Локальные факторы стимуляции репаративного остеогенеза (обзор литературы)

Помимо совершенствования способов репозиции и фиксации переломов актуальным направлением современных исследований является изучение механизмов репаративной регенерации костной ткани и способов влияния на нее. В настоящее время в этом плане активно изучаются возможности применения локальных факторов, которые можно использовать для восстановления и регенерации кости.

Цель работы - анализ литературных данных применеия локальных факторов стимуляции репаративного остеогенеза .

Эти факторы классифицируются по механизму биологического действия на остеогенные, остеокондуктивные, остеоин-дуктивные факторы [1]. Остеогенными факторами считают те, которые содержат жизнеспособные клетки (остеогенный предшественник) и способны к образованию кости. Это может быть аутологичный костный мозг либо аутологичная костная ткань. Остеоиндуктивные препараты содержат биологически активные субстанции – трофические факторы роста,способные стимулировать процессы пролиферации и дифференцировки клеток костной ткани. Остеокондуктивные материалы выполняют роль

имплантируемой матрицы, на которой в процессе прорастания сосудистого русла формируется новая кость [2].

Костная пластика

Аутологичный костный трансплантат сочетает в себе все свойства, необходимые для биологического трансплантата: остеогенные, остеокондуктивные и остеоиндуктивные [3]. Корковые структурные трансплантаты, используемые в качестве биологических пластинок или интрамедуллярной опоры в сочетании с другими устройствами внутренней фиксации, улучшают механическую стабильность [4]. Преимущества этого трансплантанта относительно низкая стоимость, отсутствие передачи инфекций и иммунологического отторжения [5]. Недостатками являются ограниченный объем доступного трансплантата ,недостаточная структурная поддержка, болевой синдром и заболеваемость донорского участка. Аллогенные костные трансплантаты (аллотрансплантат) доступны в различных формах и размерах, таких как кортикальный, губчатый, остеохондральный и цельный костный сегмент. Основным недостатком аллотрансплантата является потеря остеогенного потенциала из-за удаления костных клеток при подготовке трансплантата. Несмотря на это, костная пластика представляет собой дополнительную возможность при лечении патологических переломов на фоне остеопороза[6]. Несколько исследований показали, что аллотрансплантаты представляют собой надежное решение при лечении перипротезных переломов бедренной кости [7, 8].

Костные заменители

Деминерализованный костный матрикс (DBM) представляет собой высоко переработанный аллотрансплантат, который содержит менее 5 % кальцифицированной целлюлярной субстанции, при этом сохраняются коллагены, неколлагеновые белки и факторы роста Материалы аллотрансплантата DBM соответствуют принципам остеокондуктивного и остеоиндуктивного заживления. Остеокондуктивность DBM достигается путем предоставления подходящей матрицы для клеток, остеоиндуктивность мезенхимными клетками, которые стимулируются нативными биоактивными молекулам и дифференциркются в костеобразующие клетки, и могут запускать каскад эндохондральной оссифи-кации в месте имплантации. DMB, из-за его более низкой структурно-механической целостности, чем аутологичный костный трансплантат в основном применяется для заполнения дефектов кости. В литературе представлены ряд хороших результатов применения DMB для лечения переломов длинных трубчатых костей. Lindsey и соавт. сообщили о 90% срасщении переломов длинных трубчатых костей после применения DBM по сравнению с 75% после аутотрансплантации подвздошного гребня. В другом сообщении было показано более короткое время заживления, когда атипичные подвертельные переломы бедренной кости лечили с применением DBM [9]. Однако клинический уровень доказательств, подтверждающих использование DBM в травматологической и ортопедической хирургии, ограничен и состоит в основном из низкокачественных и ретроспективных случаев, а итоговые оценки являются очень низкими [10].

Сульфат кальция, керамика и цемент на основе фосфата кальция, биоактивное стекло или их комбинации являются наиболее распространенными синтетическими заменителями костей. Все они имеют сходные механические характеристики и имеют целью имитировать остеокондуктивные свойства костного трансплантата и в основном используются в качестве наполнителей пустот при больших сегментарных дефектах [1]. Использование β-трикальцийфосфата в сочетании с деминерализованным костным матриксом было изучено при переломах бедренной и большеберцовой костей. Все переломы срослись без какого-либо повреждения имплантата [11]. Применение биоактивного стекла показало многообещающие результаты [12]. Более того, эти заменители могут сочетаться с биологически активными остеоиндуктивными и остеогенными субстратами, такими как аспират костного мозга, плазма, обогащенная тромбоцитами, или BMP [1].

Факторы роста

К синтетическим факторам роста относятся костные морфогенетические белки (BMP), факторы роста фибробластов (FGF), сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF), тромбоцитарный фактор роста (PDGF) и инсулиноподобный фактор роста (IGF).

Семейство костных морфогенетических белков (BMP), главным образом BMP-2 и BMP-7, нашло широкое применение в области ортопедии [13]. BMP регулируют активность остеопрогениторных клеток и их дифференциацию в остеобласты и стимулируют пролиферацию хондроцитов во время образования эндохондральной кости. В экспериментальных моделях заживления переломов, BMP-2 и BMP-7 увеличивали количество хряща и образование костной ткани в костной мозоли и сокращали время, необходимое для достижения минерализации костной мозоли и ремоделирования кости [14]. В настоящее время для клинического применения доступны рекомбинантный человеческий ВМР-2 (rhBMP-2, торговое название InFUSE – производитель Medtronic Sofamor Danek, Memphis, USA), и ВМР-7 (rhBMP-7, торговое название Ossigraft – производитель Stryker Biotech, Massachusetts, USA).

Несколько клинических исследований показали, что BMP-2 и BMP-7 сокращают время консолидации после хирургического лечения переломов большеберцовой кости и снижают риск возникновения новых переломов. Применение BMP для лечения переломов, по мнению ряда авторов, оказалось благоприятной альтернативой аутологичной костной пластики. В частности, применение BMP-2 приводило к тем же показателям консолидации (75–89%), что и при аутотрансплантации кости [15].

Проведено мультицентровое слепое рандомизированное контролируемое исследование – BESTT [16]. 450 человек с открытыми переломами костей голени были пролечены стандартным протоколированным способом – первичная хирургическая обработка раны и интрамедуллярная фиксация. Все пациенты разделены на три равные группы, Представителям 1-й группы перед ушиванием раны в зону перелома вводили 0,75 мг/мл (0,75 мг белка на 1 мл кондуктора – коллагеновой губки) rhBMP-2, пациентам 2-й группы вводили 1,5 мг/мл rhBMP-2,в группе сравнения выполняли обычное ушивание раны. Отслежены ре- зультаты в течение 12 месяцев после травмы. Отмечено значительное улучшение результатов лечения во 2-й группе с двойной дозировкой rhBMP-2. Так, в контроле повторное вмешательство в связи с несращением потребовалось у 46 % пациентов, а во 2-й группе – у 26 %. Также отмечен и более низкий уровень инфекционных осложнений в раннем послеоперационном периоде во 2-й группе по сравнению с группой сравнения – 24 и 44%, соответственно.

• G. Zimmermann с соавт [17] сопоставили эффективность применения rhBMP-7 и аутотрансплантатов в лечении ложных суставов и несращений большеберцовой кости. 82 пациентам была выполнена только костная аутопластика, из них у 28% через 4 месяца после вмешательства не было отмечено рентгенологических признаков консолидации, что потребовало повторных вмешательств. В аналогичной группе лиц с несращениями (26 человек) был использован имплантат с rhBMP-7 и сращение через 4 месяца наступило в 92 % наблюдений.

В 2011 г. сотрудниками НИИЭМ им. Н.Ф. Гамалеи была запатентована уникальная технология получения рекомбинантных нативных белков BMP-2 и BMP-7 с использованием бактериального продуцента [18]. На основе данной технологии созданы инновационные пластические материалы с остеоиндуктивными свойствами. В частности, разработаны препараты серии «Гама-лант » , основу которых составляют синтетический нанокристал-лический гидроксиапатит и высокоочищенный коллаген I типа. Эти компоненты выполняют остеокондуктивную функцию – роль матрицы, заполняющей костные дефекты, и обеспечивают адгезию и дифференцировку мезенхимальных клеток.

В качестве остеоиндуктивного компонента выступает rhBMP-2, получаемый микробиологическим синтезом в E. coli.

Хотя есть и другие исследования , которые показали противоречивые результаты. Aro и соавт. показали, что заживление открытых переломов большеберцовой кости не было значительно ускорено добавлением абсорбируемой коллагеновой губки, содержащей rhBMP-2 [19]. Lyon и соавт продемонстрировал в двойном слепом рандомизированном контролируемом исследовании у 180 пациентов с закрытыми переломами большеберцовой кости ,что время до полной консолидации значительно не уменьшилось на 2,0 мг / мл rhBMP-2 / CPM по сравнению с только интрамедуллярным остеосинтезом [20].

Так же эти авторы указывали на возникновение гетеротопических оссификаций у 18% пациентов с переломами большеберцовой кости, после применения BMP, хотя другие исследования не показали прямой корреляции [19, 20]. Кроме того применение BMP особенно не по назначению и в высоких дозировках повышало риск возникновения онкологических заболеваний , почечной и печеночной недостаточности и компартмент синдрома [21]. Использование рекомбинантного человеческого ВМР-2 нуждается в дальнейшем изучении.

Рекомбинантный BMP-7 был изучен на 122 пациентах с не-сросшимися переломами большеберцовой кости [22]. Во всех случаях использовался заблокированный интрамедуллярный штифт, пациенты были рандомизированы на группы с рекомбинантным человеческим BMP-7 в коллагеновом носителе I типа либо с аутологичным костным трансплантатом. Через 9 месяцев после лечения у 85% пациентов с аутологичным костным трансплантатом и 81% пациентов с BMP-7 отсутствовали боли в месте перелома. Аналогичным образом, у 85% пациентов с аутологичным костным трансплантатом и 75% пациентов с BMP-7 было достигнуто рентгенографически подтвержденное заживление костей. Хотя авторы пришли к выводу, что BMP-7 является безопасным и эффективным средством для лечения переломов большеберцовой кости, FDA не дало разрешения на использование BMP-7, поскольку улучшения по сравнению с аутотрансплантатом не было. BMP-7 одобрен в качестве альтернативы аутотрансплантату у пациентов, которым требуется ревизионный спондилодез поясничного отдела при невозможности забора аутокости и костного мозга и других принципиальных ограничениях.

Факторы роста фибробластов(FGF) секретируются моноцитами, мезенхимальными стволовыми клетками, остеобластами и хондроцитами с ранних стадий заживления переломов на протяжении всего процесса заживления. Kawaguchi и соавт. сообщили о результатах применения rhFGF для лечения перелома большеберцовой кости в клиническом исследовании, включавшем 70 пациентов [23]. Интрамедуллярный остеосинтез представлял собой стандартную помощь, затем пациентам случайным образом вводили либо плацебо, либо 0,8 мг rhFGF-2, либо 2,4 мг rhFGF-2 в месте перелома. При рентгенологическом анализе авторы обнаружили более короткое время заживления и более высокую частоту срощения переломов в обеих группах, получавших rhFGF, по сравнению с группой, получавшей только гидрогель. Так же не было никакой разницы в побочных эффектах между группами.Копылов В.А и соавт. показали в эксперименте на 56 крысах, что метаболиты Bacillus subtilis 804, содержащие фактор роста фибробластов обладают стимулирующим действием на репаративный остеогенез и ускоряют консолидацию переломов [24].

Фактор роста тромбоцитов (PDGF) - это сигнальная молекула, которая выделяется дегранулирующими тромбоцитами на ранних стадиях заживления переломов благодаря своей важной роли в хемотаксисе. Хотя применение rhPDGF было одобрено FDA при артродезе голеностопного сустава [25], в настоящее время не существует агентов PDGF, специально одобренных для использования при консолидации переломов [1]. Точно так же было продемонстрировано, что фактор роста эндотелия сосудов обладает остеоиндуктивной функцией. Тем не менее, все доступные исследования были выполнены только на различных животных [26].

Клеточная терапия

Аутологичный концентрат аспирата костного мозга (BMAC) продемонстрировал положительные результаты в лечении травм скелетно-мышечной системы. Костный мозг, в частности красный мозг, содержит 2 типа взрослых стволовых клеток: гемопоэтические стволовые клетки и мезенхимальные стволовые клетки (МСК). МСК обладают уникальными свойствами — способностью дифференцироваться в нескольких направлениях (фибробластическом, остеогенном, хондроцитарном и адипоцитарном), размножаться in vitro, оказывать иммуномо- дулирующий и иммуносупрессивный эффекты. Это позволяет использовать их в качестве терапевтического агента в регенераторной медицине, в частности для оптимизации репаративного остеогенеза. Результаты экспериментальных и клинических исследований свидетельствуют о положительном влиянии трансплантации МСК на течение репаративного процесса. Выявлено, что вследствие их остеогенной дифференцировки повышается пул остеобластов, объем новообразованной костной ткани и сокращаются сроки восстановления целостности кости [27]. Несомненными преимуществами использования МСК является малоинвазивность процедуры получения и возможность увеличения количества в процессе культивирования.

В настоящее время существуют разные способы использования МСК: – концентрированный пунктат (аспират) костного мозга имплантируют непосредственно в зону повреждения кости [28, 29]; – выделенные из спонгиозной костной ткани и культивированные МСК трансплантируют в зону повреждения; – системная мобилизация стволовых клеток и других клеток-предшественников костного мозга с использованием факторов роста. Сложность локального введения МСК непосредственно в открытую рану заключается в том, что клетки плохо удерживаются в зоне дефекта. Одно из решений данной проблемы — применение матриц, насыщенных суспензией костного мозга. Спектр материалов, использующихся в качестве подложки довольно широк, среди них: бета-трикальцийфосфат (β-TKФ) [30], минерализованный губчатый матрикс [31], различные металлы с покрытием из титана [32] и др.

M. Jäger и соавт. [33] применяли МСК с подложками из коллагеновой губки или гидроксилапатита при хирургическом лечении пациентов с переломом. Через 6 мес. у всех пациентов рентгенологически зафиксирована консолидация отломков. Сокращение сроков образования костной ткани в области перелома отмечено при использовании в качестве матрицы гидрок-силапатита по сравнению с применением коллагеновой губки (6,8 против 13,6 недель). Полное восстановление кости в этих группах зафиксировано через 17,3 и 22,4 недели соответственно. Авторы пришли к выводу, что сочетание МСК с подложкой из гидроксилапатита имеет остеоиндуктивный эффект.

Положительные результаты отмечено после инъекционного введения дифференцированных остеобластов, полученных после культивирования МСК, выделенных из тел позвонков поясничного отдела, в зону перелома длинных костей конечностей. Через 8 недель после операции отмечено сокращение сроков регенерации за счет ее оптимизации [34]. Использование культивированных МСК на подложке из гидроксилапатита для лечения дефектов костной ткани приводило к повышению остеоинтеграции имплантата, что положительно влияет на течение регенераторного процесса [35].

Хотя показания для использования BMAC в лечении «свежих» переломов не так хорошо установлены, некоторые авторы описали первичную фиксацию переломов с помощью BMAC-обогащенных аллотрансплантатов для сложных переломов костей с дефектом кости, как альтернативу аутотрансплантатам [36]. Роль BMAC в лечении несоршихся переломах длинных трубчатых костей хорошо известна. BMAC может применяться как отдельно, так и в сочетании с обогащенными каркасами (аутотрансплантаты, аллотрансплантаты и DBM), PRP и BMP. В серии клинических случаев сообщалось, что инъекция аспирата костного мозга имеет успех от 75% до 90% при лечении атрофических ложных суставов большеберцовых и плечевых костей [37, 38].

Одной из известных технологий местной стимуляции репаративного остеогенеза является PRP-терапия введение в зону перелома аутологичной, обогащенной тромбоцитами плазмы крови [39]. Биологическое обоснование его использования в заживлении костей включает локальную доставку цитокинов, которые выделяются из пула дегранулирующих тромбоцитов. Местные инъекции PRP направлены на имитацию и увеличение биологической функции гематомы в месте перелома. В частности, гранулы в тромбоцитах содержат и высвобождают PDGF, трансформирующий фактор роста бета 1 (TGF-b1), VEGF, эпидермальный фактор роста, фактор роста фибробластов и инсулиноподобный фактор роста, которые усиливают процесс заживления поврежденных тканей [40]. Хотя в ряде доклинических исследований сообщалось о положительных результатах использования PRP для ускорения сростания «свежего» перелома [41], его клиническое применение при переломах длинных костей в основном ограничивается лечением замедленосроста-ющихся и несросшихся переломов. В проспективном исследовании применение PRP для лечения 94 несросшихся переломов длинных трубчатых костей привело к 87% частоте сращения через 4 месяца [42]. В рандомизированном контролируемом исследовании применения PRP при остеосинтезе для лечения 29 ложных суставов большеберцовой и бедренной костей, демонстрируется более высокая скорость заживления в группе PRP по сравнению с группой сравнения [43].

Но есть и противоречивые данные. В систематическом обзоре 2012 года Sheth и соавт. оценивали доказательства, подтверждающие использование аутологичной PRP для уменьшения боли и улучшения заживления при различных травматических повреждениях костей или мягких тканей [44]. Авторы включили в масштабный анализ 23 РКИ и 10 проспективных когортных исследований. Несмотря на отсутствие согласованности между показателями исхода, авторы пришли к выводу, что PRP не предлагает преимущества по сравнению со стандартным лечением. На сегодняшний день надежные клинические доказательства использования обогащенной тромбоцитами плазмы для регенерации костной ткани практически отсутствуют.

Значительный прогресс, достигнутый при использовании остеоиндукторов и остеокондукторов для восстановления костных дефектов, все таки не подводит финишную черту в решении столь сложной проблемы [45-47].

В настоящее время большой интерес представляет возможность местного применения бисфосфонатов как изолированно, так и в комбинации с другими компонентами [48, 49]. Считается, что бисфосфонаты не влияют непосредственно на формирование кости, а увеличивают баланс кости просто путем ингибирования резорбции кости. Однако существуют исследования показывающие, что это может быть не совсем так. Морфологические данные об основной структурной единице предполагают возможное увеличение образования в многоклеточной единице кости, подразумевая, что может иметь место некоторое стимулирующее влияние на формирование кости [50]. На клеточном уровне было показано, что бисфосфонаты in vitro увеличивают пролиферацию остеобластов и хрящевых клеток, а также биосинтез коллагена и остеокальцина костными клетками [51].

В экспериментах на животных было показано увеличение остеогенеза вокруг имплантатов при локальном использовании раствора бисфосфоната, при этом увеличение остеоинтеграции на границе «имплантат-кость» превосходило подобное явление при системном применении бисфосфонатов [49]. Появились работы о локальном применении бисфосфонатов при цементном эндопротезировании, в которых они были смешаны с костным цементом. Однако при этом было отмечено изменение характеристик самого цемента, что снижало его усталостную прочность, в связи с чем от этой идеи пришлось отказаться. Преимущественное использование бесцементных конструкций, невозможность применения бисфосфонатов в соединении с костным цементом, а также недостаточная эффективность соединения бисфосфонатов с гидроксиапатитным покрытием подтолкнули ученых к разработке растворов бисфосфонатов для локального применения. [52]. Однако выявлено, что бисфосфонаты в качестве раствора не способны удерживаться в зоне травмы продолжительно [53].

Для изучения репаративного остеогенеза у 36 кроликов была использована экспериментальная модель несквозного дефекта большеберцовой кости [54]. В этот дефект в основной группе вводили этидронат (бисфосфонат первого поколения без содержания аминогруппы, механизмом действия которого является ингибирование резорбции кости посредством индукции апоптоза остеокластов) и кальций, а с целью удержания компонентов – лантаноиды, в группе сравнения ничего не вводилось. Лантаноиды это редкоземельные металлы, они явлются эффективными катализаторы гидролитического расщепления фосфатно-эфирных связей [55]. Установлено, что лантаноидосодержащие биокомпозиционные покрытия способны улучшать трофику границы кость-имплантат, ускоряют остеоинтеграцию и предотвращают воспалительные осложнения, вследствие ан-титромбоцитного действия. Лантаноиды способны оказывать антимикробное действие, повышать фагоцитарную активность лейкоцитов, в результате вызывают отторжение некротических тканей, способствуют пролиферации клеток, и как следствие, быстрое заживление раневой поверхности [56]. В результете этого исследования было показано, что дозированное применение препарата, содержащего этидронаты, ионы лантаноидов и кальций, эффективно уже на ранних сроках заживления небольших костных дефектов, выявлена достоверная выраженная разница в плотности костной ткани на ранних сроках процесса репаративной регенерации. Особенностью действия препарата было комплексное действие в виде: снижения интенсивности воспаления; ускорения репарации; влияния на остеогенез, который в подавляющем большинстве случаев был прямым.

Была показана способность препарата, содержащего этидронаты ионов лантаноидов и кальция, значительно стимулировать активность остеобластов и не оказывать при этом влияния на активность остеокластов in vitro [57].

В другом исследование на 45 крысах оценивали изменения плотности костной ткани в области перелома при интрамедуллярном остеосинтезе на фоне локального введения компонентов на основе этидронатов, ионов лантаноидов и кальция в трех равных по количеству и сравнимых группах [58]. В группе сравнения эксперимент проведен без стимуляции репаративного процесса, в первой группе исследования были введены компоненты на основе этидронатов, ионов лантаноидов и кальция, во второй группе — введены компоненты с содержанием этидронатов и кальция (без ионов лантаноидов). В результе при введении этидронатов ионов лантаноидов и кальция была возможна более ранняя опора на оперируемую конечность. При введении данных компонентов плотность кортикальной пластинки на ранних сроках была статистически значимо выше на 20%, чем в группе сравнения, и на 24% больше, чем у животных в группе с введением этидронатов и кальция без ионов лантаноидов. К 30-м суткам плотность кортикальной пластинки в группе, где вводили компоненты с содержанием ионов лантаноидов,была выше на 37%, чем в двух других группах. Таким образом было выявлено положительное влияние исследуемых компонентов на формирование регенерата у крыс. Данные проведенного исследования позволяют сделать вывод о том, что параоссальное применение компонентов на основе этидронатов ионов лантаноидов и кальция сопровождается формированием в зоне остеотомии кортикальной пластинки с наиболее высокими показателями плотностных характеристик, а нормализация этих показателей в данной группе происходила быстрее, чем в группе с введением компонентов на основе этидронатов и кальция без содержания ионов лантаноидов.

Заключение:

Несмотря на постоянное совершенствование методов оперативного лечения переломов, применение современных материалов и технологий для внутреннего остеосинтеза, аппаратов внешней фиксации, основными осложнениями по-прежнему остаются замедленное сращение или несращение переломов. Проведенный анализ данных литературы свидетельствует о том, что актуальность применения локальных факторов, которые можно использовать для восстановления и регенерации кости в настоящее время весьма высока. Однако, несмотря на многочисленные исследования, многие вопросы остаются неразрешенными,и есть необходимсть в их продолжении.

Садыков Р.И., Ахтямов И.Ф., ЛОКАЛЬНЫЕ ФАКТОРЫ СТИМУЛЯЦИИ РЕПАРАТИВНОГО ОСТЕОГЕНЕЗ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) // Кафедра травматологии и ортопедии. 2020. №3. С. 23-30. [Sadykov R.I., Akhtyamov I.F., LOCAL FACTORS OF STIMULATION OF REPARATIVE OSTEOGENESIS (LITERATURE REVIEW) Department of Traumatology and Orthopedics. 2020.№3. pp. 23-30]

Финансирование: исследование не имело спонсорской поддержки

Funding: the study had no sponsorship