Клиническая стоматология 2004-1 / Биоматериалы для тканевой инженерии и хирургической стоматологии

Биоматериалы для тканевой инженерии и хирургической стоматологии

Часть 1

Панасюк А.Ф.,

д-р биологических наук, зам. директора по научной работе, ООО «Коннектбиофарм»

Ларионов Е.В.,

зам. директора по развитию, ООО «Коннектбиофарм»

Саващук Д. А.,

директор ООО «Коннектбиофарм» г. Москва.

Кравец В.Н.,

руководитель проекта ЗАО «Бруквуд»

Тканевая инженерия (ТИ), как дисципли­на, начала свою историю в первой половине XX века. Фундаментом для её основания по­служили теоретические и практические раз­работки по созданию «искусственных» ор­ганов и тканей и работы по трансплантации клеток и биологически активных компонен­тов на носителях для восстановления по­вреждений в различных тканях организма (Langer R., Vacanti J.P., 1993).

В настоящее время, ТИ является одной из наиболее молодых отраслей в медици­не, базирующейся на принципах молеку­лярной биологии и генной инженерии. Ис­пользуемый в ней междисциплинарный подход направлен в первую очередь на со­здание новых биокомпозиционных мате­риалов для восстановления утраченных функций отдельных тканей или органов в целом (Spector M., 1999). Основные прин­ципы данного подхода заключаются в раз­работке и применении при имплантации в поврежденный орган или ткань носителей из биодеградирующих материалов, кото­рые используются в сочетании либо с до­норскими клетками и/или с биоактивными веществами. Например, при лечении ране­вого процесса - это могут быть коллагеновые покрытия с аллофибробластами, а в сосудистой хирургии - искусственные со­суды с антикоагулянтами (Vacanti С.А. et.al., 1993). Кроме того, одним из серьез­ных требований к такого рода материалам-носителям является и то, что они должны обеспечивать надежную поддерживаю­щую, то есть опорную и/или структурообразовательную функцию в поврежденной области ткани или органа.

Следовательно, одной из основных задач ТИ в области лечения костных патологий яв­ляется создание искусственных композитов, состоящих из алло- и/или ксеноматериалов в сочетании с биоактивными молекулами (костные морфогенетические белки, факто­ры роста и т.д.) и способных индуцировать остеогенез. При этом такие материалы должны обладать рядом необходимых свойств кости (Yannas I.V. et.al., 1984; Reddi А.Н. et.al., 1987; Reddi A.H., 1998).

Во-первых, они должны выполнять и поддерживать (scaffold) объем дефекта.

Во-вторых, обладать остеоидуктивностью, то есть активно побуждать остеобласты и, возможно, другие мезенхимальные клетки к формированию кости.

И, в-третьих, иметь хорошие показатели биосовместимости, то есть быть биодеградируемыми и не вызывать у рецепиента воспа­лительных реакций. Последнее качество обычно достигается в материале только за счет снижения его антигенных характеристик.

Совокупность всех этих свойств позволя­ет таким материалам параллельно с опорной (остеокондуктивной) функцией, обеспечи­вать и биоинтеграцию - врастание клеток и сосудов в структуры имплантата.

Известно, что поддерживающий эффект любого материала обеспечивается, как пра­вило, его структурными особенностями. Для биоматериалов этот показатель обычно свя­зан с архитектоникой нативной ткани, из ко­торой он получен. Для кости, основными па-раметрами её структурной прочности явля­ются твердо-эластические характеристики костного матрикса и величина пор в нем (Marra P. G.1998; Thomson R.C. et.al., 1998).

К наиболее распространенным материалам с четко выраженной опорной функцией относят­ся искусственный и натуральный гидроксиапатит (ГА), биокерамика, полигликолевая кислота, а также коллагеновые белки (Friess W.,1998).

В настоящее время для замещения костных дефектов в хирургической стоматологии, орто­педии и травматологии используются много различных форм ГА, отличающихся по форме и величине частиц. Считается, что искусственно полученный ГА, по химическому составу и кри­сталлографическим показателям практически идентичен ГА нативной кости (Parsons J., 1988). Многими авторами и экспериментально, и кли­нически доказано, что использование ГА имеет значительные преимущества перед другими имплантационными материалами. Так, к его по­ложительным характеристикам относятся такие показатели как легкость стерилизации, продол­жительный срок хранения, высокий уровень би­осовместимости и медленная резорбция в орга­низме (Воложин А.И. и соавт., 1993). ГА является биоинертным и хорошо совместимым с костью материалом (Jarcho М. et.al., 1977), как было показано с помощью экспериментальных гистоморфологических исследований.

В процессе замещения костного дефекта в присутствии ГА под влиянием биологичес­ких жидкостей и тканевых ферментов ГА мо­жет частично или полностью резорбироваться (Klein А.А.,1983). Положительный эффект ГА после его имплантации в костную полость объясняется, по-видимому, не только остеокондуктивными свойствами материала, но и его способностью сорбировать на своей по­верхности белки, индуцирующие остеогенез (Ripamonti U., Reddi A.H., 1992).

В настоящее время основную часть био­материалов для восстановления костных де­фектов получают из хрящевой и/или костной тканей человека или различных животных. Часто для изготовления композиционных материалов используются компоненты и других видов соединительной ткани - кожи, сухожилий, мозговой оболочки и т.д. (Воупе P.J., 1979; Yannas I.V. et.al., 1982; Chvapel M., 1982; Goldberg V.M. et.al., 1991; Damien C.J., Parsons J.R., 1991).

Наиболее известным из современных био­материалов является коллаген. Его широкое применение в практической медицине связано с развитием реконструктивной хирургии и по­иском новых материалов, выполняющих кар­касную и пластическую функции при регенера­ции тканей. К основным достоинствам коллагена - как пластического биоматериала следует отнести его низкую токсичность и антигенность, высокую механическую прочность и устойчивость к тканевым протезам (Истранов Л. П., 1976). Источниками получения кол­лагена при изготовлении изделий для пласти­ческой хирургии служат ткани богатые этим белком - кожа, сухожилия, перикард и кость. Широкое распространение в медицинской практике получил раствор кожного коллагена, выпускаемый фирмой Collagen Corp. (Palo—Alto USA), под названиями "Zyderm" и "Zyplast". На основе этого коллагена были разработаны раз­личные изделия медицинского назначения та­кие как - имплантаты, покрытия для ран, хи­рургические нити для ушивания раневых поверхностей и т.д.

В 70-х годах прошлого столетия были впервые получены данные о влиянии коллаге-новых трансплантатов на репарацию костной ткани. При этом было установлено, что колла­геновые имплантаты способствуют пролифе­рации фибробластов, васкуляризации близле­жащих тканей и, по-видимому, индуцируют формирование новой костной ткани с после­дующей ее перестройкой (Reddi A.H., 1985). В качестве быстро биодеградирующего матери­ала коллаген был применен и в виде геля при восстановлении костных дефектов (De Balso A.M., 1976). Полученные данным автором ре­зультаты также позволили предположить, что препараты на основе коллагена способны сти­мулировать регенерацию костной ткани.

Рис. 1. Сканирующая электронная микро-грамма. Материал «Алломатрикс-Имплант» через 1,5 мес. после операции

В это же время для замещения дефектов ко­стной ткани были начаты исследования и по применению биокомпозиционных материалов, содержащих одновременно и коллаген, и ГА. Так, для челюстно-лицевой хирургии и хирур­гической стоматологии были разработаны ком­позиции "Alveloform" и "Bigraft", содержащие очищенный фибриллярный кожный коллаген и частицы ГА (фирма Collagen Corp., Palo Alto, USA). Данные материалы были применены для восстановления альвеолярного гребня при хи­рургическом лечении больных с парадонтитами (Krekel G. 1981, Lemons М. М.1984, Miller E. 1992 ). Гистологические и ультраструктурные иссле­дования доказали, что композиция - коллаген и ГА положительно влияет на регенерацию кости гребня, но при этом такого рода материалы вы­полняют главным образом каркасную функцию, то есть проявляют в основном свои остеокондуктивные свойства (Mehlisch D.R., 1989). По­зднее к аналогичным выводам пришли и многие другие исследователи и в настоящее время этой точки зрения придерживается большинство ученых (Glimcher M.J., 1987; Friess W, 1992; Vaccanti CA et.al., 1993).

Тем не менее, по данным другой группы исследователей биокомпозиционные мате-риалы, содержащие кожный коллаген "Ziderm" и синтетический ГА, обладают опре­деленными остегенными потенциями. Так, Katthagen и соавт. (1984), изучая действие ма­териала "Коллапат", содержащего кожный коллаген типа 1 и частицы высоко дисперсно­го ГА, на восстановление костных дефектов бедренной кости у кроликов, установили, что регенерация костной ткани у опытных живот­ных протекала в 5 раз быстрее, чем в контро­ле. Эти экспериментальные результаты легли в основу дальнейшего применения материала "Коллапат" в клинической практике.

Общеизвестно, что наиболее подходящими для трансплантации и последующей биоинте­грации несомненно являются аутотрансплантаты, которые готовятся из собственных тка­ней пациента и этим полностью исключаются основные иммунологические и большинство инфекционных осложнений при последующей пересадке (Enneking W.F. et.al., 1980; Summers B.N., Eisenstein S.M.,1989; Reddi A.H., 1985; Goldberg V.M. et.al., 1991). Однако, такие мате­риалы должны готовиться непосредственно перед трансплантацией, в противном случае клиника должна иметь костный банк для хра­нения такого материала, что в реальности до­ступно только очень крупным медицинским учреждениям из-за высокой стоимости при­готовления и хранения данных материалов. Кроме того, возможности получения значи­тельных количеств аутоматериала весьма ог­раничены и при его заборе, как правило, донор подвергается серьезным оперативным вмеша­тельствам. Все это существенно ограничивает широкое применение аутотрансплантатов (Bos G.D. et.al., 1983; Horowitz M.C. 1991).

Следовательно, в области лечения кост­ных патологий перед ТИ стоит реальная за­дача по созданию биокомпозиционных ма­териалов, применение которых обеспечит решение многих проблем как по трансплан­тации клеток и стимуляции формирования кости в местах ее повреждения, так и по сни­жению трудовых и финансовых затрат при устранении костных повреждений у больных различного профиля.

В настоящее время усилиями ряда исследо­вателей, работающих в области ТИ, были раз­работаны и внедрены композиционые матери­алы, в состав которых входят как нативные клетки костного мозга, так и стромальные остеогенные клетки-предшественнники, выра­щенные в монослойных культурах костного мозга ( Gupta D., 1982 ; Bruder S., 1998). Этими

авторами было установлено, что для успешной индукции остеогенеза в месте трансплантации необходимо создать высокую, начальную плотность стромальных предшественников -порядка 10⁷-⁸ клеток. При этом простое введе­ние суспензии таких клеток не давало хороших результатов. В связи с этим возникла серьезная проблема поиска носителей для транспланта­ции клеток в организм реципиента.

Впервые в качестве такого носителя Gupta D. et. al. (1982) предложили использовать ксено-кость, предварительно обезжиренную и декальцинированную. Далее было установлено, что в зависимости от степени очистки ксенокости процент прикрепления клеточных элементов к носителю увеличивается, и клетки значительно лучше связываются с органической его частью, чем с природным костным ГА (Hofman S., 1999).

Из синтетических материалов в качестве но­сителей для трансплантации клеток в настоящее время широко применяют керамику (Burder S. 1998), которая представляет из себя искус­ственный ГА, полученный при обработке трикальций фосфата высокими температурами.

Отечественные стоматологи-хирурги в качестве подходящего носителя для транс­плантации аллогенных фибробластов ис­пользовали твердую мозговую оболочку и отметили, что применение данного транс­плантата с аллофибробластами при лечении хронического генерализованного пародонтита средней и тяжелой степени имеет ряд преимуществ перед другими способами ле­чения (Дмитриева Л.А., 2001).

Ранее в серии работ по конструированию «искусственной кожи» было обнаружено, что успех восстановления данной ткани после её повреждения зависит от состояния клеточно­го микроокружения в поврежденном участке. С другой стороны, само микроокружение со­здается оптимальным сочетанием основных компонентов межклеточного матрикса, таких как коллагены, гликопротеины и протеогликаны (Yannas I. et.al., 1980, 1984; Pruitt В., Levine N., 1984; Madden M. et.al., 1994).

Коллаген является типичным фибрилляр­ным белком. Его индивидуальная молекула -тропоколлаген состоит из трех спирализованных полипептидных цепей, называемых а-цепями, которые скручены между собой в од­ну общую спираль и стабилизированны водо­родными связями. Каждая а-цепь содержит в среднем около 1000 аминокислотных остатков. В костной ткани существует две основных ком­бинации цепей - две а1 и одна а2 или коллаген типа 1 и три а-1 или коллаген типа Ш. Кроме на­званных типов в кости были обнаружены в ми­норных количествах и другие изоформы колла­гена (Серов В. П., Шехтер А. Б„ 1981).

Протеогликаны это сложные соединения полисахаридов с белком. Полисахариды, вхо­дящие в состав протеогликанов, представляют из себя линейные полимеры, построенные из разных дисахаридных субъединиц, образован­ных уроновыми кислотами (глюкуроновой, галактуроновой и идуроновой), N-ацетилгексозаминами (N-ацетилглюкозамин, N-ацетилгалактозамин) и нейтральными сахаридами (галактозой, маннозой и ксилозой). Эти полисахаридные цепи называются гликозаминогликанами. По меньшей мере один из Сахаров в дисахариде имеет отрицательно заряженную карбоксильную или сульфатную группу (Стей-си М., Баркер С,1965). Зрелая костная ткань содержит в основном сульфатированные гликозаминогликаны (сГАГ), такие как хондрои-тин-4- и хондроитин-6-сульфаты, дерматан-сульфат и кератан-сульфат. Биосинтез протеогликанов в костной ткани осуществляет­ся главным образом активироваными остео­бластами и в незначительной степени зрелыми остеоцитами (Juliano R., Haskell S., 1993; Wendel M., Sommarin Y., 1998).

Функциональное значение сГАГ в соеди­нительной ткани (СТ) велико и связано в пер­вую очередь с формированием коллагеновых и эластиновых волокон. сГАГ участвуют прак­тически во всех процессах обмена СТ и могут оказывать модулирующее влияние на дифференцировку её клеточных элементов (Панасюк А.Ф., Ларионов Е.В., 2000). От их каче­ственных и количественных характеристик в тканях, а также специфики взаимодействия с другими компонентами межклеточного мат­рикса, зависят многие показатели регенера­ции СТ. В последнее время эти положения на­ходят подтверждение и для процессов репарации костной ткани (Pieper J.S., 2000).

Следовательно, и коллаген, и ГА взятые по отдельности обладают в основном лишь остеокондуктивными свойствами (Parsons J., 1988; Mehiisch D.R., 1989). При объединении этих соединений в комплекс, они уже спо­собны оказывать определенный остеоиндук-тивный эффект, хотя имеющиеся в литера­туре данные по этому вопросу достаточно противоречивы. И, наконец, если в данном комплексе будут присутствовать ещё и сГАГ, то такая композиция должна иметь дополни­тельные остеоиндуктивные свойства.