim NA, Elgafy H., Xu R. // Аmerican academy orthopaedic surgery. - 2001. - № 9. - Р. 210-218

18. Flynn L., Prestwich GD, Semple JL, Woodhouse KA Adipose tissue engineering with naturally derived scaffolds and adipose derived stem cells / Flynn L., Prestwich GD, Semple JL, Woodhouse KA // Biomaterials. - 2007. - № 28. - Р. 3834-3842.

19. Folkman J. Self regulation of growth in three dimensions / Folkman J., Hochberg M. // J Experimental Medicine. - Vol. 138. - P. 745-753.

20. Friedlaender GE Bone grafts. The basic science rationale for clinical applications // J Bone and Joint Surgery. 1987. - № 69. - Р. 786-790.

21. Grabowski G., Cornett CA Bone graft and bone graft substitutes in spine surgery: current concepts and controversies // J Аmerican academy orthopaedic surgery. - 2013. - № 21. - Р. 51-60.

22. Grayson WL Engineering anatomically shaped human bone grafts / Grayson WL, Frohlich M., Yeager K., Bhumiratana S., Chan ME, Cannizzaro C., Wan LQ, Liu XS, Guo XE, Vunjak-Novakovic G. // Proc Natl Acad Sci USA 2010. - № 107 (8). - Р. 3299-3304. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0905439106

23. Groeneveld EHJ, Burger EH Bone morphogenetic proteins in human bone regeneration // European J Endocrinology. - 2000. № 142. - Р. 9-21.

24. Gronthos S. Postnatal human dental pulp stem cells (DPSCs) in vitro and in vivo / Gronthos S., Mankani M., Brahim J., Robey PG, Shi S. // PNAS USA. - 2000. - № 97 (25). Р. 13625-13630.

25. Haid RW Posterior lumbar interbody fusion using recombinant human bone morphogenetic protein type 2 with cylindrical interbody cages / Haid RW, Branch CL Jr., Alexander JT, Burkus JK // Spine J. - 2004. - Vol. 4. - P. 527-539.

26. Harris MB Iliac crest reconstruction after tricortical graft harvesting / Harris MB, Davis J., Gertzbein SD // J Spinal Disorders. - 1994. - № 7. - Р. 216-221.

27. Hustedt JW Optimal aspiration volume of vertebral bone marrow for use in spinal fusion / Hustedt JW, Jegede KA, Badrinath R., Bohl DD, Blizzard DJ, Grauer JN // Spine J. - 2013. - № 13 (10). - Р. 1217-1222.

28. Im GI Do adipose tissue derived mesenchymal stem cells have the same osteogenic and chondrogenic potential as bone marrow-derived cells / Im GI, Shin YW, Lee KB // Osteoarthritis Cartilage. - 2005. - № 13 (10). - Р. 845-853.

29. Izadpanah R. Biologic properties of mesenchymal stem cells derived from bone marrow and adipose tissue / Izadpanah R., Trygg C., Patel B., Kriedt C., Dufour J. // J Cellular Biochemistry. - 2006. - № 99. - Р. 1285-1212.

30. Jeon O. Enhancement of ectopic bone formation by bone morphogenetic protein-2 released from a heparin-conjugated poly (L-lactic-co-glycolic acid) scaffold / Jeon O., Song SJ, Kang SW, Putnam AJ, Kim BS // J Biomaterials. - 2007. - № 28. - P. 2763-2771.

31. Kim DH Prospective study of iliac crest bone graft harvest site pain and morbidity / Kim DH, Rhim R., Li L. et al. // Spine J. - 2009. - № 9. - Р. 886-892.

32. Kon E. Autologous bone marrow stromal cells loaded onto porous hydroxyapatite ceramic accelerate bone repair in critical-size defects of sheep long bones / Kon E., Muraglia A., Corsi A., Bianco P., Marcacci M., Martin I ., Boyde A., Ruspantini I., Chistolini P., Rocca M., Giardino R., Cancedda R., Quarto R.// J. Biomedical Materials Research. - 2000. - № 49. - Р. 328.

33. Kwong FN Chordin knockdown enhances the osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells / Kwong FN, Richardson SM, Evans CH // Arthritis Research & Therapy. - 2008. - № 10. - P. 65.

34. Lewandrowski KU Vertebral osteolysis after posterior interbody lumbar fusion with recombinant human bone morphogenetic protein 2: a report of five cases / Lewandrowski KU, Nanson C., Calderon R. // Spine J. - 2007. - № 75. - P. 609-614.

35. Liu HC Reconstruction of alveolar bone defects using bone morphogenetic protein 2 mediated rabbit dental pulp stem cells seeded on nano-hydroxyapatite and collagen / Liu HC, Wang DS, Su F., Wu X., Shi ZP, Wang JZ // Tissue Engineering. - 2011. - № 17. - Р. 2417-2433.

36. Lokmic Z. An arteriovenous loop in a protected space generates a permanent, highly vascular, tissue engineered construct / Z. Lokmic, F. Stillaert, W. Morrison et al. // FASEB J. - 2007. - Vol. 21, № 2. - P. 511-522.

37. Marcacci M. Stem cells associated with macroporous bioceramics for long bone repair: 6 to 7-year outcome of a pilot clinical study / Marcacci M., Kon E., Moukhachev V., Lavroukov A., Kutepov S., Quarto R., Mastrogiacomo M., Cancedda R. // Tissue Engineering. - 2007. - № 13. - Р. 947-955.

38. Mummaneni PV Contribution of recombinant human bone morphogenetic protein-2 to the rapid creation of interbody fusion when used in transforaminal lumbar interbody fusion: a preliminary report / Mummaneni PV, Pan J., Haid RW, Rodts GE // J. Neurosurgery Spine . - 2004. - № 1. - P. 19-23.

39. Noёl D. Cell specific differences between human adipose-derived and mesenchymal-stromal cells despite similar differentiation potentials / Noёl D., Caton D., Roche S., Bony C., Lehmann S., Casteilla L., Jorgensen C. , Cousin B. // Experimental Cell Research J. - 2008. - № 314. - P. 1575-1584.

40. Quarto R. Repair of large bone defects with the use of autologous bone marrow stromal cells / Quarto R., Mastrogiacomo M., Cancedda R., Kutepov SM, Mukhachev V., Lavroukov A., Kon E., Marcacci M. // New England J Medicine. - 2001. - № 344. - Р. 385-386.

41. Rath SN Adipose- and bone marrow derived mesenchymal stem cells display different osteogenic differentiation patterns in 3D bioactive glass-based scaffolds / Rath SN, Nooeaid P., Arkudas A., Beier JP, Strobel LA, Brandl A., Roether JA, Horch RE, Boccaccini AR, Kneser U. // J Tissue Engineering Regenerative Medicine. - 2013. - № 3.

42. Sakaguchi Y. Comparison of human stem cells derived from various mesenchymal tissues: superiority of synovium as a cell source / Sakaguchi Y., Sekiya I., Yagishita K., Muneta T. // Arthritis Rheum. - 2005. - № 52 (8). - Р. 2521-2529.

43. Schwender JD Minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion (TLIF): technical feasibility and initial results / Schwender JD, Holly LT, Rouben DP, Foley KT // J Spine Disorders Techniques. - 2005. - Vol. 18. - P. 1-6.

44. Seeherman H., Wozney JM Delivery of bone morphogenetic proteins for orthopaedic tissue regeneration // Cytokine Growth Factor Reviews. - 2005. - Vol. 16. - P. 329-345.

45. Shields LBЕ. Adverse effects associated with high-dose recombinant human bone morphogenetic protein-2 use in anterior cervical spine fusion / Shields LBЕ., Raque GH, Glassman SD, Campbell M., Vitaz T., Harpring J., Shields CB // Spine. -2006. - № 31. - Р. 542-547.

46. ​​Strioga M. Same or not the same? Comparison of adipose tissue-derived versus bone marrow-derived mesenchymal stem and stromal cells / Strioga M., Viswanathan S., Darinskas A., Slaby O., Michalek J. // Stem Cells and Development. - 2012. - № 21 (14). - Р. 2724-2752.

47. Williams A., Szabo RM Bone transplantation. // Orthopedics. - 2004. - № 27. - Р. 488-495, 496-487.

48. Vaidya R. Interbody fusion with allograft and rhBMP-2 leads to consistent fusion but early subsidence / Vaidya R., Weir R., Sethi A., Meisterling S., Hakeos W., Wybo CD // J Bone Joint Surgery British . - 2007. - № 89. - Р. 342-345.

49. Yang F. Bone regeneration using cell-mediated responsive degradable PEG-based scaffolds incorporating with rhBMP-2 / Yang F., Wang J., Hou J., Guo H., Liu C. // J Biomaterials. - 2013. - № 34. - Р. 1514-1528.

Кожен день в світі виконується безліч хірургічних втручань для лікування деформацій і переломів хребта. Сучасні стратегії регенеративної медицини направлені на відновлення архітектури патологічно зміненої тканини шляхом заміщення кісткового дефекту імплантатом, поміщеним в зону пошкодження. Тим самим скорочуються терміни відновлення працездатності і підвищується якість життя пацієнта. З цією метою об'єднуються різні технології, щоб створити пластичний матеріал, який буде перевершувати за своїми даними так званий золотий стандарт - аутокость. На даний момент активно використовуються імплантати з різних матеріалів, як біологічних, так і синтетичних, для заміщення кісткових дефектів. На жаль, немає ідеального імплантату, що задовольняє всім вимогам, що пред'являються до пластичного матеріалу. Всі вони мають свої переваги і недоліки.

Мета дослідження

Вивчити основні характеристики кісткових і клітинних матеріалів для заміщення дефектів кісткової тканини і перспективи їх застосування на основі даних літератури.

Матеріали і методи дослідження

В ході проведення дослідження було проаналізовано міжнародний досвід застосування таких основних пластичних матеріалів, які використовуються для заміщення кісткових дефектів: ауто- і алотрансплантату; кісткові морфогенетичні білки; мультипотентні мезенхімальні стромальні клітини; тривимірний хондротрансплантат. Виявлені при аналізі літературних даних недоліки і переваги пластичних матеріалів дозволяють намітити подальші перспективні шляхи досліджень.

Результати та обговорення

У всі часи вважалося, що «золотим стандартом» для остеопластики є аутотрансплантат, паркан яких здійснюється з власних тканин пацієнта, в зв'язку з чим повністю виключаються основні імунологічні і більшість інфекційних ускладнень при трансплантації [8]. Кісткові аутотрансплантат володіють не тільки остеокондуктівнимі властивостями, але і здатністю індукувати ріст кісткової тканини в місці імплантації в зв'язку з наявністю в них остеогенних клітин [20]. Однак аутотрансплантат повинні бути взяті безпосередньо перед етапом заміщення кісткового дефекту, що збільшує час основного етапу операції. Крім цього, можливий обсяг аутотрансплантата вельми обмежений, і при його заборі донор часто піддається серйозним оперативних втручань [8, 20].

При вивченні проблеми кісткової аутопластики не можна виключити велику кількість ускладнень, пов'язаних з місцем взяття аутотрансплантата. Найпоширеніші серед виявлених ускладнень - це хронічні болі і розлад чутливості в області взяття трансплантата, що пов'язано з пошкодженням клубово-пахового і шкірного стегнового нервів. Також серед можливих видів ускладнень згадуються перелом кістки (донорського місця), розвиток гематоми і її інфікування [17, 20, 31]. Для заміщення кісткового дефекту крила клубової кістки і зменшення косметичних наслідків описуються такі способи, як пластика гребеня крила клубової кістки протезом з пористої кераміки, аллоімплантатом [17, 26].

Також крім описаних проблем з місцем взяття аутотрансплантата існує проблема фізичних характеристик аутотрансплантатов, а саме - міцність. В ході процесу перебудови аутотрансплантат втрачають свою міцність, що може згодом призвести до втрати здобутої корекції деформації хребта [21]. Ретроспективний аналіз результатів використання аутотрансплантатов з гребеня крила клубової кістки для заміщення кісткових дефектів при операціях на хребті показує, що 2,8-4,7% ускладнень отримані в результаті відторгнення аутотрансплантатов ложем, міграції їх з ложа хребта, лізису, перелому і перебудови аутотрансплантатов, які зажадали проведення ревізійних операцій [15].

У спробах мінімізувати ускладнення, одержувані при кістковій пластиці аутотрансплантатом, вчені прийшли до використання алогенних донорської кістки. Аллокость, як і аутотрансплантат, зберігає здатність до перебудови в органоспецифичность кісткову тканину, хоча це і займає більш тривалий період часу. Аллоімпланти в більшості випадків дозволяють сформуватися органоспецифичность кісткової тканини без значної втрати корекції. Однак збереження в аллоімплантатах білкових компонентів донора може привести до алергічної та імунної реакції у реципієнта [14]. Даний фактор значно обмежує застосування аллокості як імплантатів для пластики дефектів тіл хребців.

У спробах позбутися від ускладнень при використанні аллотрансплантатов прийшли до використання деминерализованного кісткового матриксу (ДКМ), який містить протеїни, які стимулюють остеогенез. Отримують кістковий матрикс шляхом демінералізації кісткової тканини, в якій до кінця процесу демінералізації зберігається менше 5% кальцифікованими целлюлярной субстанції [13]. Демінералізована кістка не є такою ефективною в освіті нової кістки, як ендогенна губчаста кістка, але вона має перевагу перед консервованої аллогенной кісткою. Перевагами ДКМ є стерильність і знижена антигенность [13, 47]. Однак у ДКМ присутній ряд істотних недоліків: в ряді випадків він може бути алергеном, а також має низьку механічну міцність. Останній фактор не дозволяє використовувати даний пластичний матеріал у вигляді фіксують імплантатів, тому ДКМ застосовується у вигляді остеообразующей добавки [16].

Кісткові морфогенетичні білки

Кісткові морфогенетичні білки (Bone Morphogenetic Proteins - BMPs) є трансмембранними дімерная білками, які були відкриті Marshall R. Urist в 1965 р За сучасними науковими даними BMPs - це багатофункціональні ростові фактори, які відносяться до суперсімейство В-трансформуючого фактора росту. В даний час відкрито 20 різновидів ВМРs, але тільки у BMP-2, 4, 6, 7 виявили значні остеоіндуктивні властивості [27].

Місцем локалізації BMP є позаклітинний сполучнотканинний матрикс, що містить остеопрогеніторние і мезенхимниє клітини. BMPs синтезуються остеобластами, хондроцітамі і їх попередниками. Точкою впливу BMPs є рецептори, розташовані на клітинній мембрані. ВМРs роблять значний вплив на регуляцію росту, диференціювання і апоптоз різних типів клітин, включаючи остеобласти, епітеліальні і нервові клітини, хондробласти [27, 35]. BMPs стимулюють збільшення числа клітин; прискорюють диференціювання ММСК в остеобласти і хондробласти; збільшують синтез остеокальцину; прискорюють синтез колагену; підвищують активність лужної фосфатази; стимулюють синтез позаклітинного матриксу та його подальшу мінералізацію [35]. Клітини, що беруть участь в процесі синтезу кісткової тканини, є клітинами-мішенями для BMPs: фібробласти, остеобласти, міобласти, нервові клітини, плюрипотентні мезенхимниє стовбурові клітини, маркери кісткового метаболізму - остеопонін, остеокальцин, лужна фосфатаза, остеонектін [27]. Остеогенез, який здійснюється за допомогою BMPs, - це ланцюг послідовних подій з такими головними стадіями, як хемотаксис, швидке розподіл мезенхимних остеопрогеніторних клітин, диференціювання мезенхімних стовбурових клітин в хондробласти і формування хряща, ангіогенез і синтез позаклітинного матриксу, заміна хряща на кісткову тканину [23 , 44]. Беручи участь в процесах хондрогенез і остеогенезу, BMPs мають стимулюючий вплив на утворення кісткової тканини, роблячи це в послідовності, схожою з ембріональним морфогенезом [44].

Методами отримання BMPs є два технологічних процеси - це його біохімічна екстракція з деминерализованного кісткового матриксу, який був основним в 1990-і рр., І генно-інженерний синтез (rhBMPs), який активно використовується в наш час [35].

В якості носіїв для BMPs на сьогоднішній день використовуються різні матеріали, такі як демінералізований кістковий матрикс, колагенові губки, хітозан, желатин, гідроксиапатит. Головними завданнями носіїв є не тільки доставка ВМРs в місце їх біологічної дії, а й збереження цих остеоіндукторов в зоні впливу протягом тривалого періоду часу, необхідного для формування нової кістки, а також пролонгована дифузія BMPs в організмі реципієнта [49].

Лікувальні властивості BMPs представляють великий інтерес в клінічній практиці при консолідації переломів кісток, профілактиці остеопорозу, лікуванні кісткових дефектів щелеп і в аллокостной пластиці кісткових дефектів [49].

При плануванні лікування з використанням ВМРs необхідно враховувати такий фактор, як вік реципієнта, оскільки він безпосередньо впливає на біологічний потенціал багатьох чинників зростання. Остеоіндуктівнимі здатність BMPs знижується як мінімум в 2 рази у літніх пацієнтів, отже, вимагає більш високих доз, щоб викликати відчутний стимулюючий ефект на утворення кісткової тканини.

Jeon і колеги в своєму дослідженні на групі з 23 пацієнтів з одномоментним вентральним втручанням на трьох рівнях виявили, що імплантація PEEK-Кейджа з розміщеним на ньому rhBMP-2 призводить до позитивного результату оперативного лікування і відсутності больового синдрому у віддаленому післяопераційному періоді. Однак при цьому виявлено ектопічне формування кістки у трьох пацієнтів [30].

При використанні rhBMP-2 на коллагеновой губці ACS «Infuse» відзначений більший відсоток освіти кісткового блоку тіл хребців в порівнянні з операціями, в яких був застосований АУТОЛОГІЧНОЇ трансплантат з гребеня клубової кістки. Повідомляється про отримання кісткового блоку у 94% з 143 хворих [12], у 93% з 67 [25], у 99% з 21 [38], у 100% з 49 пацієнтів [43]. При цьому були відсутні ускладнення, характерні для операції з узяття аутокістки [12, 25, 38, 43].

В експерименті на тварин моделях був виконаний вентральний спондилодез на поперековому відділі хребта з використанням BMPs, при цьому було отримано більший відсоток кісткових зрощень, ніж при операціях з використанням аутотрансплантата [34, 45, 48].

Baskin і колеги використовували rhBMP-2 при вентральном міжтілового Спондилодез на шийному відділі хребта, порівнявши його дію з аутотрансплантатом з гребеня клубової кістки. Всім 33 пацієнтам з обох груп проведено обстеження через 24 місяці після операції. При цьому виявлено, що група з імплантацією rhBMP-2 мала більш виражений больовий синдром в шийному відділі хребта і верхніх кінцівках, ніж група з використанням аутотрансплантата, яка не мала ніяких ускладнень, що відносяться до області спондилодеза [9].

Мультипотентні мезенхімальні стромальні клітини (ММСК)

В даний час дослідження в області регенерації кісткової тканини ведуться з використанням ембріональних стовбурових, індукованих плюрипотентних і стромальних стовбурових клітин. Ембріональні стовбурові і індуковані плюрипотентні клітини через проблеми, пов'язаних з онкогенні, безпекою та етикою, в клінічній практиці не застосовуються [33]. ММСК - це прогеніторні клітини, здатні до здійснення диференціювання в мезодермальниє тканини, включаючи остеобласти, хондроцити, адипоцити. На даний момент активно використовуються при заміщенні кісткових дефектів ММСК, виділені з жирової тканини, пульпи зуба, кісткового мозку.

ММСК, отримані з кісткового мозку, є найбільш поширеними клітинами, які використовуються для регенерації кісткової тканини. Джерелом цих клітин є кістковий мозок. Одна з відмінних функцій ММСК кісткового мозку - це формування гемопоезіндуцірующего і стромального мікрооточення. Властивостями ММСК кісткового мозку є фібробластоподібних морфологія, здатність до адгезії, легко индуцируемая диференціювання в Остеогенні, адіпогенних і хондрогенном напрямках, а також високий проліферативний потенціал. Не менш важливою властивістю ММСК кісткового мозку є їх здатність до вироблення великої кількості біоактивних речовин, які посилюють регенерацію тканин [46].

Альтернативою MMCK кісткового мозку можуть виступати MMCK жирової тканини. Жирова тканина складається з адипоцитів і гетерогенної популяції клітин - стромальной судинної фракції, яка оточує і підтримує адипоцити. Дана фракція в свою чергу містить преадіпоціти, ендотеліальні клітини судин і їх попередники, T- і B-лімфоцити, тучні клітини, макрофаги, а головне, ММСК. ММСК жирової тканини і кісткового мозку мають схожий імунофенотип, морфологію, а також здатність до спрямованої диференціювання [10].

Існує ще одне джерело MMCK - пульпа зуба. Дані клітини також можуть диференціюватися в Остеогенні напрямку і здійснювати регенерацію кісткової тканини, при цьому їх проліферативна активність не менш висока, ніж у ММСК кісткового мозку [24]. Взяття матеріалу для отримання цих клітин може бути виконано під час стоматологічних операцій [22].

В даний час найбільш часто використовуваних джерелом MMCK є кістковий мозок, але процедура отримання клітин є досить інвазивну операцію, яка призводить до формування кісткового дефекту в донорському ділянці. На відміну від цього жирову тканину можна отримати найменш інвазивним способом під час ліпосакції або ліпектомія [29].

У літературі зустрічаються неоднозначні результати досліджень остеогенного потенціалу стромальних клітин з різних джерел.

Ряд досліджень показує, що MMCK кісткового мозку мають більш високий остеогенних потенціал, ніж MMCK, отримані з жирової тканини [28, 39, 42]. При цьому в інших джерелах зустрічаються дані, що MMCK, отримані з жирової тканини, мають більш високий проліферативний потенціал і низький коефіцієнт старіння, ніж MMCK кісткового мозку, а також велику генетичну і морфологічну стабільність. Дослідники виявили, що здатність до остеогенной диференціювання MMCK, отриманих з кісткового мозку, незначно більше, ніж MMCK жирової тканини [41]. У зв'язку з цим питання, який тип ММСК більше підходить для вирішення завдань тканинної інженерії по заміщенню дефектів кістки, залишається без відповіді, і експериментальні дослідження щодо вирішення даної проблеми активно ведуться в даний момент.

Диференціація MMCK in vitro багато в чому залежить від умов їх культивування. Направити MMCK по шляху остеогенной диференціювання можна шляхом додавання в живильне середовище різних речовин - індукторів остеогенезу. У цю групу речовин входять дексаметазон, аскорбінова кислота, органічні фосфати, зокрема р-гліцерофосфат, дигідроксивітамін D3, деякі білки сімейства кісткових морфогенетичних білків (BMP) [11].

При заміщенні кісткових дефектів використовуються методи тканинної інженерії, які мають на увазі спільне застосування культивованих остеогенних клітин і матеріалу-носія. Носій повинен забезпечувати фіксацію культивованих клітин, адресну їх доставку, стабільне знаходження в ложі реципієнта і гістотіпіческой диференціювання. Для реалізації своїх остеогенних функцій отримані клітини повинні певний час перебувати в фіксованому до носія стані [11].

Поруч вітчизняних вчених в експериментальних дослідженнях із застосуванням ММСК отримана регенерація в моделі дефекту кісткової тканини (на щурах) [6], з ММСК, іммобілізованими на аллокості (у кішок) [5], з ММСК в коллагеновом гелі на моделі дефекту великогомілкової кістки (у кроликів) [1].

Arinzeh і колеги описують застосування імплантатів з гідроксиапатиту, заселених аллогенной культурою ММСК, в експерименті in vivo на собаках при моделюванні переломом стегна, при цьому диастаз між уламками був заміщений даними імплантатом. В результаті застосування цих імплантатів була отримана регенерація кісткової тканини в місці перелому без ініціації імунологічної відповіді [13].

У дослідженнях in vivo на вівцях при моделюванні перелому стегнової кістки в диастаз між уламками поміщали імплантат з гідроксиапатиту, заселений аутологічними ММСК. У цьому випадку також перелом консолідувався, при цьому консолідована кістка не поступалася по міцності неушкодженої [32].

Quarto і колеги повідомили про клінічному дослідженні пацієнтів з переломами кісток кінцівок з наявністю дефекту 4-7 см. Пацієнтам заміняли дефект кістки імплантатом з макропористого гідроксиапатиту, заселеного аутологічними ММСК, при цьому імплантат відповідав розміру дефекту. Пацієнтів спостерігали протягом 15-27 місяців після імплантації, інтеграція імплантату і консолідація перелому були виявлені через 2 місяці після операції [40].

Також Kon і колеги по результатам 7-річного спостереження виявили, що дефекти довгих трубчастих кісток, заміщені імплантатами з пористої кераміки з гідроксіапатітним покриттям і заселені аутологічними ММСК, відновилися з повною інтеграцією імплантату в середньому за 7 місяців. При цьому імплантат НЕ резорбироваться і зберіг свою структуру навіть через 7 років після операції [37].

При заміщенні великих дефектів кісткової тканини c використанням різних тканеінженерной конструкцій однією з основних проблем є забезпечення належної трофіки пересаджених клітин. Це критичний етап всієї технології, оскільки в область кісткового дефекту вносяться життєздатні клітини, і без належного кровопостачання можна очікувати загибель клітин. Імплантати великих розмірів в умовах in vivo відчувають дефіцит кровопостачання, в результаті чого клітини, що знаходяться на периферії імплантату і більш щільно контактують з ложем, отримують більшу кількість кисню і поживних речовин, ніж клітини, які знаходяться в центральній частині, як результат - загибель клітин в центральній частини. Клітини, віддалені від гемомикроциркуляторного русла більш ніж на 200-500 мкм, гинуть в ході експерименту, а кістковий матрикс заміщається волокнистою сполучною тканиною [19].

Останнім часом все більша увага приділяється моделі артериовенозной петлі, що складається з артеріального і венозного судин, штучно анастомозірованной аутовеной за допомогою мікрохірургічної техніки. Артеріовенозна петля, вміщена в центральну частину трансплантата, є джерелом «осьової васкуляризації», в результаті чого зсередини утворюється нова капілярна мережа - «внутрішня васкуляризация», що в поєднанні з периферичним ангіогенезом ( «зовнішня васкуляризация») забезпечує адекватне кровопостачання і таким шляхом відкриває значні перспективи у вирішенні проблеми підвищення виживаності клітин, що входять до складу імплантатів [36].

Хондротрансплантат

У зв'язку з активним розвитком регенеративної медицини останнім часом проводиться безліч досліджень по заміщенню дефектів тканин організму клітинними трансплантатами. У Новосибірському НІІТО був отриманий тривимірний хондротрансплантат, який представляє собою хондробласти, витягнуті з хребта новонародженого міні-порося, культивовані в живильному середовищі. Структурно-функціональна характеристика хондротрансплантата є хондробласти різного ступеня диференціювання і позаклітинний матрикс. Серед хондробластов за класифікацією В.В. Сєрова, А.Б. Шехтера визначалися юні, молоді, проте більшу кількість було представлено диференційованими хондробласти. Позаклітинний матрикс хондротрансплантата був представлений аггреканом, колагеном I і II типів, в клітинах і матриксе були виявлені хондроітінсульфати, а також фибронектин [2]. Диференціювання клітин в хондрогенном напрямку підтверджували морфологічними методами.

З використанням тривимірного хондротрансплантата був проведений експеримент (на собаках) по заміщенню дефекту тіла хребця. За даними, отриманим через 6 місяців після імплантації: макроскопічно кордону кісткового дефекту тіла хребця не визначаються, на його місці однорідна кісткова тканина, по гістологічним даними дефект заповнений органоспецифічних зрілої кістковою тканиною, у якій міжбалочні проміжки заповнені мієлоїдний мозком. У контрольній групі за той же період спостереження на місці дефекту в тілі хребця сформована груба фіброзна тканину з рідко розташованими кістковими структурами і судинами [4].

Все вищевказане дозволило авторам зробити висновок, що тривимірний хондротрансплантат володіє високими регенераторні потенціями, які реалізуються за рахунок проліферативної і синтетичної активності, властивою ембріональному хряща.

Регенерація кісткової тканини на основі тривимірного хондротрансплантата здійснюється шляхом еволюційно закріпленого механізму енхондрального остеогенеза [3].

Недоліком тривимірного хондротрансплантата є те, що він не володіє достатніми властивостями міцності, тому непридатний для регенерації значних за площею дефектів кісткової тканини. Тривимірний хондротрансплантат може бути використаний при лікуванні міжхребцевого остеохондрозу, а також для заміщення невеликих за площею дефектів і пошкоджень кісткової тканини. Крім того, до недоліків тривимірного хондротрансплантата слід віднести необхідність його додаткової фіксації в зоні трансплантації.

Висновок

На сьогоднішній день методи тканинної інженерії для заміщення кісткових дефектів клітинними культурами і біологічно активними речовинами істотно просунулися від експериментів до клінічного застосування при реконструктивних операціях на опорно-руховому апараті. При заміщенні незначних за розміром кісткових дефектів методами тканинної інженерії можна отримати хороші результати, що доведено експериментально і клінічно. Однак пластика великих кісткових дефектів на сьогоднішній день все ще залишається проблемою, яка пов'язана з підтриманням життєдіяльності клітинної культури. У зв'язку з цим необхідно продовжувати розробки для вдосконалення способів заміщення кісткових дефектів з використанням методик тканинної інженерії.

бібліографічна ПОСИЛАННЯ

Предеин Ю.А., Реріх В.В. Кісткової і Клітинних імплантатів для ЗАМІЩЕННЯ ДЕФЕКТІВ КІСТКИ // Сучасні проблеми науки та освіти. - 2016. - № 6.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=25681 (дата звернення: 29.07.2019).

Пропонуємо вашій увазі журнали, что видають у видавництві «Академія природознавства»

(Високий імпакт-фактор РИНЦ, тематика журналів охоплює всі наукові напрямки)