аутокость что это такое
Аутокость что это такое
Костнозамещающие материалы широко используют для стоматологических целей, лечения дефектов кости, медленного сращения и несращения переломов, операций на позвоночнике.
Из-за ряда негативных факторов интеграция аллогенных, ксеногенных и синтетических заменителей с костью хозяина при долгосрочном наблюдении оказывается под угрозой.
Улучшение остеоинтеграции за счет добавления факторов роста и модификации структуры материала является очень важным направлением исследований. Чтобы решить эту проблему, рассматривалось введение таких веществ, как костные морфогенетические протеины (BMP), паратиреоидный гормон (PTH) и богатая тромбоцитами плазма (PRP).
Хотя опыт клинического применения этих факторов показывает хорошее формирование кости, их дальнейшее использование ограничено из-за высокой стоимости и потенциальных побочных эффектов. Как альтернативу, некоторые ученые предлагают внедрять биоинорганические ионы, такие как магний, стронций и цинк.
Сегодняшняя статья содержит краткий обзор существующих костных трансплантатов и костнозамещающих материалов, а также биологических факторов роста для остеопластики.
Метод костной пластики является одним из наиболее часто используемых хирургических методов для улучшения регенерации кости в ортопедии, травматологии и стоматологии.
Ежегодно во всем мире проводится более двух миллионов процедур пересадки костной ткани, что является второй по частоте трансплантацией после переливания крови.
Среди всех клинически доступных трансплантатов аутокость по-прежнему считается золотым стандартом, поскольку необходимые свойства для регенерации кости в плане остеокондукции, остеоиндукции и остеогенеза объединяются в одном материале.
Тем не менее, ограниченный источник аутокости и дополнительные осложнения процедуры вынуждают искать новые костнозамещающие материалы. Среди них материалы аллогенного, ксеногенного и синтетического происхождения.
Костные алломатериалы популярны среди хирургов-ортопедов, и почти треть процедур костной пластики в Северной Америке выполняется с использованием алломатериалов. Данный материал доступен в различных формах и в больших количествах.
Аллогенная кость в основном является остеокондуктивной, тогда как остаточная остеоиндуктивность сохраняется только в деминерализованном костном матриксе.
Проблема заключается в том, что производство материала на основе трупной кости все еще далеко от удовлетворения клинических потребностей, особенно когда медицина столкнулась с глобальной пандемией старения, ожирения и ортопедических заболеваний.
Среди нового поколения продуктов наиболее распространенными являются биоматериалы на основе фосфата кальция, в том числе гидроксиапатит, CaP керамика и цементы.
Наряду с этим, ксеногенные костнозамещающие материалы востребованы в стоматологической практике. Они удобные, безопасные и сравнительно недорогие и могут производиться практически в неограниченных количествах для любых медицинских нужд.
Введение биологических и биоорганических факторов роста, таких как рекомбинантные костные морфогенетические протеины (rhBMP), гормоны или отдельные ионы, способно существенно повысить потенциал современных материалов.
Костнозамещающие материалы для лечения дефектов костей
Идеальные заменители кости совмещают в себе функции механической поддержки и остеорегенерации, объединяя три важных биологических свойства — остеокондукция, остеоиндукция и остеогенез.
Остеокондукция относится к способности материала поддерживать прикрепление клеток остеобластов, миграцию и врастанию этих клеток в архитектуру трансплантата.
Остеоиндуктивный материал может стимулировать развитие примитивных, недифференцированных и плюрипотентных клеток в линию костной ткани.
Остеогенные свойства предполагают наличие жизнеспособных донорских клеток, способствующих образованию новой кости на месте процедуры.
Сама по себе остеоинтеграция, которая определяется как способность закрепления имплантата с образованием костной ткани на границе раздела кость-имплантат без фиброзной ткани, является ключевым критерием для оценки результата.
Аутокость
Трансплантация кости, извлеченной из одного анатомического участка и пересаженной в другой у той же особи, называется аутологичной костной пластикой. Благодаря сочетанию остеоиндуктивных, остеокондуктивных и остеогенных свойств аутокость может интегрироваться в кость хозяина быстрее и полнее.
Хотя этот материал продолжает считаться золотым стандартом, недостатки аутотрансплантата делают его неприемлемым вариантом при масштабных операциях. Боль и дополнительные осложнения (включая кровотечение, потенциальное заражение), увеличение времени процедуры и ограниченный объем доступного материала считаются непреодолимыми препятствиями к использованию аутокости.
Губчатые аутотрансплантаты применяют чаще всего. Хотя временную ишемию во время трансплантации могут пережить немногие остеобласты и остеоциты, в материале остается множество мезенхимальных стволовых клеток (MSC). За счет стволовых клеток поддерживается остеогенный потенциал и генерируется новая кость.
Кроме того, большая площадь поверхности губчатого аутотрансплантата способствует превосходной реваскуляризации и локальной интеграции трансплантата в кость хозяина.
Аутокость содержит белки, обладающие остеоиндуктивными свойствами, которые сохраняются при правильном выполнении процедуры.
На ранней стадии после процедуры образуется гематома и воспаление, а мезенхимальные стволовые клетки быстро вовлекаются в формирование фиброзной грануляционной ткани. Некротизированная ткань трансплантата медленно удаляется макрофагами, попутно происходит неоваскуляризация — рост новых кровеносных сосудов.
Затем во время интеграции аутотрансплантата формируется линия остеобластов, окружающих некротизированную ткань, что совпадает по времени с образованием новой костной ткани и скоплением гемопоэтических клеток. Этот процесс, который приводит к полной резорбции и замене трансплантата, занимает 6–12 месяцев.
Кортикальные аутотрансплантаты отличаются превосходной структурной целостностью и служат преимущественно механической поддержкой из-за весьма ограниченной популяции остеопрогениторных клеток.
В отличие от губчатой аутокости, ползучее замещение кортикального аутотрансплантата опосредуется преимущественно клетками-остеокластами после быстрого образования гематомы и воспалительного ответа на ранней стадии регенерации. Процесс реваскуляризации и ремоделирования затруднен плотной архитектурой.
Аппозиционный рост кости над некротизированным ядром является доминирующим путем интеграции кортикального аутотрансплантата после резорбции остеокластов. Этот процесс может занять годы, в зависимости от размера графта и участка имплантации.
Аллогенный костнозамещающий материал
Аллогенный материал для костной пластики представляет собой ткань, которую собирают у одной особи и пересаживают другой, генетически неидентичной особи того же вида. Речь в основном идет о специально обработанных материалах трупного происхождения.
Учитывая ограничение аутокости, алломатериал долгое время считался оптимальной альтернативой аутотрансплантатам и широко использовался в клинической практике, особенно для пациентов с низким потенциалом заживления переломов.
Аллогенные костнозамещающие материалы дают широкие возможности выбора и модификации продукта под конкретные цели. Поэтому на рынке доступен широкий ассортимент кортикальных, губчатых материалов, клиньев, чипсов и др.
Установлено, что по сравнению с аутотрансплантатами аллогенный материал демонстрирует иммуногенность и более высокую частоту неудачных процедур. Считается, что это связано с активацией антигенов главного комплекса гистосовместимости (MHC).
При этом начальная фаза остеоиндукции может нарушаться воспалительными клетками, которые быстро окружают новую сосудистую систему, вызывая некроз и массовую гибель остеопрогениторных клеток.
К сожалению, точный механизм иммунного ответа при интеграции костного алломатериала непонятен. Исследования показали, что результат процедуры значительно улучшается, если снизить иммуногенность путем повышения гистосовместимости алломатериала.
Другой проблемой является риск передачи инфекций, который, правда, удалось значительно снизить благодаря строгому контролю сырья и совершенствованию технологии обработки.
Исходя из вышесказанного, применение свежего алломатериала всегда ограничено, поэтому сегодня ведущие производители работают над модификацией продукта в плане повышения совместимости с тканями реципиента.
Губчатая аллогенная кость является основным материалом данной категории и поставляется преимущественно в виде костных блоков. Высокие механические характеристики и низкий потенциал регенерации предопределили активное применение губчатой кости в таких процедурах, как спондилодез и заполнение дефектов трубчатых костей.
В процессе инкорпорации имеет место аналогичная, но более медленная последовательность событий. Остеоинтеграция может отсрочиться воспалительной реакцией, которая приводит к образованию волокнистой ткани вокруг трансплантата менее чем в 10% случаев.
Между тем, аллогенные костнозамещающие материалы практически никогда полностью не рассасываются и обнаруживаются в участке имплантации через много лет после процедуры.
Кортикальная аллогенная кость обладает отличными механическими свойствами и обычно применяется при спондилодезе или заполнении больших костных дефектов, где требуется немедленное сопротивление несущей нагрузке.
С учетом иммунного ответа и в целях безопасности обычно пересаживают замороженные или лиофилизированные продукты без примеси костного мозга и крови. Интеграция этого материала происходит путем ползучего замещения.
В целом, процесс инициируется остеокластической резорбцией и сопровождается спорадическим образованием новой аппозиционной кости через остеокондукцию.
Деминерализованный костный матрикс (DBM) представляет собой разновидность высокопродуктивного алломатериала. Не менее 40% минерального содержания костного матрикса удаляется при обработке слабой кислотой, в то время как коллагены, неколлагеновые белки и факторы роста остаются.
Низкая структурная целостность и механические свойства определяют сферы применения деминерализованного костного матрикса.
Остеокондуктивность DBM обеспечивается за счет наличия каркаса для заселения клетками и генерации кости. Остеоиндуктивные свойства DBM определяются оставшимися факторами роста, что напрямую связано с технологией его производства.
В большинстве случаев для получения аллогенного деминерализованного костного матрикса производители используют 0,5–0,6 М соляную кислоту как деминерализующий агент.
Интеграция этого материала протекает по аналогии с аутокостью, причем оставшиеся в матриксе факторы роста запускают каскад эндохондральной оссификации.
Ксеногенный костнозамещающий материал
Другой альтернативой аутокости служат ксеногенные материалы, также известные как гетерогенные. Их пересаживают от донора одного биологического вида реципиенту другого вида. Чаще всего используются ксеноматериалы из бычьей и свиной кости, а также полученные из некоторых видов морских кораллов.
Использование животного сырья дает теоретически неограниченным источник, если разработать соответствующие технологии безопасной переработки материала.
Основная проблема, связанная с продуктами, полученными из крупного рогатого скота — потенциальная передача зоонозных заболеваний и прионных инфекций, таких как губчатый энцефалит крупного рогатого скота. Чтобы устранить этот риск, используются многоступенчатые технологии обработки.
Ксеноматериалы, подобно алломатериалу, теряют остеогенные и частично остеоиндуктивные свойства во время обработки. Тем не менее, благодаря сохранению некоторых биоактивных веществ, в первую очередь сульфатированный гликозаминогликанов (сГАГ) удается достичь отличных клинических результатов.
Ацеллюляризация мягких и твердых соединительных тканей, таких как сухожилия, связки и кости, уменьшает или даже устраняет иммуногенность, связанную с ксеноматериалами.
Для удаления цитоплазматических и ядерных антигенов с сохранением структуры внеклеточного матрикса, механических и функциональных характеристик продукта применяют физические, химические и ферментативные методы.
Синтетический костнозамещающий материал
Как упоминалось выше, дефицит естественных источников и малые шансы на удовлетворение потребностей стареющего населения вызвали расцвет рынка синтетических материалов для остеопластики. Сульфат кальция, керамика на основе фосфата кальция (CaP), цементы на основе CaP, биоактивное стекло и их комбинации являются наиболее распространенными заменителями кости.
Сульфат кальция, также известный как парижский гипс, является разновидностью остеокондуктивной и биоразлагаемой керамики.
Применяется для заполнения пустотных дефектов костей с 1892 года. Он готовится путем нагреванием гипса, и может поставляться в различных формах, таких как твердые гранулы или вязкие жидкости, которые затвердевают in vivo.
Несмотря на отсутствие макропористой структуры, сульфат кальция имеет высокую скорость резорбции и слабую внутреннюю прочность. Это значит, что его можно использовать только для заполнения мелких дефектов кости с жесткой внутренней фиксацией. Врастание сосудистой сетки и новой кости происходит в сочетании с резорбцией.
Зарубежные исследования показывают, что сульфат кальция не дает оптимальной скорости сращения при спондилодезе, в основном из-за более быстрой деградации в ранней фазе регенерации кости, чем фактическое отложение кости.
Тем не менее, простота изготовления и относительно низкая стоимость привели к возрождению сульфата кальция в сочетании с другими синтетическими костными заменителями и / или факторами роста.
Одним из многообещающих подходов стало комбинирование парижского гипса с антибактериальными препаратами. В 2015 году исследователи Гломбица и Штайнхаузен успешно применили ванкомицин-нагруженный сульфат / гидроксиапатит кальция для лечения остеомиелита, вызванного мультирезистентными бактериями.
Однако, как и следовало ожидать, замена композита на новую кость была неравномерной.
CaP керамика состоит из гидроксиапатитов кальция, химический состав которых аналогичен минеральной фазе кальцифицированных тканей. Они представляют собой синтетические минеральные соли и производятся путем спекания при высоких температурах с последующим формованием при высокой температуре.
Пористые имплантаты, непористые плотные имплантаты и гранулированные частицы с порами наиболее часто используются в клинической практике. Как разновидность биоабсорбируемой керамики с превосходной остеокондуктивностью, CaP керамика привлекла большое внимание научной общественности.
Ключевые параметры этого костнозамещающего материала, такие как скорость резорбции и механические свойства, строго связаны с отношениями Ca / P. Кроме того, кристаллическая и пористая структура является важным фактором при выборе керамики.
Кальций-фосфатные цементы, в отличие от керамики CaP, обычно содержат два соединения, одно из которых является отвердителем. Они были изобретены Брауном и Чоу в 1980-х годах с целью расширения адаптируемости и формуемости кальций-фосфатных материалов.
Впервые одобренные FDA США только в 1996 году, цементы CaP считаются относительно новыми материалами с нераскрытым потенциалом. Их можно удобно вводить для заполнения дефектов самой сложной формы, после чего материал затвердевает при смешивании с водной фазой посредством изотермической реакции.
Самозатвердевшие цементы, как правило, обладают высокой микропористостью, биосовместимостью и механической прочностью при низкой прочности на изгиб.
Однако они могут разлагаться только слой за слоем, что предопределено растворением в физиологических условиях и активностью резорбции остеокластов. Теоретически, данное обстоятельство сдерживает врастание сосудистой сетки по сравнению с другими костнозамещающими материалами, содержащими систему макропор.
Могут успешно применяться при чрескожной вертебропластике и кифопластике.
Биоактивное стекло, также известное как биостекло, относится к группе керамики на основе синтетического силиката. Впервые представленное в 1970-х годах, биостекло первоначально состояло из диоксида кремния, оксида натрия, оксидов кальция и фосфора.
Позднее его модифицировали до более стабильной композиции путем добавления оксида калия, оксида магния и оксида бора; ключевой компонент, силикат, теперь составляет 45–52% его массы. Оптимизированные составы обусловили более прочное физическое взаимодействие между биостеклом и костью хозяина.
Считается, что свойство связывания кости обусловлено выщелачиванием и накоплением ионов кремния под воздействием жидкостей организма при имплантации, с последующим образованием на поверхности биостекла гидроксиапатитового покрытия.
Это тонкое гидроксиапатитовое покрытие поглощает белки и привлекает клетки-предшественники костной ткани. Кроме того, этот биологический апатитовый слой частично замещается костью посредством ползучего замещения, в особенности на отдаленных сроках.
Пористость и относительная быстрая скорость резорбции в первые две недели имплантации позволяют сосудам прорастать вскоре после отложения новой кости.
Одно исследование in vivo показало, что каркасы из биостекла могут полностью рассасываться через шесть месяцев, с незначительным воспалительным ответом.
Как и другая керамика, биостекло является хрупким. Поэтому данный костнозамещающий материал в основном применяется с факторами роста при реконструкции дефектов лица.
Впервые внедренный более 60 лет назад, полиметилметакрилат (PMMA) остается ключевым компонентом современной практики и, возможно, одним из наиболее устойчивых материалов в ортопедической хирургии и травматологии.
PMMA не биоразлагаемый и не резорбируется, что по большому счету не позволяет считать его материалом для замены костей. Несмотря на это, он стал наиболее часто используемым синтетическим материалом в клиниках США и западных стран.
Благодаря высоким механическим свойствам, двухкомпонентный самополимеризующийся костный цемент из PMMA используется при эндопротезированиии суставов для фиксации компонентов, а также при чрескожной вертебропластике.
Для борьбы с перипротезной инфекцией разработан акриловый цемент с антибиотиками, который стал стандартным элементом профилактики при первичной артропластике.
Однако недостатки цемента из PMMA очевидны. Полимеризация материала является экзотермической и может потенциально повредить соседние ткани.
Более того, асептическое расшатывание компонентов, вызванное мономер-опосредованным повреждением кости или механическим несоответствием, считается почти неизбежным при длительном ношении и ограничивает возможности PMMA в эндопротезировании.
Применение факторов роста для костной пластики
Большинство костнозамещающих материалов, в особенности синтетическая керамика и цементы, не обладают остеоиндуктивными свойствами. Между тем, именно остеоиндуктивные свойства способствуют заживлению.
Остеокондукция будет способствовать миграции и поддерживать прикрепление клеток-предшественников, которые выделяют факторы роста для стимуляции образования кости. В случае перелома, если идеальная среда для костной мозоли нарушена, а секреция факторов роста отсутствовала, возникают предпосылки к медленному сращению и несращению.
Присутствие остеоиндуктивных факторов в месте повреждения кости во время заживления является критически важным условием. Поэтому непосредственное введение факторов роста для улучшения клинических результатов стало одним из приоритетных направлений разработки и исследования костнозамещающих материалов.
До настоящего времени адекватные доклинические исследования и клинические испытания были проведены лишь для нескольких биологических факторов. Среди них костные морфогенетические протеины (BMP), фактор роста фибробластов (FGF), фактор роста эндотелия сосудов (VEGF), паратгормон и богатая тромбоцитами плазма.
Аутокость что это такое
Заменители костного трансплантата широко используются в области ортопедии и нейрохирургии, в том числе для спондилодеза. Поскольку в настоящее время операция спондилодеза считается одной из наиболее частых в хирургии позвоночника, выбор костных материалов для достижения оптимального результата вызывает повышенный интерес.
Для стимуляции сращения позвонков чаще всего применяют аллотрансплантаты и аутотрансплантаты — нынешний «золотой стандарт» для спондилодеза.
Эти подходы ставят некоторые ограничения и представляют осложнения для пациента.
В последние годы на рынке появились многочисленные альтернативные заменители костного трансплантата, которые отличаются повышенными остеогенными свойствами и устраняют все риски и осложнения, сопряженные с использованием трупной кости или аутокости.
Дополнительные усилия исследования сосредоточены на расширении возможностей традиционных костных материалов за счет добавления остеоиндуктивных белков.
Биоинженерные гидрогели, синтетические полимерные композиты и генная терапия также потенциально могут использоваться для операций спондилодеза в будущем, хотя и требуют дальнейшего изучения для использования в клинической практике.
Аутогенный и аллогенный костный материал для спондилодеза
Каждый год в мире выполняются миллионы хирургических операций, предполагающих костную пластику. Спондилодез является одним из самых частых вмешательств, которые требуют использования природных или синтетических костных материалов.
В настоящее время аутотрансплантаты и аллотрансплантаты являются основными вариантами лечения пациентов, требующий спондилодеза.
Аутогенный костный материал получают из подвздошной кости самого пациента. Он обладает остеогенными, остеоиндуктивными и остеокондуктивными свойствами, а также исключает риск иммунных реакций или передачи инфекций от донора.
Однако получение аутокости сопряжено с дополнительной хирургической операцией, удлинением времени восстановления и повышением риска осложнений и увеличением расходов. Эти недостатки обуславливают поиск альтернативных материалов.
Аллогенный костный материал традиционно использовался в ситуациях, когда получить аутокость было невозможно по тем или иным причинам. Аллотрансплантаты производят из трупной ткани, подвергая ее специальной многостадийной обработке.
Несмотря на относительную простоту получения, трупная кость означает риск передачи инфекционных заболеваний, снижение механической прочности, недостаточные остеогенные свойства. Кроме того, у некоторых людей есть религиозные и этические мотивы, не допускающие имплантации кости от умершего человека.
По сравнению с аутокостью интеграция аллотрансплантатов с нативной костью происходит медленней. В этих случаях не достигается полная васкуляризация, и наблюдается снижение остеоиндукции и остеокондукции.
Чтобы обойти недостатки аутокости и трупного аллотрансплантата, были разработаны альтернативные костные материалы для спондилодеза.
Все существующие заменители костного трансплантата не обладают высокой степенью остеоиндукции, остеокондукции и остеогенности. Тем не менее, многие демонстрируют большой потенциал в фундаментальных научных и клинических исследованиях.
Современные исследования в области молекулярной биологии, тканевой инженерии и регенеративной медицины сфокусированы на инновационных стратегиях.
Прогресс в сфере остеоиндуктивных белков, матриц остеокондуктивных носителей, генной терапии и тканевых каркасов способствует быстрому развитию практики спондилодеза.
В этой публикации мы рассмотрим биологию сращения позвонков и современные достижения в области биомедицинских материалов и биологические стратегии для применения в хирургии позвоночника.
Биологические основы сращения позвонков
Текущий прогресс в практике спондилодеза зависит от достижений в минимально инвазивной хирургии и полного понимания биологического процесса сращения позвонков.
Спондилодез являет собой сложный процесс с влиянием многочисленных факторов, который чрезвычайно трудно оценить в клинических условиях из-за отсутствия точных методов.
Таким образом, животная модель представляется ценной альтернативой, которая широко используется для оценки каждого отдельного фактора успешности лечения.
Boden и соавторы описали сложную биологию спондилодеза у новозеландских белых кроликов. Авторы разделили включение аутогенного трансплантата на пять стадий:
Воспаление: стадия воспаления длится 7-14 дней. Первоначальное повреждение местных сосудов и декортикация приводит к образованию гематомы вокруг костного материала, который окружается воспалительными клетками. Фибробластоподобные клетки в воспалительной ткани превращаются в фиброваскулярную строму. Снижение успешности сращения, наблюдаемое при использовании противовоспалительных препаратов в периоперационном периоде, показывает важность воспаления.
Васкуляризация: в фиброваскулярной строме появляются сосудистые зачатки, напоминающие формирование рубцовой ткани. Первичные мембранозные кости образуются вблизи декортицированной кости с последующим минимальным хрящевым и эндохондральным окостенением.
Остеоиндукция: на 4-5 неделе наблюдается фаза восстановления, которая проявляется усиленной васкуляризацией, резорбцией некротизированных тканей, дифференцировкой остеобластов и хондробластов. Отличительной чертой стадии остеоиндукции является дифференцировка стволовых клеток в остеобласты, расширение новой кости и продолжающаяся резорбция графта.
Остеокондукция: остеокондукция характеризуется врастанием в кость хозяина и ползучей заменой. Происходит одновременное создание новой кости остеобластами и резорбция графта остеокластами. Центральная зона эндохондрального интерфейса объединяет нижний и верхний позвонки. Плюрипотентные клетки в этой центральной зоне дифференцируются хрящевую ткань с меньшей васкуляризацией.
Ремоделирование: в течение 6-10 недель вокруг области сращения позвонков образуется периферический кортикальный ободок, повышается активность костного мозга с образованием вторичной спонгиозы. Кортикальный ободок утолщается, трабекулярный отросток распространяется до центра.
Следует отметить, что процесс ремоделирования обычно завершается к первому году.
Деминерализованный костный матрикс для спондилодеза
В 1965 году Urist выделил костные морфогенетические белки (КМБ) из экстрактов деминерализованной кости. Это привлекло внимание к материалу.
Деминерализованный костный матрикс (ДКМ) представляет собой костный материал животного или человеческого происхождения, лишенный минеральной фазы, но содержащий позади органическую фазу из остеокондуктивного коллагенового композитного матрикса и неколлагеновых белков.
ДКМ получают путем кислотно-экстракционной обработкой костной ткани человека либо животных. Такая обработка приводит к потере большей части минеральных составляющих. Оставшийся продукт содержит коллаген-I, неколлагеновые белки и факторы роста.
ДКМ обладают остеокондуктивностью и остеоиндуктивностью, но не имеют структурной целостности. При этом костные морфогенетические белки составляют остеоиндуктивную способность деминерализованного костного матрикса.
В животных моделях спондилодеза позвоночника у крыс испытывались различные продукты на основе ДКМ, потенциал которых в регенерации костной ткани сильно отличался. Сегодня ДКМ доступен в разных формах, включая гель, листы и смеси с кортикальной крошкой.
Peterson и соавторы констатировали, что скорость сращения позвонков в значительной мере зависит от используемого костного материала. С помощью иммуноферментного анализа Bae и коллеги доказали чрезвычайно высокую вариабельность содержания костных морфогенетических белков, даже в разных партиях одного производителя.
Деминерализованный костный матрикс изучался на кроликах и приматах, а недавние клинические исследования подтверждают целесообразность использования ДКМ при постеролатеральном спондилодезе.
Girardi и соавторы сравнили эффективность гелевых композитов на основе ДКМ и аутотрансплантатов гребня подвздошной кости, получив многообещающие результаты.
Аналогичное исследование Vaccaro показало, что паста ДКМ, а также композит с аспиратом костного мозга существенно повышают эффективность постеролатерального спондилодеза, что позволяет ставить их в один ряд с аутотрансплантатом подвздошного гребня.
Альтернативные костные материалы являются очень перспективными при операциях на позвоночнике по поводу сколиоза, где необходим значительный объем материала.
Price и его коллеги определили, что композит ДКМ и костного мозга в этой ситуации работает аналогично аутотрансплантату подвздошного гребня.
Деминерализованный костный матрикс при вентральном спондилодезе ограниченно изучен, и в настоящее время не рекомендуется в клинической практике. Хотя исследования показали эффективность ДКМ при использовании стабилизирующих титановых имплантатов, результаты свидетельствуют о более высокой частоте коллапса костного трансплантата и возникновения псевдоартроза по сравнению а аутогенной костью.
Керамические материалы для спондилодеза
В исследованиях 1990-х годов было обнаружено, что морские беспозвоночные кораллы имеют поразительно похожую микроскопическую пористую структуру с костью.
Chiroff и соавторы предложили использовать эти кораллы в качестве заменителя костного трансплантата, в том числе при операциях на позвоночнике.
Такие керамические материалы состоят из сульфата кальция, гидроксиапатита (ГАП) и трикальцийфосфата, бычьего коллагена, натурального коралла, карбоната кальция или их комбинации. Керамические каркасы являются остеокондуктивными, биоразлагаемыми и практически нивелируют риск передачи инфекционного заболевания.
Кроме того, керамика нетоксична и неиммуногена, она легко стерилизуется и может быть изготовлена практически любых размеров и форм. Недостатки керамики заключаются в том, что они обладают ограниченной прочностью на сдвиг и прочность на сжатие.
Керамический материал не является ни остеогенным, ни остеоиндуктивным. Размер пор (100-500 мм) имеет решающее значение для миграции клеток, поступления нутриентов и выведения продуктов метаболизма из формирующейся костной ткани.
Поры обеспечивают фиброваскулярное врастание остеоидного матрикса. Минерализация остеоида идет путем внутримембранной оссификации, а ремоделирование осуществляется при помощи гигантских многоядерных клеток.
Гидроксиапатит, трикальцийфосфат или комбинация этих материалов — наиболее часто используемые керамические каркасы. Но в последнее десятилетие исследования композитов из синтетических материалов в качестве заменителей кости расширились благодаря возможности манипулировать свойствами композитов.
Было проведено несколько исследований на животных, чтобы подтвердить остеокондуктивность керамики, но клинических исследований недостаточно.
Керамические каркасы сейчас применяют клинически в качестве расширителя костного трансплантата для постеролатерального спондилодеза. Несколько крупных исследований подтвердили эффективность и безопасность данного материала.
Однако в проспективном рандомизированном исследовании, проведенном Korovessis и соавторами, аутотрансплантат подвздошной кости превзошел коралловый гидроксиапатит с аутокостью и костным мозгом при постеролатеральном спондилодезе.
Керамические каркасы также показали свою эффективность при хирургическом лечении сколиоза. Ransford, Muschik и другие авторы провели свои исследования, в ходе которых пористые керамические каркасы успешно использовались с данной целью.
Thalgott и коллеги предложили использовать коралловый гидроксиапатитовый керамический каркас для вентрального спондилодеза, однако керамика не могла противостоять естественным силам без дополнительного усиления титаном.
Другие синтетические формы керамики представлены инъекционными продуктами (используются в вертебропластике) и неинъекционным трикальцийфосфатом.
Неинъекционный трикальцийфосфат демонстрирует хорошие рентгенографические результаты при одно- или двухуровневом поясничном спондилодезе в комбинации с ламинарными аутотрансплантатами.
ДКМ и керамические каркасы уместны для применения в постеролатеральном спондилодезе. Тем не менее, использование других остеоиндуктивных, остеокондуктивных или остеогенных агентов может предоставить дополнительные возможности.
Костные морфогенетические белки
КМБ являются членами семейства трансформирующих факторов роста бета (TGF-β).
Связывание КМБ с его рецепторами, расположенными на поверхности остеогенных клеток-предшественников, приводит к внутриклеточному каскаду, запускающему эндохондральную оссификацию.
Костные морфогенетические белки доступны только после того, как костный матрикс подвергся деминерализации. Для извлечения даже небольшого количества КМБ нужно огромное количество кости, что делает их необычайно дорогими.
Достижения в таких технологиях, как молекулярное секвенирование и клонирование, позволили производить большие количества рекомбинантных белков, включая КМБ.
Рекомбинантный КМБ-2 с рекомбинантным КМБ-7 применяются в клинической практике и продолжают изучаться. rhКМБ растворим, быстро диффундирует из области сращения костей и инактивируется при использовании без посторонней помощи.
Перечисленные выше свойства диктуют важную особенность использования rhКМБ: белок должен быть включен в несущую матрицу, которая периодически высвобождает вещество.
Несколько исследований на животных показали эффективность rhКМБ-2 и КМБ-7 при вентральном и постеролатеральном спондилодезе. Результаты последних исследований демонстрируют быстрое, хорошо контролируемое заживление.
Исследование, проведенное Boden и соавторами, показало высокую скорость сращения позвонков для керамических композитов с rhКМБ-2, сопоставимую или даже лучшую по сравнению с традиционными аутотрансплантатами.
В другом исследовании Dimar и соавторы сопоставляли бычий коллаген или трикальций / гидроксиапатитовый композит с rhКМБ-2 с аутотрансплантатами гребня подвздошной кости для одноуровневого постеролатерального сращения позвоночника.
Композит бычьего коллагена и трикальций / гидроксиапатит с rhКМБ-2 продемонстрировал более высокую скорость сращения, чем у аутотрансплантата гребня подвздошной кости.
Существует достаточно доказательств, что коллагеновые композиты с костными морфогенетическими белками существенно превосходят аутокость. Таким образом, КМБ открывает дорогу к новым, более эффективным костным материалам для спондилодеза.
Однако McClellan, Pradhan и другие авторы приводят неблагоприятные результаты, свидетельствующие о повышенной скорости резорбции и других факторах.
При вентральном спондилодезе шейного отдела позвоночника, несмотря на высокую скорость сращения, коллагеновые композиты с rhКМБ-2 продемонстрировали более высокий риск ограничения движений и радикулопатии по сравнению с использованием аутотрансплантата.
Аутологичный концентрат тромбоцитов
Дегрануляция тромбоцитов и высвобождение факторов роста инициируют заживление переломов и сращение кости. Тромбоцитарный фактор роста и TGF-β стимулируют этот процесс, способствуя пролиферации мезенхимальных стволовых клеток и остеобластов.
Концентрат аутологичного фактора роста получают из ультраконцентрированных тромбоцитов. Сообщалось, что AGF усиливает образование костной ткани при поясничном спондилодезе и других операциях на позвоночнике
Weiner и соавторы провели ретроспективное исследование, в ходе которого сравнивали чистый аутотрансплантат с композитом аутотрансплантат + AGF при постеролатеральном спондилодезе. Последний, как выяснилось, не влияет на эффективность лечения.
Кроме того, проспективное исследование Hee и соавторов, показало, что концентрат аутологичного фактора роста при трансфораминальном межтеловом спондилодезе не увеличивает скорость сращения позвонков.
Carreon продемонстрировал, что аутологичный тромбоцитарный гель при добавлении к аутотрансплантату не повышает скорость сращения при постеролатеральном спондилодезе, не превосходя таковую в контрольной группе аутотрансплантата.
Потенциал самообновления и мультипотентность мезенхимальных стволовых клеток вызвали большой интерес в клинической сфере.
Полученные из костного мозга мезенхимальные стволовые клетки (МСК) обладают определенной эффективностью при спондилодезе. Исследование Caplan, который оценивал МСК для постеролатерального поясничного спондилодеза на модели кролика, показало, что результаты МСК сопоставимы с результатами аутотрансплантата.
Другое исследование, проведенное Wang и соавторами, включало посев аутологичных на керамический композит с фосфатом кальция в модели макаки-резуса. Последний улучшает результаты процедуры переднего поясничного межтелового спондилодеза.
Достижения тканевой инженерии в хирургии позвоночника
В настоящее время тканевая инженерия является интересной областью, показывающей большие перспективы и применимость.
Создаваемые учеными каркасы из биоматериала и соответствующего типа клеток являются биосовместимыми и обладают физико-химическими свойствами, сопоставимыми с нативной тканью. Тканевые каркасы для спондилодеза пока не разработаны, но предварительные результаты исследований являются многообещающими.
Синтетические полимеры — наиболее актуальные биоматериалы благодаря высокой пористости, биосовместимому профилю и высокой посевной способности клеток.
Многие синтетические полимеры уже нашли место в других областях тканевой инженерии, и те материалы, которые демонстрируют привлекательные остеогенные свойства, должны быть изучены в контексте нейрохирургии и ортопедической хирургии.
В исследовании Yong поликапролактоновый каркас с рекомбинантным hКМБ-2 показывает более высокую скорость сращения на модели овец, чем аутотрансплантаты. Эти результаты представляют интерес для хирургов, однако до оптимизации синтеза инновационного продукта и выхода на рынок потребуется время.
Гидрогели также имеют огромные перспективы в области тканевой инженерии.
Гидрогели состоят из сильно гидратированных полимеров с различными механическими и разлагающими свойствами. Гидрогели выделяют нутриенты в межклеточное пространство или механически укрепляют участок сращения костной ткани.
Исследование, проведенное Okamoto и соавторами, показало, что в модели постеролатерального спондилодеза у крыс с аутотрансплантатом и гидрогелем желатина, дополненным трикальцийфосфатом и факторами роста, значительных остеогенных изменений не наблюдалось.
Хотя эта область только начинает развиваться, контролируемое высвобождение факторов роста при сращения позвонков делает гидрогели очень привлекательным вариантом.
Генная терапия для спондилодеза
Ранее генная терапия использовалась при лечении наследственных заболеваний.
Но последние исследования были сосредоточены на доставке генов и замедленном высвобождении биологически активных белков-мишеней.
При спондилодезе можно использовать гены, кодирующие остеоиндуктивные или остеогенные факторы костной ткани. Клетки высвобождают целевой белок в межклеточную среду, чтобы максимизировать остеоиндуктивные и остеогенные свойства этих факторов.
Генная терапия имеет множество потенциальных клинических преимуществ: она относительно рентабельна, не требует культивирования собственных клеток пациента, а техника трансдукции относительно проста. Основным недостатком, связанным с генной терапией, является сложность оценки трансдукции in vivo.
Генная терапия оказалась успешной in vivo на животной модели спондилодеза.
Alden и коллеги вводили ген КМБ-2 в параспинальную область голых крыс и наблюдали образование эндохондральной кости через 12 недель после инъекции.
В аналогичном исследовании Helm и соавторы успешно вводили ген КМБ-9 в параспинальные мышцы голых крыс. Образование костей наблюдалось в месте инъекции через 16 недель после инъекции. Эти и другие исследования демонстрируют, что генная терапия может использоваться в практике хирургии позвоночника.
Для реализации этого подхода используются различные техники ex vivo.
Это требует наличия аутогенных клеток-мишеней, которые получают из донорского участка. Собранные клетки размножают в культуре, трансдуцируют и затем имплантируют пациенту.
Преимущества техники ex vivo состоят в том, что врач может выбирать тип клеток, а количество культивируемым клеток практически не ограничено.
Основными недостатками этого метода является то, что требуется дополнительная стадия забора биоматериала, а культивирование в лаборатории увеличивает время и стоимость.
Благодаря выраженным остеогенным и остеоиндуктивным свойствам мезенхимальные стволовые клетки можно использовать в качестве носителя для генной терапии.
Для латерального межтелового спондилодеза Boden и соавторы усиливали мезенхимальные стволовые клетки белком минерализации LMP-1, используя методику ex vivo, и сообщили об успешном сращении позвонков в кратчайшие сроки.
В аналогичном исследовании Viggeswarapu сообщалось об успешном постеролатеральном спондилодезе на модели кролика с использованием МСК + LMP-1 (Ad-LMP-1).
Wang и соавторы также сообщили об успешной генной терапии ex vivo для постеролатерального спондилодеза на модели крыс Льюиса с использованием мезенхимальных стволовых клеток с Ad-КМБ-2.
Dumont вводил человеческие МСК с Ad-КМБ-9 в параспинальные мышцы голых крыс и продемонстрировал формирование кости в месте инъекции через 8 недель после введения. Эти исследования указывают на значительный потенциал генной терапии.
В США, Китае и ряде стран Европы были проведены исследования, направленные на повышение эффективности генной терапии. В частности, Zhu и соавторы оценили свойства комбинированного Ad-КМБ-2 и Ad-КМБ-7 при постеролатеральном спондилодезе in vitro.
Авторы пришли к выводу, что остеогенная активность клеток была выше для комбинированных Ad-КМБ-2 и Ad-КМБ-7, чем для каждого КМБ отдельно.
Аденовирусы являются наиболее распространенным средством доставки вирусов для заживления кости благодаря своей высокой способности к трансфекции и способности индуцировать выработку большого количества цитокинов.
Однако существуют ограничения, связанные с использованием аденовирусных векторов.
Продукция белка в значительной степени ограничена из-за неспособности векторов интегрироваться в геном хозяина. Это, скорее всего, связано с эписомальной природой аденовирусной ДНК, которая делает ее более восприимчивой к дегенерации нуклеазы.
Аденовирусные векторы могут стимулировать иммунный ответ хозяина, непосредственно продуцируя белки. Иммунная система хозяина может затем разрушить трансдуцированную клетку, делая клетку клинически бесполезной.
Другие вирусные векторы, включая аденоассоциированный и лентивирусный вектор, изучаются с целью компенсации проблем, связанных с аденовирусными векторами.
Несмотря на то, что генная терапия на основе вирусов является многообещающей, по-прежнему существуют серьезные риски в плане безопасности вирусных векторов.
Требуются дополнительные исследования профиля побочных эффектов и отсроченных последствий, прежде чем вирусные векторы появятся в хирургии позвоночника.
На сегодняшний день аутокость считается наиболее эффективным костным материалом для спондилодеза. Тем не менее, альтернативные материалы активно изучаются и внедряются в клиническую практику, в том числе деминерализованный костный матрикс.
Новые материалы устраняют риски, связанные с получением аутокости, и способствуют повышению эффективности лечения за счет добавления биологических молекул — факторов роста костной ткани. Существуют убедительные доказательства, что рекомбинантные КМБ могут использоваться для ускорения сращения позвонков при спондилодезе.
Инновационные технологии, такие как МСК, генная терапия и тканевая инженерия, показывают большие перспективы в моделях на животных. Будущие исследования должны дополнительно оценить клиническую значимость и применимость этих новых технологий.