Технология замещения костных полостей аутологичными мезенхимальными стромальными клетками на коллагеновой матрице при экспериментальном хроническом остеомиелите

Цель исследования — разработать технологию восстановления остеомиелического дефекта кости с помощью аутологичных мезенхимальных стромальных клеток (МСК) на коллагеновой матрице и доказать ее эффективность.

Материалы и методы. Исследования проведены на 17 кроликах. Хирургический доступ осуществляли по передней поверхности проксимальной трети голени. Фрезой вдоль оси кости формировали дефект надкостницы, кортикального слоя и губчатого вещества размерами 8,0×4,0 мм, глубиной 4,0 мм. В качестве инфекционного возбудителя применяли штамм Staphylococcus aureus.

После формирования хронического остеомиелита животным обеих групп выполняли остеонекрэктомию. Опытной группе в костный дефект помещали аутологичные МСК на коллагеновом носителе «Коллатамп ИГ». МСК получали из жировой ткани и культивировали на матрице в течение 5 сут. Животным контрольной группы дефект замещали только коллагеновой матрицей без клеток.

Результаты. На 14-е сутки после операции по формированию хронического остеомиелита бактериологическое исследование раневого отделяемого из свища показало у всех животных наличие смешанной флоры: Staphylococcus aureus и Escherichia coli. По результатам рентгенологических, лабораторных и гистологических исследований было подтверждено формирование очага хронического остеомиелита.

Через 2 мес после пластики смоделированного дефекта гнойной раны морфологическое исследование показало, что у всех животных опытной группы отмечалось образование зрелой костной ткани. Пролиферация остеобластов на поверхности костных балок наблюдалась и в контрольной группе, однако остеоидную ткань различной степени зрелости чаще выявляли в группе кроликов, в которой использовалась матрица с аутологичными МСК (35,0 против 20,0% в группе контроля). Под влиянием аутологичных МСК на матрице произошло уменьшение фиброзирования костного мозга (50,0 против 100,0% у кроликов только с аутопластикой) и образование хряща (30,0 и 66,7% соответственно). У животных опытной группы новообразованные костные балки выявлялись чаще (100,0 против 60,0% в группе контроля), были более зрелыми и эффективнее заполняли область дефекта.

Заключение. Полученные нами результаты свидетельствуют о перспективности использования коллагеновой матрицы с аутологичными МСК в качестве пластического материала для восполнения костных дефектов, образующихся после некрэктомии очага хронического остеомиелита.

Применение МСК на коллагеновой матрице способствует увеличению плотности заполнения костного дефекта; значительному ускорению образования костных балок по пути ремоделирования ткани вокруг матрицы с аутологичными клетками за счет наращивания ее объема вокруг имплантата; существенному снижению выраженности соединительно-тканного компонента остеогенеза и хондрогенеза.

1. Майбородин И.В., Шевела А.И., Морозов В.В., Ми­хе­ева Т.В., Фигуренко Н.Ф., Маслов Р.В., Майборо­дина В.И. Влияние экстрацеллюлярных везикул (экзосом) мезенхимальных стромальных клеток на регенерацию костной ткани. Новости хирургии 2019; 27(2): 196–203.
2. Лепехова С.А., Цяо Г., Гольдберг О.А., Тишков Н.В., Цяо Л., Курганский И.С., Иноземцев П.О., Федорова Л.И. Стимуляция репаративной регенерации опорной ткани в условиях отсроченного сопоставления отломков. Сибирский научный медицинский журнал 2019; 39(4): 85–92, https://doi.org/10.15372/ssmj20190411.
3. Медков М.А., Грищенко Д.Н., Климов М.А., Курявый В.Г., Апанасевич В.И. Кальций-фосфатные рентгеноконтрастные цементы для восстановления костной ткани. Химическая технология 2019; 20(5): 194–199.
4. Юрова К.А., Хазиахматова О.Г., Малащенко В.В., Норкин И.К., Иванов П.А., Хлусов И.А., Шунькин Е.О., Тодосенко Н.М., Мелащенко Е.С., Литвинова Л.С. Клеточно-молекулярные аспекты воспаления, ангиогенеза и остеогенеза. Краткий обзор. Цитология 2020; 62(5): 305–315.
5. Рубникович С.П., Кузьменко Е.В., Денисова Ю.Л., Андреева В.А. Эффективность применения стволовых кле­ток для регенерации костной ткани. В кн.: Достижения фундаментальной, клинической медицины и фармации. Витебск; 2020; с. 160–161.
6. Мурзич А.Э., Пашкевич Л.А., Жерносеченко А.А. Экспериментальное обоснование способа аутотрансплантации мезенхимальных стволовых клеток для регенерации костной ткани головки бедра. Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия медицинских наук 2020; 17(1): 7–19, https://doi.org/10.29235/1814-6023-2020-17-1-7-19.
7. Гордиенко И.И., Цап Н.А., Борисов С.А., Вала­мина И.Е. Репарация костной ткани в зоне консолидации открытого перелома трубчатой кости лабораторного животного. Экспериментальное исследование. Детская хирургия 2020; 24(2): 96–100.
8. Резник Л.Б., Стасенко И.В., Негров Д.А. Результаты применения различных видов имплантов при замещении остеомиелитических дефектов длинных костей в эксперименте. Гений ортопедии 2016; 4: 81–87.
9. Кривенко С.Н., Попов С.В. Особенности металло­остеосинтеза при замещении костных дефектов у больных с травматическим остеомиелитом длинных костей. Вестник неотложной и восстановительной хирургии 2020; 5(2): 138–145.
10. Гараев М.Р., Пантелеев В.С., Нартайлаков М.А., Дорофеев В.Д., Инюшев Д.В., Голков Д.С. Хирургическое лечение хронического остеомиелита. Креативная хирургия и онкология 2019; 9(3): 209–215, https://doi.org/10.24060/2076-3093-2019-9-3-209-215.
11. De Ugarte D.A., Morizono K., Elbarbary A., Alfonso Z., Zuk P.A., Zhu M., Dragoo J.L., Ashjian P., Thomas B., Benhaim P., Chen I., Fraser J., Hedrick M.H. Comparison of multi-lineage cells from human adipose tissue and bone marrow. Cells Tissues Organs 2003; 174(3): 101–109, https://doi.org/10.1159/000071150.
12. Im G.I., Shin Y.W., Lee K.B. Do adipose tissue-derived mesenchymal stem cells have the same osteogenic and chondrogenic potential as bone marrow-derived cells? Osteoarthritis Cartilage 2005; 13(10): 845–853, https://doi.org/10.1016/j.joca.2005.05.005.
13. Hayashi O., Katsube Y., Hirose M., Ohgushi H., Ito H. Comparison of osteogenic ability of rat mesenchymal stem cells from bone marrow, periosteum, and adipose tissue. Calcif Tissue Int 2008; 82(3): 238–247, https://doi.org/10.1007/s00223-008-9112-y.
14. Lendeckel S., Jödicke A., Christophis P., Heidinger K., Wolff J., Fraser J.K., Hedrick M.H., Berthold L., Howaldt H.P. Autologous stem cells (adipose) and fibrin glue used to treat widespread traumatic calvarial defects: case report. J Craniomaxillofac Surg 2004; 32(6): 370–373, https://doi.org/10.1016/j.jcms.2004.06.002.
15. Mesimäki K., Lindroos B., Törnwall J., Mauno J., Lindqvist C., Kontio R., Miettinen S., Suuronen R. Novel maxillary reconstruction with ectopic bone formation by GMP adipose stem cells. Int J Oral Maxillofac Surg 2009; 38(3): 201–209, https://doi.org/10.1016/j.ijom.2009.01.001.
16. Corsetti A., Bahuschewskyj C., Ponzoni D., Langie R., dos Santos L.A., Camassola M., Nardi N.B., Puricelli E. Repair of bone defects using adipose-derived stem cells combined with alpha-tricalcium phosphate and gelatin sponge scaffolds in a rat model. J Appl Oral Sci 2017; 25(1): 10–19, https://doi.org/10.1590/1678-77572016-0094.
17. Arrigoni E., de Gerolamo L., Di Giancamillo A., Stanco D., Dellavia C., Carnelli D., Campagnol M., Domeneghini C., Brini A.T. Adipose-derived stem cells and rabbit bone regeneration: histomorphometric, immunohistochemical and mechanical characterization. J Orthop Sci 2013; 18(2): 331–339, https://doi.org/10.1007/s00776-012-0349-y.
18. Fang B., Liu Y., Zheng D., Shan S., Wang C., Gao Y., Wang J., Xie Y., Zhang Y., Li Q. The effects of mechanical stretch on the biological characteristics of human adipose-derived stem cells. J Cell Mol Med 2019; 23(6): 4244–4255, https://doi.org/10.1111/jcmm.14314.
19. Живцов О.П., Алейник Д.Я., Орлинская Н.Ю., Митро­фанов В.Н. Особенности регенерации костной ткани в условиях применения клеточно-инженерной конструкции для восстановления костного дефекта у кролика. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований 2019; 11: 54–59, https://doi.org/10.17513/mjpfi.12931.
20. Резник Л.Б. Борзунов Д.Ю., Моховиков Д.С., Ста­сенко И.В. Опыт замещения дефектов длинных костей на основе сочетанного применения внеочагового чрескостного остеосинтеза и остеокондуктивных материалов в клинической практике. Политравма 2017; 2: 16–22.
21. Глухов А.А., Андреев А.А., Малкина Н.А. Ультра­звуковая обработка и применение коллагена в лечении экспериментального хронического остеомиелита. Хирургия. Приложение к журналу Consilium Medicum 2017; 1: 62–70.
22. Алейник Д.Я., Чарыкова И.Н., Сидорова Т.И. Иссле­дование нового костно-замещающего препарата на модели in vitro. Технологии живых систем 2013; 10(8): 38–42.
23. Dominici M., Le Blanc K., Mueller I., Slaper-Cortenbach I., Marini F.C., Krause D.S., Deans R.J., Keating A., Prockop D.J., Horwitz E.M. Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. The International Society for Cellular Therapy position statement. Cytotherapy 2006; 8(4): 315–317, https://doi.org/10.1080/14653240600855905.
24. Seebach E., Holschbach J., Buchta N., Bitsch R.G., Kleinschmidt K., Richter W. Mesenchymal stromal cell implantation for stimulation of long bone healing aggravates Staphylococcus aureus induced osteomyelitis. Acta Biomater 2015; 21: 165–177, https://doi.org/10.1016/j.actbio.2015.03.019.
25. Yoshitani J., Kabata T., Arakawa H., Kato Y., Nojima T., Hayashi K., Tokoro M., Sugimoto N., Kajino Y., Inoue D., Ueoka K., Yamamuro Y., Tsuchiya H. Combinational therapy with antibiotics and antibiotic-loaded adipose-derived stem cells reduce abscess formation in implant-related infection in rats. Sci Rep 2020; 10(1): 11182, https://doi.org/10.1038/s41598-020-68184-y.
26. Wagner J.M., Reinkemeier F., Wallner C., Dadras M., Huber J., Schmidt S.V., Drysch M., Dittfeld S., Jaurich H., Becerikli M., Becker K., Rauch N., Duhan V., Lehnhardt M., Behr B. Adipose-derived stromal cells are capable of restoring bone regeneration after post-traumatic osteomyelitis and modulate B-cell response. Stem Cells Transl Med 2019; 8(10): 1084–1091, https://doi.org/10.1002/sctm.18-0266.

Mitrofanov V.N., Zhivtsov O.P., Orlinskaya N.Yu., Davydenko D.V., Charykova I.N., Aleinik D.Ya. Technology for Repairing Osteomyelitic Bone Defects Using Autologous Mesenchymal Stromal Cells on a Collagen Matrix in Experiment. Sovremennye tehnologii v medicine 2021; 13(1): 42, https://doi.org/10.17691/stm2021.13.1.05