Современные перспективы разработки материалов для стабилизирующих вмешательств на позвоночнике с применением спондилодеза (обзор)

Введение

В последние годы наблюдается рост числа патологий опорно-двигательного аппарата. У пациентов пожилого возраста наиболее часто встречаются дегенеративные заболевания позвоночника, лечение которых возможно только путем операции с применением спондилодеза. Несмотря на развитие медицинских технологий, количество неудачных результатов в этой группе больных остается высоким в связи с псевдоартрозом и дестабилизацией фиксатора [1]. Следующими по частоте возникновения заболеваниями, требующими использования костной пластики, являются травмы скелета, онкологические и инфекционные поражения опорно-двигательного аппарата [1–3]. Образовавшиеся вследствие патологического процесса или травматического повреждения дефекты костной ткани нуждаются в замещении различными материалами для восстановления опороспособности поврежденного сегмента [1]. На сегодняшний день при оперативных вмешательствах с применением костной пластики используют как аутологичные, аллогенные и ксеногенные трансплантаты, так и альтернативные искусственные заместители.

Костная аутопластика остается «золотым стандартом» лечения, поскольку только аутотрансплантаты обладают всеми необходимыми свойствами для наиболее эффективной остеоинтеграции [4, 5]. При этом применение аутотрансплантатов ограничено из-за невозможности получить большое количество материала и осложнений при заборе костной ткани [5]. Так, у пациентов с остеопорозом качество аутотрансплантатов, как правило, невысокое, а также сообщается о негативных последствиях взятия у них аутотрансплантатов [6].

Альтернатива костной аутопластике — применение аллогенных и ксеногенных трансплантатов. Одним из наиболее очевидных их недостатков является то, что они могут быть причиной развития клеточно-опосредованной иммунной реакции отторжения или носителями патогенных инфекционных агентов [5, 7]. Кроме того, эти трансплантаты не обладают свойствами остеогенеза и остеоиндуктивности [5].

Существующие ограничения в применении аллогенных и ксеногенных трансплантатов поддерживают интерес к материалам синтетического и биологического происхождения. Разработаны материалы со сложной внутренней архитектурой (имитирующей трабекулярную структуру губчатой кости), способствующей миграции, адгезии, пролиферации и дифференцировке предшественников остеобластов. При этом они все еще не обладают свойствами, которые могут обеспечить оптимальную остеоинтеграцию трансплантатов.

Недостатки костно-замещающих материалов послужили причиной развития более амбициозных стратегий, включающих в себя инженерию костной ткани в сочетании с применением клеточных технологий и факторов роста [8–10].

Для оценки качества и эффективности функцио­нирования пластических материалов клиницисты используют в основном рентгенологический метод, а также КТ, МРТ. Это связано прежде всего с тем, что в клинических исследованиях неприемлемо осуществлять забор имплантата вместе с окружающей костной тканью для гистологического изучения. В таких случаях визуализировать регенерацию кости вокруг имплантата позволяют указанные методы верификации, которые, однако, лишены возможности идентифицировать тонкие соединительнотканные капсулы, разграничивающие костную ткань и поверхность имплантатов (это приводит к подвижности имплантата), а также оценивать характер остеогенеза с направлением дифференцировки клетки: через остеобластический ряд — непосредственно с формированием молодой костной ткани — или путем энхондрального остеогенеза — через хрящеобразование. Эти процессы остеогенеза характеризуются разными сроками регенерации и, несомненно, влияют на скорость восстановления структуры и функции органа, что имеет большое практическое значение [11]. Единственным достоверным методом верификации факта остеоинтеграции в данном случае является морфологическое исследование с морфометрическим анализом детекции границы кость–имплантат, определяющей прямой контакт костной ткани и поверхности имплантата без разграничивающей со­единительнотканной капсулы [12–14].

Известно, что среднее время восстановления костной ткани после образования дефекта составляет 6,6 мес, оно может увеличиваться при наличии таких неблагоприятных факторов, как остеопороз и эндокринная патология, что обусловливает еще более долгий срок реабилитации, который не устраивает ни пациентов, ни докторов. С этой точки зрения представляется актуальным поиск пластических материалов, обладающих не только свойствами биосовместимости и биоинтеграции, но и наибольшей скоростью репаративной регенерации с трансформацией непосредственно в костную ткань.

Аутотрансплантаты

Идеальный костно-пластический материал должен обладать следующими свойствами: остеогенностью, остеоиндуктивностью, остеокондуктивностью и способностью к остеоинтеграции без формирования отграничивающей капсулы вокруг имплантата [5, 15].

Остеогенность — это способность образовывать костную ткань за счет имеющихся в трансплантате остеобластов или дифференцировки клеток-предшественников в остеобласты.

Остеоиндуктивность — возможность индуцировать формирование остеобластов за счет дифференцировки мезенхимальных стволовых клеток и их миграцию из тканей реципиента. Такими свойствами обладают факторы роста BMP-2, BMP-7, TGF-β, IGF, FGF, PDGF [16].

Остеокондуктивность — способность трансплантата стать резорбируемой матрицей, которая благоприятствует врастанию костной ткани и сосудов с границы трансплантат–донорское место. Указанные свойства трансплантата в итоге реализуются в остеоинтеграцию — способность сращения с окружающей костной тканью без формирования пограничной капсулы из соединительной ткани, обеспечивая тем самым полное включение трансплантата в структуру кости реципиента [5].

Очевидно, что всеми названными свойствами обладают только аутотрансплантаты: они содержат остеобласты, клетки-предшественники, осуществляющие остеогенез [9, 17]. Живые клетки, сохраняющиеся в аутотрансплантате, синтезируют факторы роста, стимулирующие миграцию клеток-предшественников остеогенеза, рост сосудов и формирование новообразованной кости, что свидетельствует об остеоиндуктивности. Аутотрансплантаты имеют структуру, оптимальную для прорастания клеток, сосудов с последующей перестройкой и остеоинтеграцией. Немаловажно, что аутокость обладает идеальной био­логической совместимостью, поскольку не вызывает опосредованного иммунной системой отторжения [18]. Наиболее часто для взятия трансплантатов используют крыло подвздошной кости, лучевую кость, ребро и малоберцовую кость [19–21].

Тем не менее аутологичная костная пластика не лишена недостатков, которые значительно ограничивают ее применение. Известно, что забор аутотранс­плантата является достаточно травматичным опе­ративным вмешательством, удлиняющим время операции и сопряженным с риском дополнительных осложнений. Так, в литературе описан длительно сохраняющийся болевой синдром в области донорского места, сообщается о формировании гематом, переломе костей таза и лучевой кости, повреждении илиоингвинального нерва, кожного нерва бедра и лучевого нерва, гнойно-воспалительных осложнениях [22–24]. При операциях на позвоночнике также вероятны потеря механической плотности аутотрансплантата, его частичная резорбция и миграция из сформированного ложа, что, как правило, требует ревизионных оперативных вмешательств [25]. Одним из основных недостатков аутологичной костной пластики является невозможность получить большое количество материала, достаточного для замещения больших костных дефектов [17].

Аллотрансплантаты и ксенотрансплантаты

Учитывая недостатки аутологичной костной пластики, достаточно широкое распространение получили альтернативные методы лечения с применением аллотрансплантатов и ксенотрансплантатов.

Аллотрансплантаты — это разновидность костнопластического материала, который получен и используется в пределах одного вида, в то время как ксенотрансплантаты представляют собой материал, донором которого является организм другого вида [26]. Очевидно, что их продажа как готовых медицинских изделий может позволить преодолеть такой негативный фактор, как недостаточное количество костнопластического материала при аутопластике [27].

Недостатком замещения костных дефектов с применением алло- и ксенотрансплантатов является то, что эти материалы не содержат живых клеток, обладающих способностью к остеогенезу, и имеют меньшую остеоиндуктивность [28]. Обсуждаются потенциальные риски их применения для замещения костной ткани. Если при использовании аллотрансплантатов возможна передача трансмиссивных инфекций, то при применении ксенотрансплантатов — инфицирование зоо­нозными заболеваниями, такими, как прион-инфекция [26, 29–32]. Аллокость и ксенотрансплантаты имеют в своей структуре чужеродные антигены, которые могут быть причиной биологической несовместимости и в итоге привести к отторжению трансплантата [28, 32].

Известно, что остеоинтеграция происходит в 5 стадий: воспаление, реваскуляризация, остеоиндукция (дифференцировка полипотентных клеток в остеобласты) и остеокондукция, которая завершается ремоделированием костной ткани [9, 32]. Во время второй и третьей стадий возможна сенсибилизация к антигенам при алло- и ксенотрансплантации; здесь существенное значение имеет, какой тип иммунного ответа разовьется в ответ на применяемый костно-пластический материал: опосредованный преимущественно Th1- или Th2-лимфоцитами [7, 33]. Синтез Th1-лимфоцитами TNF-β, IFN-γ, IL-2 приводит к активации макрофагов. С другой стороны, Th2-лимфоциты продуцируют IL-4, IL-6, IL-10, которые не активируют фагоцитоз и способствуют остеоинтеграции.

В зависимости от экспрессии рецепторов макрофаги классифицируются на М1 и М2. М1-макрофаги экспрессируют CD68 и CD80 и продуцируют большое количество провоспалительных цитокинов — IL-12, TNF, в итоге стимулируя воспаление, отграничение трансплантата капсулой из соединительной ткани. М2-макрофаги экспрессируют CD163, стимулируют Th2-лимфоциты, продуцируют IL-10, TGF, ингибируя воспалительную реакцию и стимулируя ремоделирование костной ткани [7, 33]. Наличие цитоплазматических белков и антигенов клеточного ядра активирует иммунный ответ, опосредованный M1-макрофагами и Th1-лимфоцитами. Такой иммунный ответ приводит к отторжению костнозамещающего материала [34, 35].

Для того чтобы избежать отторжения трансплантата, применяют различные методы обработки алло- или ксеноматериала с целью уменьшения нагрузки чужеродными антигенами: замораживание или замораживание с высушиванием [32, 36–38]. Существуют и другие более эффективные способы элиминации ядерными и цитоплазматическими антигенами. Для удаления клеточного материала используют Тритон Х-100, ЭДТА, трипсин, додецилсульфат натрия [39–41]. Однако эти агенты способны негативно влиять на механические свойства трансплантатов, что может ухудшить результаты таких операций, как спондилодез, поскольку здесь важна опорная функция применяемых трансплантатов [37, 39, 41, 42].

В попытках избавиться от осложнений при применении аллотрансплантатов пришли к использованию деминерализованного костного матрикса (ДКМ), который содержит протеины, стимулирующие остеогенез [43, 44]. Получают костный матрикс путем деминерализации костной ткани, в которой к концу процесса остается незначительное количество кальцифицированной субстанции, но этот материал богат коллагеном 1-го типа и в нем сохраняются факторы роста [45]. Данные об эффективности применения ДКМ в хирургии позвоночника до сих пор различаются вследствие неоднородности, ограничений дизайна исследований и сильно варьирующих характеристик ДКМ, особенно в отношении активности факторов роста [45, 46]. Преимуществами ДКМ являются стерильность и сниженная антигенность [47–49]. Однако у ДКМ присутствует ряд существенных недостатков: он может выступать в качестве аллергена и имеет низкую механическую прочность. Последний фактор не позволяет использовать данный пластический материал в виде опорного имплантата, поэтому ДКМ применяется как остеообразующая добавка [44, 50, 51].

При замещении больших дефектов костной ткани c использованием различных тканеинженерных конструкций одной из основных проблем является обеспечение надлежащей трофики для адекватной остео­интеграции. Это критический этап всей технологии, особенно если в область костного дефекта вносятся жизнеспособные клетки, и без должного кровоснабжения можно ожидать их гибели. Клетки, отдаленные от гемомикроциркуляторного русла более чем на 200–500 мкм, гибнут в ходе эксперимента, а костный матрикс замещается волокнистой соединительной тканью [52]. Для обеспечения трофики в области костной пластики изучается модель артериовенозной петли, состоящей из артериального и венозного сосудов, искусственно анастомозированных аутовеной. Артериовенозная петля, помещенная в центральную часть трансплантата, является источником осевой васкуляризации, в результате чего изнутри образуется новая капиллярная сеть — внутренняя васкуляризация, что в сочетании с периферическим ангиогенезом (внешняя васкуляризация) обеспечивает адекватное кровоснабжение, в итоге способствуя выживаемости клеток, входящих в состав имплантатов [53].

Материалы биологического и синтетического происхождения

Недостатки костной пластики с применением аутологичного материала, аллотрансплантатов и ксено­трансплантатов являются причиной неослабевающего интереса к разработке синтетических материалов, которые могли бы стать скаффолдами для замещения костной ткани. Стремление достигнуть таких свойств, как остеоиндукция и остеогенез, служит мощным стимулирующим фактором для поиска решений с применением клеточной и тканевой инженерии [5]. В действительности обработка ксено- и аллотрансплантатов уже может считаться тканевой инженерией, но в настоящее время разработаны и применяются новые методы замещения костной ткани. Современные материалы, которые используют с этой целью, можно классифицировать как имеющие биологическое происхождение (например, коллаген) и синтетические. Биологические материалы, изготовленные из алло- или ксенокости, обладают остеокондуктивностью, резорбируемостью остеокластами в сроки от 4 до 12 мес и замещаются органотипической костной тканью (при аллогенных материалах) или грубоволокнистой соединительной тканью (при ксеногенных материалах) [54]. Для синтетических материалов основной целевой характеристикой является остеокондуктивность со стабильностью химического состава, геометрической формы, структуры и скорости биологической деградации [4].

Биологические материалы. Из материалов, имеющих биологическое происхождение, для регенерации костной ткани чаще всего используют коллаген, хитозан и альгинат. Доказана эффективность применения коллагеновых трансплантатов с упорядоченным расположением волокон, их способность к пролиферации и дифференцировке клеток в остеобласты [55]. В настоящее время материалы на основе коллагена используют в основном в качестве носителей биологически активных молекул с остеоиндуктивными свойствами [16, 56]. Тем не менее трансплантаты, состоящие только из коллагена, не обладают достаточной прочностью, чтобы служить приемлемым материалом для осуществления костной пластики [5]. С целью улучшения качества костнопластического материала на основе коллагена изучается возможность изготовления композитного материала с добавлением эластина. В исследованиях in vitro доказано, что эластин улучшает не только механические свойства трансплантата, но и остеогенную дифференцировку клеток [57]. Также ведется разработка композитных материалов на основе коллагена, кальция фосфата и минерализованного коллагена, которые по биологическим и физическим свойствам значительно ближе к костной ткани [58, 59]. Для доставки клеток и билогически активных остеоиндуктивных молекул рассматривают возможность использования материалов на основе целлюлозы и коллагена, коллагена и альгината [60, 61].

Переспективным для костной пластики считают хитозан. Он разрешен к применению как гемостатический материал. При деполимеризации хитозана выделяются олигосахариды, обладающие антибактериальным эффектом [62]. Материал устойчив и сохраняет молекулярную структуру в нейтральной среде, но деградирует в кислой среде. Хитозан индуцирует пролиферацию остеобластов, мезенхимальных клеток, стимулирует неоваскуляризацию [62]. Благодаря положительному заряду этого полимера он может эффективно связывать имеющие преимущественно негативный заряд молекулы факторов роста, постепенно выделяя их в кислой среде [63]. Известно, что уже созданы композитные материалы на основе хитозана и кальция фосфата [63].

В нашей стране доступны такие костнопластические материалы биологического происхождения, как «Остеоматрикс» и «Остеопласт». «Остеоматрикс» (ООО «Конектбиофарм», Россия) представляет собой композицию природных коллагена и гидроксиапатита с аффинно-связанными сульфатированными гликозаминогликанами (сГАГ) [64]. «Остеопласт» (НПК «Витафарм», Россия) состоит из недеминерализованного костного коллагена животного происхождения с сГАГ [65]. Благодаря разработанной технологии изготовления эти биоматериалы являются пока единственными, у которых практически полностью сохранена коллагеновая и минеральная структуры природной кости, но при этом они полностью лишены антигенности. После имплантации кроликам этих биоматериалов или их аналогов происходит формирование эктопической кости с последующим заселением ее костным мозгом (модели сегментарной остеотомии выполнены по общепринятым методикам). Процессы ангио- и остеогенеза наиболее выражены у «Остеопласта» с ускоренным созреванием новой костной ткани вокруг зоны имплантата [66].

Синтетические материалы. Наиболее популярными синтетическими материалами являются «Рекост», керамика на основе кальция фосфата и его деривативов — например, chronOS (Synthes, Швейцария), биоактивное стекло, полилактацид и поликапролактон триол. Основа материала «Рекост» (Айкон Лаб ГмбХ, Россия) — форполимер, полиол в качестве отвердителя, а также ортофосфат кальция. Готовый «Рекост» имеет пористую микроструктуру [67]. В экспериментальных исследованиях с применением костного цемента «Рекост» [68] учеными из Казани показано восстановление костной ткани путем постепенного замещения цемента грануляционной, а затем соединительной тканью уже на ранних сроках (7–14 дней). При этом практически отсутствует воспалительная реакция с образованием лейкоцитарно-некротических масс и травматического отека. Процесс репаративной регенерации ускоряется, о чем свидетельствует трансформация соединительной ткани непосредственно в костную (через 6 нед) без формирования хряща, что зачастую имеет место при заживлении поврежденной кости. К 12 нед у всех животных наблюдается грубоволокнистая костная ткань с участками пластинчатой кости, полностью восполняющая экспериментальный дефект. Таким образом, костный цемент «Рекост» является биоинертным и биодеградируемым восстановительным материалом, пригодным для реконструктивно-пластических операций.

С момента изобретения в 1986 г. материалы на основе кальция фосфата получили широкое применение в качестве костного цемента для аугментации костной ткани и как костно-пластический материал. Они просты в обращении, легко моделируются по форме костного дефекта, обладают отличной биологической совместимостью [44]. Тем не менее неудовлетворительная прочность и хрупкость ограничивают применение костно-замещающего материала на основе трикальцийфосфата. Перспективным представляется использование этих синтетических материалов в составе композитных имплантатов [44, 51]. Композитные материалы на основе коллагена и кальция фосфата имитируют минерализованный костный матрикс. Установлено, что композитные трансплантаты на основе синтетических полимеров и кальция фосфата стимулируют не только дифференцировку стволовых клеток в остеобласты, но и пролиферацию клеток и синтез костного матрикса [69]. β-трикальцийфосфат-керамика уже 25 лет используется как костно-замещающий материал и пока что считается «золотым стандартом» для искусственной кости [70]. Этот материал — биорезорбируемый, биосовместимый, с хорошей остеокондуктивностью за счет пористой структуры [44, 71, 72]. Сообщающиеся поры материала способствуют колонизации клетками и васкуляризации [41, 73]. Скорость биологической деградации не всегда полностью предсказуема, резорбция кости происходит за счет остеокластов, и через 13–20 нед она замещается новообразованной костью [74, 75]. Тем не менее β-трикальцийфосфат-керамика уступает по механическим свойствам губчатой кости, что необходимо учитывать при ее применении [47]. Недостатки β-трикальцийфосфат-керамики частично устранены добавлением гидроксиапатита. С его помощью получают двухфазный кальция фосфат, который сочетает достоинства двух компонентов: более медленную резорбцию и большую механическую прочность (как у гидроксиапатита) и более быстрое прорастание новообразованной костью, чем при использовании только гидроксиапатита [76, 77].

Биоактивное стекло является относительно новой разработкой и разрешено в настоящее время к применению только в стоматологии. Этот материал на 45% состоит из оксида кремния, на 24,5% — из оксида кальция, 24,5% приходится на оксид динатрия и 6% — на пирофосфат [78]. Биоактивное стекло характеризуется хорошей биологической совместимостью, но не обладает оптимальными механическими свойствами, поэтому чаще всего его используют в комбинации с коллагеном и фибрином. Известно, что биоактивное стекло увеличивает механическую прочность имплантатов из коллагена [79]. Доказано, что материалы на основе биоактивного стекла являются остеоиндуктивными и способствуют дифференцировке мезенхимальных стволовых клеток в остеобласты [80]. Эффективность биологически активного стекла уступает результатам применения аутотрансплантатов при спондилодезе, однако оно обладает антибактериальным эффектом, механизм действия которого сильно отличается от антибактериальных препаратов [81–83]. В связи с этим вероятно, что биоактивное стекло будет востребовано для замещения костных дефектов у пациентов с остеомиелитом, особенно в условиях растущей резистентности бактерий к антибактериальным препаратам [81].

Перспективной считается разработка материалов на основе лактацида, полигликолевой кислоты и полилактид-ко-гликолида [44, 84]. Полигликолевая кислота и полилактацид — полимеры с кристаллической структурой. При кополимеризации этих мономеров снижается степень кристаллизации, что облегчает гидратацию и деградацию полимера. Варьируя соотношение мономеров, расположение стереоизомеров и изменяя молекулярную массу полимера, можно получить материалы с повторяющимися контролируемыми параметрами в отношении способности к биодеградации, которая будет происходить за период от нескольких недель до нескольких месяцев [4, 85, 86]. Лактацид является более гидрофобным, чем полигликолевая кислота, и увеличение его содержания в полимере приводит к замедлению деградации. В течение последних 30 лет разрабатываются трехмерные пористые скаффолды на основе этого полимера.

Несмотря на относительно хорошую биологическую совместимость, материалы на основе полилактид-ко-гликолида обладают слабой остеокондуктивностью вследствие гидрофобности, препятствующей адгезии клеток и пролиферации [78]. Полилактид-ко-гликолид усиливает воспалительный ответ за счет выделения кислых продуктов деградации, которые способны препятствовать колонизации клетками [78, 4]. Тем не менее продукты деградации этого полимера являются естественными метаболитами и не обладают цитотоксическим эффектом [4]. Кроме того, трансплантаты из полилактид-ко-гликолида имеют субоптимальные механические свойства, что затрудняет применение этих материалов, если важна опороспособность трансплантатов. Для того чтобы устранить недостатки остеокондуктивности этого материала, его часто используют в сочетании с другими биополимерами — коллагеном, желатином, хитозаном, а для улучшения механических свойств добавляют поликапролактон [84, 87]. С этой целью применяют также керамику и биоактивное стекло, разрабатывают биологически активные покрытия [84].

Большинство из изученных синтетических материалов не обладают всеми свойствами, оптимальными для эффективного замещения костной ткани [4, 5, 78, 79, 84, 88]. Их улучшение возможно за счет разработки композитных материалов. Известно, что материалы на основе кальция фосфата и коллагена, кальция фосфата и полилактид-ко-гликолида обладают лучшими механическими свойствами и более выраженной остеокондуктивностью. Тем не менее в настоящее время доказано, что так же значимы пористость, размеры пор и их соединенность, скорость деградации матeриала, его гидрофильность [84, 89]. Гидрофобность материалов затрудняет формирование колоний клеток в трансплантате, препятствует прорастанию трансплантата сосудами и новообразованной костной тканью. При оперативных вмешательствах на позвоночнике важна опороспособность трансплантатов. Резистентность кортикальной кости человека варьирует в пределах 90–230 МПа, в то время как резистентность губчатой кости к компрессионным нагрузкам — от 2 до 90 МПа [89]. При недостаточной механической прочности не происходит эффективного распределения нагрузки между металлоконструкцией, фиксирующей поврежденный сегмент, и трансплантатом. Это может привести или к поломке, или к расшатыванию фиксатора. Избыточная твердость фиксатора способна замедлять сращение и вызывать резорбцию костной ткани вокруг трансплантата [90]. Наличие пор обеспечивает необходимую остеокондуктивность и биорезорбируемость искусственных материалов, применяющихся для костной пластики. В эксперименте с кальцийфосфатными материалами доказано, что макропоры размером 100–300 мкм больше всего способствуют прорастанию трансплантата костной тканью [5, 89–92]. Если поры имеют меньший размер (менее 75 мкм), то они часто прорастают неминерализованной костной тканью или даже фиброзной костной тканью [89]. Интересно, но таких закономерностей не выявлено в эксперименте на пористых титановых имплантатах [93], из чего следует, что размер пор для каждого материала должен быть определен отдельно и универсальных параметров нет. Наилучшими свойствами обладают материалы с соединяющимися порами, такие поры — ключевое условие для прорастания костной ткани [94]. С другой стороны, материалы с несоединяющимися порами на более длительное время удерживают остеогенные клетки, что может приводить к более быстрому заполнению пор новообразованной костной тканью [89]. Поры способствуют прорастанию костной ткани в трансплантат, но пористая структура материала ослабляет его механическую прочность. Для разработки эффективного материала необходим рациональный баланс между пористостью и механической прочностью [89].

При разработке трансплантата для костной пластики на основе синтетических материалов остро встает вопрос получения изделий со стандартными свойст­вами (пористость, механическая прочность, сроки деградации) [4, 5, 95], особенно если планируется их промышленный выпуск. Достигнуть стандартной пористости, стандартного состава, структуры и механической прочности можно только с помощью 3D-печати. Другие ранее применявшиеся способы, такие как формирование губки, вспенивание материала, существенно уступают ей по эффективности [95]. В настоящее время растет производство костно-замеща­ющих материалов, полученных методом стреолитографии, наплавления, селективного лазерного спекания и 3D-печати, которые позволяют получать в том числе имплантаты с индивидуальными свойствами [96–99]. Созданы и применяются композитные материалы на основе полимеров, биоактивного стекла, трикальцийфосфатов и коллагена [4]. При всех достоинствах композитных материалов, полученных с помощью аддитивных технологий, нерешенной остается проблема васкуляризации трансплантата, в связи с чем предлагается использовать их или с факторами роста, или с применением клеточных технологий.

Клеточные технологии

В настоящее время очевидно, что улучшить остео­индуктивность и остеогенные свойства костно-замещающих материалов можно только применением клеточных технологий. Ключевая роль в регенерации костной ткани отводится стволовым клеткам — это гетерогенная популяция клеток, которые находятся в крови, жировой ткани, крови пуповины и костном мозге [100]. Стволовые клетки мигрируют в область активного воспалительного процесса в ответ на выделяющиеся хемокины и участвуют в процессе регенерации [101, 102]. При их применении происходит модуляция иммунного ответа — снижение секреции IL-1-β, IL-6, TNF-α, причем стволовые клетки не влияют на синтез IL-10 и IL-13 [103]. Такие клетки способны ингибировать иммунный ответ, являясь супрессорами для дендритных клеток, а также функцию натуральных киллеров, что в итоге может уменьшить иммунную реакцию на трансплантат [104, 105]. Доказано, что в условиях гипоксии и при воздействии различных провоспалительных факторов в области повреждения активируется синтез стволовыми клетками таких биологически активных молекул, как эпителиальный фактор роста EGF, фактор роста фибробластов FGF и инсулиноподобный фактор роста IGF, которые замедляют апоптоз клеток и стимулируют неоангиогенез [106]. Доказано, что при применении стволовых клеток в месте сращения перелома, смоделированного у лабораторных животных, происходит увеличение костной мозоли за счет усиления остеогенеза и хондрогенеза [103]. Эти клетки стимулируют интрамембранозный остеогенез, а если применяется хондрогенная дифференцировка воздействием TGF-β, то наблюдается энхондральное окостенение в новообразованной костной ткани [102]. Аллогенные стволовые клетки способствуют образованию спондилодеза, не вызывая побочных эффектов [107, 108]. Трансплантаты из гидроксиапатита, трикальцийфосфата в сочетании со стволовыми клетками успешно используют при реконструкции краниофациальных и критических дефектов длинной трубчатой кости у животных [108–120]. Клеточные технологии еще не одобрены для клинического применения в большинстве стран, поэтому встречается мало сообщений об успешном замещении у пациентов костного дефекта трансплантатом со стволовыми клетками [108, 121, 122].

Несмотря на обнадеживающие результаты, остается открытым вопрос в отношении эффективности и безопасности методик с примененим стволовых клеток, о возможных иммунных реакциях при использовании аллогенных стволовых клеток [102]. Есть данные о том, что пролиферация стволовых клеток может стать неконтролируемой, а мезенхимальные стволовые клетки — туморогенными [123]. Встречаются сообщения о формировании саркомы в области воспринимающего ложа предположительно за счет супрессии противоопухолевого иммунитета [124]. В связи с этим в настоящее время считаются перспективными работы, направленные на изучение дифференцировки стволовых клеток в остеогенном или хондрогенном направлении [96].

Факторы роста

Для улучшения остеоиндуктивных свойств костно-замещающих материалов исследуют возможность применения факторов роста, однако полученные результаты неоднородны. Наиболее изученные факторы роста — bone morphogenetic protein 2 (BMP-2), BMP-7, fibroblast growth factor (FGF), platelet-derived growth factor (PDGF), transforming growth factor beta 3 (TGF-β3), vascular endothelial growth factor (VEGF), IGF (инсулиноподобный фактор роста) [16].

Костные морфогенетические белки представляют собой многофункциональные ростовые факторы, оказывающие значительное воздействие на рост, дифференцировку и апоптоз различных типов клеток, включая остеобласты, эпителиальные и нервные клетки, хондробласты [125, 126]. Также эти белки ускоряют дифференцировку мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток в остеобласты и хондробласты, увеличивают синтез остеокальцина, ускоряют синтез коллагена, повышают активность щелочной фосфатазы, стимулируют синтез внеклеточного матрикса и его последующую минерализацию [127]. В настоящее время открыто 20 разновидностей ВМР, но только у BMP-2, -4, -6, -7 выявлены значительные остеоиндуктивные свойства [128, 129]. Под влиянием BMP-2 и BMP-7 происходит усиление остеогенеза в 1,2–21,0 и 1,1–95,0 раза соответственно, однако оптимальная концентрация этих факторов роста неизвестна: разброс применяемых в экспериментах доз варьировался от 5 до 100 мкг для BМP-2 и от 100 мкг до 3,5 мг для BMP-7 [16]. Выявлено, что совместное действие BMP-2 и BMP-7 синергично, в этом случае остеогенез усиливается в 1,5 раза по сравнению с моделями, в которых каждый фактор применялся по отдельности. При одновременном применении VEGF и BMP-2 улучшается регенерация костной ткани, так как первый фактор стимулирует неоангиогенез, а второй — остеогенную дифференцировку клеток [16]. В качестве носителей для BMP на сегодняшний день используют различные материалы, такие как деминерализованный костный матрикс, коллагеновые губки, хитозан, желатин, гидроксиапатит. Носители обеспечивают не только доставку ВМР в место их биологического действия, но и сохранение остеоиндукторов в зоне воздействия в течение длительного периода времени, необходимого для формирования новой кости [62, 129, 130]. При планировании лечения пациента с использованием ВМР следует учитывать возраст реципиента, поскольку он напрямую влияет на биологический потенциал многих факторов роста. Остеоиндуктивная способность BMP снижается как минимум в 2 раза у пожилых пациентов, следовательно, требуются более высокие дозы, чтобы вызвать ощутимый стимулирующий эффект на образование костной ткани [131, 132].

В клинических исследованиях по применению рекомбинантного человеческого BMP-2 при спондилодезе на уровне поясничного и шейного отделов сообщается об эффективности этого фактора, превышающей даже использование аутотрансплантатов [133–136]. Тем не менее частота осложнений составляет 11%, а выявляемость злокачественных опухолей — 3,4%, также отмечены иммунные реакции на BMP-2, случаи почечной недостаточности и наджелудочковой аритмии [137–139]. BMP-2 рекомендован к применению в спинальной хирургии для ускорения формирования костного блока. Клинических данных в отношении BMP-7 недостаточно для каких-либо выводов [140].

Определенный интерес как потенциальный фактор, стимулирующий регенерацию костной ткани, вызывает FGF-2. Его доза в экспериментах варьировала от 0,01 до 200 мкг. Было выявлено, что под воздействием этого фактора роста происходит усиление остеогенеза в 1,1–16,4 раза [16]. Эффект дозозависим, предполагаемый механизм действия FGF-2 — неоангиогенез и оссификация, однако некоторые авторы считают, что этот фактор роста фибробластов в большей степени влияет на хондрогенез, чем на остеогенез [16, 140, 141]. Воздействие FGF-2 на остеогенез сильнее, чем FGF-1, но при постоянном поступлении фактора в область остеогенеза его эффективность снижается. Совместное применение BMP-2 и FGF-2 снижает эффективность первого: фактор роста фибробластов тормозит остеогенез [16].

Предполагается, что PDGF может регенерировать костную ткань как митоген. Он способен быть хемоаттрактантом для стволовых клеток и стимулировать секрецию факторов роста макрофагами [142–144]. PDGF усиливает регенерацию в области костного дефекта в эксперименте в 1,4–2,4 раза, применяемые при этом дозы — 0,01–80,0 мкг [16]. При высоких дозах отмечено, что в некоторых случаях снижается костная плотность в области остеогенеза, также отмечено, что в некоторых случаях не происходит сращения перелома при совместном применении PDGF и VEGF [16]. При сочетании PDGF и BMP-2 последний усиливает остеогенез, предположительно этот фактор необходим для энхондрального окостенения [16]. Тем не менее опубликованы данные, не подтверждающие значимого влияния PDGF на регенерацию костной ткани [145].

TGF-β — один из важнейших факторов остеогенеза, но его роль неоднозначна. Как правило, действие фактора способствует формированию хряща с последующим окостенением. Изолированное применение TGF-β3 приводит к повышению интенсивности остеогенеза в 1,75–3,0 раза. Иногда происходит формирование хряща без увеличения костной массы. Существенно повышает эффективность TGF-β его совместное применение с BMP-2 или стволовыми клетками, тогда интенсивность остеогенеза увеличивается в 5 раз [16]. Известно, что TGF-β1 улучшает синтез м-РНК-маркеров остеобластов и щелочной фосфатазы стволовых клеток мышей, но тормозит экспрессию остеокальцина [146, 147]. Его эффекты зависят как от плотности клеток, так и от стадии дифференцировки; эффект является дозозависимым и имеет двухфазное действие [148–151]. Однократное воздействие TGF-β1 в дозе 1 нг/мл приводит к дифференцировке остеобластов, повторное — тормозит дифференцировку [152, 153]. Основной механизм ингибирования при повторном воздействии — снижение синтеза IGF-1 [153]. Если добавить 200 нг/мл экзогенного IGF-1, то это восстановит синтез щелочной фосфатазы остеобластами, таким образом устранится вызванная TGF-β1 супрессия [153].

Значимый фактор для дифференцировки остеобластов, а также для роста кости — IGF-1. Он вырабатывается остеоцитами и зрелыми остеобластами, депонируется в кости, высвобождается по мере резорбции. Цитокин не вызывает остеогенную дифференцировку стволовых клеток, но усиливает функцию зрелых остеобластов [153, 154]. IGF-1 связан с модулированием механотрансдукции в костной ткани [154]; повышение синтеза фактора роста является ранним ответом костной ткани на механическую нагрузку. При гиперсекреции IGF-1 у трансгенных мышей происходит повышенный остеогенез в ответ на механическую нагрузку [155–157]. При отсутствии нагрузки на кость введение IGF-1 не приводит к повышенному остеогенезу [158, 159]. Повреждение в гене IGF-1 остеобластов значительно снижает остеогенез в ответ на механическую нагрузку [159]. Роль цитокина для костной пластики исследована в экспериментах на животных; IGF-1 совместно с PDGF положительно влиял на интеграцию имплантатов [160].

Опубликовано немало работ, посвященных возможности применения цитокинов группы VEGF для улучшения костной регенерации. Ведущими звеньями патогенеза при повреждении костной ткани являются некроз и гипоксия. VEGF необходим для формирования нормальной сосудистой сети в местах повреждения ткани [161]. При введении имплантатов с VEGF в область костного дефекта усиливается васкуляризация и происходит увеличение костной массы в 1,6–2,0 раза [161]. С другой стороны, есть сообщения о том, что происходит лишь усиление ангиогенеза без увеличения костной массы [16]. Вероятная причина таких противоположных результатов — кинетика высвобождения VEGF из носителя. Необходимо медленное и длительное высвобождение VEGF, иначе возможно формирование капилляров без связи с сосудистым руслом или образование ангиом при гиперстимуляции [162].

Гомолог VEGF — плацентарный фактор роста (PlGF) — также рассматривают как фактор с потенциальным влиянием на регенерацию костной ткани. Есть данные, подтверждающие его важность в четырех ключевых процессах восстановления кости. Прежде всего PlGF необходим для эффективной инициации воспалительного процесса и ангиогенеза в ответ на повреждение. Во-вторых, он влияет на пролиферацию и дифференциацию мезенхимальных клеток-предшественников. В-третьих, стимулирует образование хряща опосредованно с помощью цепочек матричных металлопротеиназ. В-четвертых, PlGF обязателен для оптимального ремоделирования вновь образованной кости [163]. PlGF рассматривают и как аутокринный регулирующий фактор стволовых клеток. При его секреции в низких концентрациях (20 нг/мл) повышается остеогенная дифференцировка, а при более высоких — 50 нг/мл — индуцируется остеокластогенез и ангиогенез. Таким образом обеспечиваются предпосылки для процессов костного ремоделирования и репарации [164]. В исследованиях in vitro также доказан факт хемотаксиса мезенхимальных клеток-предшественников в ответ на PLGF [163, 164]. Выявлено, что PLGF значительно усиливает остеоиндуктивный эффект BMP-2 [165].

Перспективы разработки костно-замещающих технологий

В связи с большой частотой травматических повреждений, распространенностью дегенеративной и воспалительной патологии опорно-двигательного аппарата интерес к костной пластике и замещению дефектов костной ткани продолжает расти. Известно, что перечисленные группы заболеваний являются частыми причинами временной и стойкой нетрудоспособности, следовательно, трудно переоценить негативные социально-экономические последствия этих патологий [1, 2, 3, 55]. При замещении костного дефекта аутопластика остается «золотым стандартом» лечения, поскольку только такие трансплантаты обладают оптимальными остеогенностью, остеоиндуктивностью и остеокондуктивностью, обеспечивая наиболее эффективную остеоинтеграцию [5]. При всех достоинствах костная аутопластика имеет и свои ограничения, прежде всего связанные с травматичностью взятия аутотрансплантатов и невозможностью обеспечить достаточное количество материала для замещения больших костных дефектов [51, 166]. Аллотрансплантаты и ксенотрансплантаты очень сильно уступают аутокости по способности к остеоинтеграции, так как они фактически представляют собой только матрицу, соответствующую по структуре костной ткани, которая не содержит ни факторов роста, ни живых клеток [5, 88]. Кроме того, существуют риски применения аллогенной и аутогенной кости в связи с возможной трансмиссией инфекций, ксеногенных и аллогенных материалов — в связи с биологической несовместимостью [51, 88].

Указанные факторы мотивируют поиск новых решений. В настоящее время предложено большое количество синтетических и имеющих биологическое происхождение материалов [5]. Доказано, что идеальный материал должен обладать достаточной механической прочностью, гидрофильностью, биологической совместимостью, кроме того, желательны остеоиндуктивные и остеогенные свойства. Фактически ни один из материалов не обладает оптимальным сочетанием таких свойств. В связи с этим перспективным направлением стала разработка композитных трансплантатов, которые сочетали бы достоинства нескольких материалов [5, 167]. Следующей проблемой, с которой сталкиваются производители костно-замещающих материалов, является разработка имплантатов с воспроизводимыми стандартными свойствами, такими, как скорость биологической деградации и механическая прочность [167]. Кроме того, необходимо определить и стандартные размеры пор у имплантатов, которые способствовали бы прорастанию сосудов и новообразованной костной ткани [89]. Такие материалы могут быть созданы при помощи аддитивных технологий, и в литературе неоднократно сообщается об успешном доклиническом испытании подобных трансплантатов [4, 5].

Оптимальные физические свойства, биодеградируемость и структура, приближающаяся к костной ткани, еще недостаточны для эффективной остеоинтеграции. Для того чтобы придать остеогенные свойства трансплантатам, разрабатываются клеточные технологии с применением стволовых клеток. Получены результаты, которые свидетельствуют о перспективности этого направления [1, 5, 106, 168]. Доказано, что даже аспират аутологичного костного мозга придает остеогенные свойства трансплантатам, ускоряя формирование костного блока [47]. Получены положительные результаты как в моделях спондилодеза у животных, так и в моделях замещения костных дефектов свода черепа и длинных трубчатых костей. С другой стороны, если планируется использовать аутологичные клетки, то необходима дополнительная операция по забору жировой ткани или костного мозга, что может лимитировать их применение. Установлено, что аллогенные стволовые клетки эффективны для увеличения регенерации костной ткани при костной пластике, однако иммунная реакция на них является предметом изучения [102]. Обсуждаются риски применения клеточных технологий на основе стволовых клеток — их туморогенность [123, 124]. Дополнительным фактором, ограничивающим применение стволовых клеток, является отсутствие нормативов и правовой базы, которые регламентировали бы их использование.

С целью усиления остеоиндуктивных свойств трансплантатов перспективной представляется возможность применения цитокинов и факторов роста, но это направление мало изучено и данные литературы иногда рознятся вплоть до взаимоисключающих фактов [16]. Проблемой исследований в этой области является неоднородность дизайнов. Дозы цитокинов и факторов роста отличаются, сроки вывода животных из эксперимента также разные [16]. Установлено, что факторы роста и цитокины участвуют в сложных процессах, результативность их воздействия может отличаться в зависимости от принимаемой дозы, микроокружения и стадии остеогенеза. Ярким примером этих особенностей служат данные, накопленные по влиянию на остеогенез TGF-β и PLGF [152, 153, 164]. Наиболее изучены перспективы применения BMP-2 для регенерации костной ткани, но нет однозначного мнения в отношении безопасности его применения. Имеющиеся противоречия в результатах исследований свидетельствуют лишь о том, что это еще начало пути развития тканевых технологий.

Заключение

Следует считать неоспоримым фактом, что только сочетание аддитивных технологий, обеспечивающих производство композитных биодеградируемых материалов, с клеточными и тканевыми технологиями способно приблизить современные трансплантаты к желаемым параметрам в отношении остеоиндуктивности, остеокондуктивности, остеогенности и опороспособности. Несмотря на обилие исследований и предлагаемых подходов, метод создания оптимально пригодных для практического применения тканеинженерных конструкций пока не найден. Тем не менее накопленные в этой области знания свидетельствуют о том, что такие разработки являются наиболее перспективными для достижения результата — получение трансплантата, максимально приближенного по срокам регенерации и характеристикам к нативной кости.

Финансирование исследования. Исследование выполнено в рамках гранта Российского научного фонда «Гибридные органические материалы для синтеза персонифицированных костнозамещающих имплантатов с использованием аддитивных технологий» (проект №18-13-00434).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие конфликтов интересов, о которых необходимо сообщить.