Клиническая стоматология 2004-2 / Биоматериалы для тканевой инженерии и хирургической стоматологии Часть 2

Биоматериалы для тканевой инженерии

и хирургической стоматологии

Часть 2

Панасюк А.Ф., д-р биологических наук, зам. директора по научной работе,

ООО «Конектбиофарм»

Саващук Д. А., директор ООО «Конектбиофарм» г. Москва.

Ларионов Е.В., зам. директора по развитию, ООО «Конектбиофарм»

Кравец В.М., руководитель проекта ЗАО «Бруквуд»

За счет каких же механизмов это может происходить? Изве­стно, что в норме сульфатированные гликозаминогликаны (сГАГ) практически отсутствуют в свободном виде. При патологических состояниях, когда матрикс подвергается разруше­нию, идет высвобождение сГАГ и они способны проявлять свои уникальные свойства. Именно в свободном состо­янии сГАГ оказывают влияние на многие показатели обмена соедини­тельной ткани (СТ). Как показано в экспериментальных и клинических исследованиях сГАГ снижают ак­тивность протеолитических фермен­тов, подавляют синергическое разру­шительное действие на межклеточный матрикс этих ферментов и кислород­ных радикалов, блокируют синтез ме­диаторов воспаления за счет маски­ровки антигенных детерминант и отмены хемотаксиса, предотвращают апоптоз клеток, индуцированный по­вреждающими факторами, а также уг­нетают синтез липидов и с помощью этого механизма препятствуют про­цессам деградации ткани (Панасюк А.Ф., Ларионов Е.В., 2000, Wendel M., Sommarin Y., 1998).

Одновременно эти соединения способны принимать непосредствен­ное участие в построении коллагеновых волокон и межклеточного матрикса в целом, стимулировать пролиферацию хондроцитов и других клеток СТ, повышать их биосинтетическую активность и улучшать со­судистую микроциркуляцию непо­средственно в СТ. Кроме того, на ранних этапах повреждения они вы­ступают как инициаторы создания в СТ временного матрикса. Этот фе­номен реально имеет очень важное значение потому, что позволяет при­остановить как распад СТ, так и формирование грубого рубца. В дальнейшем именно последнее и обеспечивает более быстрое замеще­ние рубцовой ткани на обычную, для данного органа СТ.

К сожалению, имеющаяся в лите­ратуре информация о роли этих соеди­нений в обмене СТ относится главным образом к хрящевой ткани. С другой стороны, описанные выше свойства этих соединений, скорее всего, уни­версальны для СТ в целом и поэтому нет серьезных оснований считать, что реализация свойств сГАГ в костной ткани будет иметь качественные отли­чия от других видов СТ. Действитель­но, роль сГАГ в регуляции остеогенеза должна быть очень значительна. Подтверждением этому служит ряд данных, имеющихся в литературе.

Так, по мнению А.Я. Фриденштейна основным претендентом на роль индуктора эктопического остеогенеза в модельной системе является мукополисахарид (в современной терминоло­гии протеогликан), секретируемый эпителием мочевого пузыря. К такому же заключению приходит и Г. И. Лавришева, считая, что протеогликаны могут быть включены в контроль мик­роокружения над гемопоэзом и дру­гими гистогенезами производных ме­зенхимы и костной ткани в частности. (Фриденштейн А.Я., Лалыкина К.С., 1973; Лаврищева Г.И., Оноприен­ко Г.А., 1996).

Следовательно, остеоиндуктивные свойства практически всех биокомпо­зиционных материалов обеспечива­ются входящими в их состав либо клетками, либо биоактивными компо­нентами. Например, это могут быть клетки костного мозга, фибробласты, тромбоциты и/или морфогенетические белки, факторы роста, гормоны, а так­же другие биоактивные субстанции (Drivdahl R. Н. et.al., 1982; Aspenberg P. et.al., 1991; Ripamonti U. et.al., 1992; Cook S.D. et.al., 1994; Brown R. et.al, 1997; Reddi A.H., 1998; Bruder S.,1998). В нативном костном матриксе свойст­во индукции костеобразования, как показал Urist М, принадлежит морфогенетическим белкам, способным направленно влиять на дифферен-цировку остеогенных клеток предше­ственников мезенхимальной ткани (Urist M, 1965, 1983, 1989; Хэм А, Кормак Д., 1983).

Учитывая эти обстоятельства , и то, что восстановление костной ткани в организме реципиента должно проис­ходить как за счет структуры и свойств трансплантата или имплантата, так и за счет активации собственных клеточных элементов организма и усиления регенерации ткани в целом.

Фирмой ООО «Конектбиофарм», был разработан ряд биокомпозицион­ных материалов на основе костного коллагена и костных сГАГ животных и человека. При этом, следуя стратегии и принципам современной ТИ, разра­ботка этих материалов велась в соот­ветствии с общими требованиями к та­кого рода продукции, которая должна иметь низкую антигенность и высокие показатели биосовместимости, а также быть безопасной и эффективной при воздействия на ткани мишени (Bruck S.D., Mueller Е.Р., 1989; Friess W.,1998; Vacanti C.A., Pins G., 1992).

Разработанные фирмой ООО «Ко­нектбиофарм» материалы для вос­становления костных дефектов на ос­нове костного коллагена и костных сГАГ, защищены патентами и товар­ными знаками РФ. В настоящее время они представлены следующей группой биоматериалов:

1. «Биоматрикс»® костный ксеноколлаген и костные сГАГ,

2. «Алломатрикс-имплант»® содер­жащий костный аллоколлаген и кост­ные алло сГАГ,

3. «Остеомарикс»® - биокомпозиция на основе природных костных компо­нентов: ксено- или аллоколлагена, сГАГ и ГА.

Материалы «Алломатрикс-имплант»® и «Остеоматрикс»® были разработаны фирмой ООО «Конектбиофарм» сов­местно с ГУН ЦИТО им. Н. Н. При­орова.

Проведенными нами исследовани­ями по изучению свойств данных ма­териалов было установлено, что полу­ченный по оригинальной технологии костный коллаген из губчатой кости человека и животных сохраняет свои основные природные характеристики, такие как низкая растворимость, вы­сокая эластичность и естественная по­ристость.

Сохранность костной структуры в материалах, после проведения всех технологических процедур по их по­лучению, была изучена нами с помо­щью сканирующей электронной тех­ники на микроскопе Cambrige StereoScan (Англия).

На электроннограмме видно, что препараты костного коллагена пред­ставляют из себя сеть упорядоченно расположенных пучков и волокон. При этом сами волокна плотно упакованы в пучки второго порядка, без разрывов и дефектов. По своему виду материал имеет классическую пористо-ячеис­тую структуру, которая полностью со­ответствует архитектонике нативной губчатой кости и свободна от сосудов, белков, механических и иных включе­ний. Размер пор колеблется от 220 до 700 мкм.

Биосовместимость костного колла­гена была оценена нами по стандарт­ным тестам в условиях имплантации их под кожу крысам породы Вистар. С помощью гистоморфологического анализа и сканирущей электронной микроскопии было установлено, что костный коллаген после полутораме­сячного пребывания в организме ре­ципиента практически не подвергает­ся разрушению и сохраняет свою структуру. Как видно на рисунке 2 по­ры, трабекулы и ячейки имплантиро­ванного костного коллагена частично заполняются рыхлой волокнистой СТ, волокна которой слабо спаяны с им-плантатом. Хорошо видно, что вокруг него формируется незначительный фиброзный слой, а в самом имплантате отмечается присутствие небольшого количества клеточных элементов, ос­новными из которых являются фибробласты. Характерно, что имплантат практически на всем своем протяже­нии не спаян с окружающей тканью дермы. Эти результаты однозначно свидетельствуют о высокой устойчи­вости данного материала к биораспаду и о полной биоинертности в отноше­нии него окружающей СТ.

Рис. 2. Сканирующая электронная Рис. 3. Гистологическая картина

микрограмма. Поперечный срез через материала через 2 месяца после операции.

1,5 месяца после операции Активный остеогенез проксимальной

части костного дефекта

Исследования по влиянию матери­алов «Биоматрикс»®, «Алломатрикс-имплант»® и «Остеоматрикс»® на остеорепарацию мы провели на модели сегментарной остеотомии по обще­принятым методикам (Katthagen B.D., Mittelmeeir H., 1984; Schwarz N. et.al.,1991).

В эксперименте были использованы кролики породы Шиншилла массой 1,5—2,0 кг, которым под внутривенным наркозом делали сегментарную остео­томию лучевой кости.

Через два месяца после операции в зоне имплантации было отмечено формирование новой костной ткани. На рисунке 3 результат гистоморфологического исследования материала «Алломатрикс-имплант»® через 2 мес. после операции. В проксимальной зо­не дефекта видна хорошо развитая молодая костная ткань. Остеобласты прилежат к костным балкам в большом числе.

В межуточном веществе обнару­живаются остеоциты в лакунах. В новом костном веществе формируются плот­но упакованные коллагеновые волок­на. Хорошо развито межуточное ве­щество с активными клетками. Зона имплантата (сверху и слева) активно перестраивается.

В общем, идет более ускоренное созревания костной ткани вокруг зоны имплантата.

Кроме того, оказалось, что пористоячеистая структура костного колла­гена обеспечивает не только поддер­жание объема в дефекте за счет своих упругоэластических качеств, но и оп­тимальную возможность для врастания в него клеток СТ, развития сосудов и формирования кости при замещении этого дефекта.

Так, например, через 2 месяца после имплантации материала «Алломат­рикс-имплант»* большинство пор имплантата заполнены бесклеточным тонковолокнистым материалом, в ряде пор выявляли сформированные сосуды (внизу слева). Стенка сосуда плотная, внутри сосуда видны форменные эле­менты крови - эритроциты. Коллагеновые волокна имплантата уплотнены, без явлений деструкции (рис. 4).

Очень важным свойством имплан­тируемого остеопластического мате­риала является его способность инду­цировать развитие сосудов потому, что именно оно потенциально определяет его остеоиндуктивные потенции.

Биопластический материал «Биоматрикс»® представляет из себя высо- коочищенный коллаген губчатой ко­сти быка или свиньи и содержит суммарную фракцию костных сГАГ. Он имеет естественную пористость, присущую нативной кости, и изго­товляется в виде блоков пластин и дисков. «Биоматрикс»® нетоксичен, обладает хорошей биосовместимос­тью, с его помощью можно модели­ровать любую форму костного де­фекта, что было доказано нами в экспериментах на животных. Наряду с хорошими остекондуктивными ха­рактеристиками «Биоматрикс»* об­ладает и выраженными остеоиндуктивными свойствами. В условиях in vitro блоки материала «Биоматрикс»* имеют высокую степень устойчивости к растворам кислот и щелочей, а в ус­ловиях in vivo и к биораспаду.

Обладая хорошей биосовместимо­стью, костный коллаген с костными сГАГ имеет высокое сродство с кост­ным ложем реципиента. Проведенные исследования токсикологических по­казателей данных материалов показа­ли, что они безопасны и соответствуют всем требованиям, предъявляемым к изделиям медицинского назначения.

Разработанный в соответствии с принципами ТИ и являясь в настоя­щее время уникальным материалом «Биоматрикс»⁸ может служить хоро­шим носителем и для клеток СТ, и для молекул биоактивных веществ, таких как морфогенетические белки, фак­торы роста, антибиотики и т.д. Так, было показано, что при переносе стромальных клеток предшественни­ков, выращенных в монослойной культуре костного мозга, на материа­лах, содержащих костные коллаген и сГАГ, в зоне имплантации происходит формирование эктопической кости с костным мозгом, что однозначно до­казывает остеоиндуктивные свойства использованного материала (Иванов СЮ. и соавт., 2001).

Рис. 4. Сканирующая электронная микрограмма. Видна пластинчатая упаковка коллагеновых волокон имплантата. Напыление золотом. Увеличение в 12 000 раз

Проведенные клинические иссле­дования материала «Биоматрикс»® показали, что он обладает выраженным действием на процессы регенерации костной ткани без явлений воспаления и фиброза в зоне имплантации (Панин A.M. 2003). Данный материал уже за­рекомендовал себя с хорошей стороны при стоматологических операциях и, в частности, при заполнении костных карманов, при синуслифтинге и плас­тике альвеолярньгх отростков челюстей при дентальной имплантации (Иванов СЮ. 2003, Панин А. М. 2003). Получе­ны первые положительные результаты и по применению материала «Биомат­рикс»® в качестве разобщающей биорезорбируемой мембраны для обеспе­чения эффективной остеоинтеграции (Панин А. М. 2003).

Расширяя возможности применения в клинической практике биоматериалов на основе костного коллагена, нами был разработан материал «Алломатрикс-имплант»®, содержащий аллоколлаген и алло сГАГ. Одним из важных преимуществ этого материла перед «Биомат­риксом»® является его источ­ник - донорская костная ткань челове­ка. По всем другим показателям эти материалы имеют сходные характе­ристики. Как и в случае применения материала «Биомат­рикс»®, материал «Алломатрикс-имплант»® хорошо удерживает объем и способен запол­нить весь костный дефект. Его порис­тость обеспечивает проникновение в него клеток СТ и прорастание сосудов. При переносе на нем стромальных клеток предшественников в зонах им­плантации в подпочечную капсулу происходит формирование эктопичес­кой кости (Иванов СЮ. и соавт., 2001).

Применение материала «Алломатрикс-имплант»® в клинике также про­демонстрировало его выраженное действие на остеорепарацию. При этом в постоперационном периоде в зонах имплантации ни в одном исследован­ном случае не отмечалось явлений воспаления или фиброза. Так, при пластике альвеолярных отростков че­люстей при пародонтальных операци­ях удалось установить, что материал обладает высокой биосовместимостью, оптимизирует процессы репаративной регенерации в области хирургического вмешательства в большей степени, чем проведение традиционной лоскутной операции. Материал обладает проти­вовоспалительным действием, которое выявляется по результатам цитофотометрии. Наиболее высокой эффектив­ностью биокомпозиционный материал «Алломатрикс-имплант»® обладает при устранении трехстеночных кост­ных дефектов (Грудянов А. И. 2003).

Однако, при всех своих достоинст­вах материалы «Биоматрикс»® и «Ал­ломатрикс-имплант»® имеют один существенный недостаток - они не об­ладают необходимым показателем прочности, характерным для нативной костной ткани.

Известно, что прочность кости свя­зана с наличием в её составе ГА. Обычно при изготовлении биопласти­ческих материалов ГА удаляется из костной ткани для того, чтобы при им­плантации были доступны биоактив­ные молекулы данной ткани. С другой стороны, если готовятся материалы природного ГА, (например BioOss Geistlich Biomaterials Swiss), то они как правило достаточно хрупки и их проч­ностные характеристики значительно меньше, чем у костного коллагена. Следовательно, прочность костной ткани в первую очередь зависит от структурного взаимодействия обоих её компонентов и коллагена, и ГА.

Для решения этой проблемы фир­мой ООО «Конектбиофарм» совмест­но с ГУН ЦИТО им. Н.Н. Приорова был разработан биокомпозиционный материал нового поколения «Остеоматрикс»®. В состав данного материала кроме костных коллагена и сГАГ вхо­дит и природный ГА человека или свиньи. Материал «Остеоматрикс»'* также как и две предыдущие формы имеет пористую структуру близкую к нативной костной ткани, но в отличии от них он обладает высокими показа­телями прочности и в нем сохранена архитектоника не только коллагеновой составляющей, но и ГА. Последнее качество материала «Остеоматрикс»® является серьезным преимуществом и обуславливает его более выраженные остеогенные потенции.

Действие данного материала на ре­парацию костных дефектов было чет­ко доказано в эксперименте на модели восстановления сегментарного дефек­та лучевой кости у животных. Было найдено, что через 2 мес. после им­плантации материала в зоне дефекта формируется костная мозоль. Им­плантированный материал, хотя и подвергается частичной деструкции, но при этом он активно замещается молодой костной тканью без фиброз­ного перерождения (рис. 4). По срав­нению с группой контрольньгх живот­ных костная мозоль в опыте формируется быстрее и, как правило, выполняет больший объем дефекта.

В клинической практике материал «Остеоматрикс»® был успешно приме­нен при заполнении костных дефектов после удаления кист и сложных зубов. Было показано, что при использовании материала «Остеоматрикс»® костные дефекты на сроке через 3 месяца после операции заполняются молодой кост­ной тканью (Ленина С.А. и соавт. 2003). В клинике ЦИТО материал «Ос­теоматрикс»® был использован при пластике больших костных дефектов после удаления кист, хондром, неврогенной опухоли, хронического воспалительного процесса. Анализ результата через 6 месяцев после операции показал, что у всех больных места, куда помещался «Остеоматрикс»® по плотности рентгеновского изображения были не отличимы от окружающей губчатой костной тка­ни. Результаты проведенного иссле­дования свидетельствуют о том, что биокомпозиционный материал «Остеоматрикс»® при помещении его в костный дефект активно влияет на построение костной ткани на месте бывшего очага поражения у больных с разными видами костной патоло­гии. При этом каких либо воспали­тельных реакций на имплантацию не наблюдается, что указывает на низ­кую антигенность и высокую степень биоинтеграции в ткани реципиента.

Авторы показали, что «Остеомат­рикс»® является перспективным био- композиционным материалом, способ­ным стимулировать репарацию костной ткани, обеспечивая ее быстрое восста­новление (Лекишвили М. В. 2002).

Таким образом, приведенные выше экспериментальные и клинические результаты показывают, что, базируясь на современных принципах ТИ, фир­мой ООО «Конектбиофарм» совме­стно с ГУН ЦИТО им. Н.Н. Приорова был разработан и внедрен в клиниче­скую практику ряд композиционных биоматериалов нового поколения на основе костных коллагенов, сульфатированных гликозаминогликанов и гидроксиапатита. Эти современные, эффективные и безопасные биоматериалы открывают широкие перспек­тивы к решению многих проблем вос­становления костной ткани не только в хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, но и в травматологии и ортопедии.

Список литературы находится в редакции.