Биодеградируемый материал для замещения костной ткани
Одной из задач современной регенеративной медицины является разработка материалов для изготовления искусственных органов, тканей и биоинженерных конструкций. Наиболее перспективные материалы для изготовления носителей в тканевой инженерии полимеры биологического происхождения.
Специалисты Санкт-Петербургского государственного технологического института и Федерального научного центра реабилитации инвалидов им Г.А. Альбрехта Министерства труда и социальной защиты РФ провели исследование, целью которого стала оценка возможностей применения для регенерации костной ткани нового биодеградируемого материала на основе гидроксиапатита.
Исследуемый авторами материал для замещения костной ткани был изготовлен из трех основных компонентов. В качестве носителя использовался фиброин — основной белок шелка, представляющий собой гетеродимер, состоящий из легкой цепи Fib-L с массой 26 кДа и тяжелой Fib-H цепи с массой 350 кДа и гликозилированного белка P25 с массой 30 кДа. Первичную последовательность фиброина составляют глицин (43%), аланин (30%), серин (12%), в меньшем количестве тирозин (5%), валин (2%), аспартат, глутамат и цистеин, который выполняет главную интегрирующую роль в объединении субъединиц в одну молекулу.
Сбалансированный в ходе эксперимента состав обеспечивает при малом времени отверждения образование материала, который имеет возможность за счет пластичности удобно заполнить весь дефект в костной ткани, без зазоров между материалом и костью, что имеет важное значение для процессов регенерации. За счет фиброина материал обладает высокими механическими характеристиками, создает прочное соединение отломков кости, гидроксиапатит является аналогом неорганической составляющей натуральной кости и обладает биосовместимостью, противовымываемыми свойствами, биоактивностью, остеокондуктивными и остеоиндуктивными свойствами, благодаря чему он постепенно замещается натуральной костной тканью, эффективно восстанавливая имеющиеся дефекты, при сокращении общей длительности хирургического вмешательства. Опытным путем было установлено, что химический состав, органические и неорганические включения, соотношение аморфной и кристаллической фаз, структура пор, геометрия и состав частиц имеют ключевое значение для эффективности этих процессов. Размер пор в материале варьировался и составлял величину порядка 100 мкм.
Благодаря интенсивно развитой объемной сетчатой структуре соединительных пор, площадь внутренней поверхности материала составляет более 90 м2 /г и внутреннее пространство близко соответствует кости человека. Это обеспечивает большую площадь контакта материала имплантата с костью.
Работа с животными была выполнена в соответствии с протоколами, утвержденными Комитетом по Уходу и Использованию Животных и руководством Министерства Здравоохранения и Социального Развития Российской Федерации, приказ № 755 от 12.08.1977, согласно декларации Всемирной Медицинской Организации Хельсинки. В ходе проведения эксперимента было прооперировано 40 крыс породы “Wistar”.
Дефект кости выполнялся следующим образом: в проекции диафизa бедренной кости в передне-заднем направлении выполнялось сквозное отверстие диаметром 2 мм. Дефект заполнялся исследуемым материалом, в контрольной группе дефект оставался незаполненным. Во все сроки наблюдения у животных осуществлялся забор крови из хвостовой вены и по 5 животных из каждой группы выводились ингаляционной передозировкой эфира. Путем экзартикуляции по суставам производилось извлечение бедренных костей с окружающими мягкими тканями, затем мягкие ткани удалялись (рис. 2) и кость помещалась в раствор формалина (10%).
Результаты применения материала оценивали с помощью рентгенографии области интереса в сроки 1, 2, 4, 8 недель после операции и по результатам гистограмм. Рентгеновская томография костей проводилась на 64-срезовом мультиспиральном компьютерном томографе (модель Light Speed VCT) компании General Electric (GE)). Для оценки процессов регенерации были выбраны наиболее оптимальные параметры сканирования: 120 кВ, 80 мА, толщина реконструкции 0,6 мм. Все полученные изображения обрабатывались на рабочей станции экспертного класса с многопрофильным просмотром изображений AW VolumShare 4 по 3D («three-dimensional») и VR («virtual reality») протоколам. На полученных изображениях в интерактивном режиме выделяли область, в которой автоматически высчитывалась площадь и плотность области интереса в единицах Хаунсфилда. Индекс костной мозоли (ИКМ) по шкале Хаунсфилда вычисляли по формуле: ИКМ=ИP(HU)/KC(HU)×100, где ИР — плотность интермедиарной зоны регенерированной ткани в единицах Хаунсфилда, HU; КС — плотность интактного кортикального слоя прилежащего отдела кости в единицах Хаунсфилда, HU.
Все измерения были проведены в единицах Хаунсфилда, так как они оценивают степень абсорбции рентгеновского излучения анатомическими структурами организма по отношению к воде, при этом степень абсорбции рентгеновского излучения водой в шкале Хаунс филда принимается равной 0, и тогда воздух и жир имеют отрицательные значения, костная ткань — положительные значения.
В процессе измерений оценивали форму и соотношение костного дефекта и материала для замещения костной ткани, структуру кости, выявляли наличие дистрофических изменений костного и мягкотканого компонентов, характер изменений в окружающих тканях. Качественная оценка остеорегенерации проводилась по следующим критериям: – снижение четкости границы костного дефекта, – повышение оптической плотности костной мозоли за счет формирования островков минерализации. Формула крови была подсчитана на световом микроскопе фирмы “Nicon”, после окрашивания мазков крови по стандартной методике гематоксилин-эозином.
В послеоперационном периоде экспериментальных крыс с цементами различных типов, в течение первых двух суток отмечалась выраженная гиподинамическая реакция, крысы были крайне малоактивны, лежали, при попытке перемещения пользовались только передними конечностями, отмечался выраженный отек прооперированной зоны. Затем, в период до пяти суток, указанные явления уменьшались, отмечалось сохранение выраженного отека мягких тканей бедра, прооперированная конечность животным «береглась». В дальнейшем послеоперационном периоде наступало полное восстановление и каких-либо других осложнений и особенностей заживления у данной группы крыс не отмечалось.
Увеличение уровня лейкоцитов, при увеличении содержания сегментоядерных нейтрофилов и моноцитов говорит о возникновении воспалительного процесса, который постепен но уменьшается в течение 2 недель. Через 2 недели после введения материала содержание нейтрофилов не отличалось от физиологической нормы. Изменения в лейкоцитарной формуле, отражающие развитие аллергической реакции в течение раннего послеоперационного периода, более выражены в группе с материалом в зоне дефекта, по сравнению с группой контроля, но и эта реакция полностью исчезала через 2 недели после операции.
Данные рентгеновского исследования показали активные процессы репаративной регенерации костной ткани в случае применения материала для заполнения дефекта в сравнении с группой контроля. При денситометрическом анализе мультипланарных томограмм получены абсолютные значения плотности в области дефекта.
Об образовании костной мозоли можно судить по увеличению плотности искусственно сформированного отверстия в кости, что связано с процессом кальцификации и регенерацией костной ткани. Данные процессы более выражены у животных опытной группы. Начиная со второй недели, более высокий индекс регенерации костной ткани у крыс наблюдался при заполнении дефекта исследуемым материалом по сравнению с группой контроля.
Процессы активной регенерации также подтверждаются с помощью гистограмм. В опытной группе материал определяется в зоне дефекта в виде гомогенных розовых масс. Вокруг него имеется слабая клеточная реакция, представленная преимущественно фибробластами, играющими важную роль в заживлении ран, основной функцией которых является синтез компонентов межклеточного вещества: белков (коллагена и эластина). Вокруг материала можно отметить выраженный остеогенез с формированием малоклеточной костной ткани. Местами остеогенез был представлен широкими балками. В группе контроля отмечался кортикальный слой кости обычного строения на большем протяжении. Отчетливо очагов остеогенеза не определялось.
При оценке аналогичных параметров после применения биодеградируемого материала с целью замещения дефекта в костной ткани на тех же сроках после проведения оперативного вмешательства были выявлены признаки формирования новой костной ткани в зоне дефекта.
Таким образом, биодеградируемый материал для замещения костной ткани, имеющий в своем составе три основных компонента: фиброин шелка, гидроксиапатит и казеин, является перспективным материалом для изготовления пластичных, пористых биоинженерных конструкций, способствующих восстановлению костной ткани. Использование подобных материалов для замещения костной ткани приводит к более быстрому восстановлению ткани в зоне дефекта.
Источник: «Биодеградируемый материал для замещения костной ткани»
Набока В.А., Климентьев А.А., Габидуллин Р.Ф.
https://gpmu.org/science/pediatrics-magazine/Medicine_theory_practice 2019, том 4, № 3
Метки: имплантаты, медицина будущего, научные издания
27.03.2020