Новые достижения и секреты, раскрытые при изучении дистракционного остеогенеза

В последние два десятилетия методы дистракционного остеосинтеза получили широкое признание и применение в ортопедии, травматологии и черепно-лицевой хирургии; дистракционный остеосинтез успешно применяется в лечении заболеваний, ранее считавшихся неизлечимыми, с достижением хороших результатов [1-8]. Хотя до сих пор не полностью определены биологические механизмы дистракционного остеогенеза, считается общепризнанным, что механи- ческая стимуляция является ключевым моментом в активировании регенеративных возможностей тканей.

Биологические механизмы дистракционного остеогенеза

В предыдущих исследованиях установлено, что многие гены подвергаются регуляции по типу положительной (активируются) или отрицательной связи (подавляются) в костных клетках, реагирующих на механическую стимуляцию [9]. Не так давно было выявлено, что нуклеарные прото-онкогены c-fos и c-jun активируются на ранних стадиях дистракционного остеогенеза [10]. Так как семейства генов Fos и Jun связаны с механотрансдукцией и эмбриональным развитием кости, то их сильно выраженная экспрессия при дистракционном остеогенезе является еще одним доказательством, подтверждающим гипотезу Илизарова о том, что дистракционный остеогенез имеет сходство с некоторыми аспектами эмбрионального развития. Последние исследования показали, что даже шванновские клетки сохраняют способность синтезировать миелин в процессе дозированного удлинения нерва [11]. Характер экспрессии ВМР при дистракции костей нижней челюсти аналогичен характеру экспрессии ВМР при дистракции длинной трубчатой кости [12]. Экспрессия костных морфогенетических белков [2, 4, 5, 6, 7] идет непрерывно с начала дистракции в течение 2 недель после завершения дистракционного остеогенеза. ВМР-3, который является в основном ответственным за остановку костного роста в определенных зонах и в определенное время, во время ДО не определяется, но его сильная экспрессия отмечается в течение 1-2 недель на этапе консолидации [12], указывая тем самым на то, что ВМР могут, по всей вероятности, регулировать или контролировать баланс костного образования и ремоделирования при дистракционном остеосинтезе. В процессе дистракционного остеосинтеза новая кость образуется и подвергается быстрому ремоделированию, а апоптоз, возможно, является одним из регуляторных механизмов, управляющих удалением излишней костной мозоли. Локализация апоптозных клеток в различных участках регенерата, сопровождаемая активностью остеокластов, указывает на то, что апоптоз тесно связан с костеобразованием и ремоделированием кости при дистракционном остеогенезе [13].

Механические сигналы играют существенную роль в костном гомеостазе. Низкая величина растягивающего усилия (2-8 % равнодвуосного усилия) в тканях оказывает противовоспалительное действие и сдерживает прововоспалительную генную экспрессию (как, к примеру, интерлейкин-1β и циклооксигеназа-2 (СОХ-2)), тогда как большая величина растягивающего усилия (15 % равнодвуосного усилия) вызывает противоспалительную генную экспрессию, быстро активирует экспрессию мРНК СОХ-2 и синтез простогландина Е2 (PGE2) [14]. В ряде исследований указывалось, что передача сигнала фактора роста также задействована в трансдукции механических стимулов; например, экспрессия эпидермального рецептора фактора роста активируется в остеобластах под влиянием тока жидкости [9]. Все вместе эти наблюдения выявляют важный механизм, заключающийся в том, что костная резорбция может иметь место в области, на которую воздействует усилие большой величины, а в зонах, на которые воздействует физиологическое усилие или усилие низкой величины, происходит костеобразование. Этим можно объяснить и стимуляторное воздействие на костную регенерацию/консолидацию при лечении физическими упражнениями с функциональной нагрузкой, стимуляцией импульсными электромагнитными полями, ультразвуком и короткими волнами.

В документах хорошо отражен тот факт, что дистракционный остеогенез – процесс, зависимый от сосудов. Дистракционный остеогенез стимулирует продуцирование ангиогенных факторов во вновь образованных костях, таких как сосудистый эндотелиальный (VEGF) и основной (ВFGF) факторы роста фибробластов [15]. Дистракционный остеогенез приводит не только к повышенной локальной экспрессии VEGF и его рецепторов в дистракционном диастазе, но и к повышенным экспрессиям уровней VEGF и его рецепторов в отдаленных мышечных участках [16], указывая на то, что дистракционный остеогенез индуцирует системные реакции, такие как освобождение факторов роста, цитокинов, гормонов и стволовых клеток, которые активируют консолидацию [17]. Циклы обратной связи в биологических каскадах, индуцируемых посредством дистракционного остеосинтеза, представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Биологические каскады дистракционного остеогенеза. На схеме представлены регуляторные циклы и циклы обратной связи в биологических каскадах, входящих в процесс дистракционного остеогенеза. Все факторы на этой схеме являются взаимозависимыми и имеют циклы положительной (+) или отрицательной (–) обратной связи, а также влияют друг на друга.

Что касается источников костеобразующих клеток-предшественников при дистракционном остеогенезе, то многие считают, что основными такими источниками является надкостница и костный мозг. В ходе клинического исследования состояния надкостницы при дистракционном остеосинтезе [18] металлические маркеры вводили в надкостницу пациентов, которым производился дистракционный остеосинтез; авторы подтвердили важность сохранения надкостницы (её наличие в виде непрерывного рукава) для успешного лечения методом дистракционного остеосинтеза. В большинстве случаев надкостница играет роль эластичного рукава, окружающего вновь образованную кость, а область соединения рукава и кортикального слоя создается на ранних этапах удлинения и едва ли меняет свое положение на более поздних стадиях дистракционного остеогенеза [18]. Надкостница плохого качества при операции может указывать на медленную костную регенерацию или плохое качество регенерата. При соответствующих состояниях мягкой ткани и механических действиях качество костной регенерации обычно не является сложной клинической проблемой. Даже проведение химиотерапии перед лечением методом дистракционного остеосинтеза не нарушает костную регенерацию [19], и это говорит о том, что лечение методом дистракционного остеосинтеза является уникальным способом мобилизации и стимулирует репаративнорегенераторные способности организма.

Мониторинг качества кости при дистракционном остеогенезе

Дистракционный остеогенез – процедура длительная, а индекс заживления, определяемый как время, необходимое для образования и развития каждого линейного сантиметра новой кости с условием сохранения её структуры после снятия аппарата, колеблется от 20 дней до 4-5 месяцев в зависимости от возраста пациента, костного сегмента, общей величины удлинения и хирургических манипуляций [3]. В прошлых научных исследованиях также указывалось на то, что большая продолжительность лечения методом дистракционного остеосинтеза может отрицательно влиять на физическое и психологическое состояние пациентов, особенно на молодых людей. Но в одном из последних исследований молодых людей, которым проводили лечение методом дистракционного остеосинтеза, было обнаружено, что при соответствующей подготовке и обучении молодые пациенты могут переносить лечение без отрицательной психологической реакции [20].

Неинвазивная визуализация дистракционного остеогенеза имеет важное значение для принятия решения относительно оптимальных исходов и минимизации риска при снятии аппарата. Хотя обычная ортогональная рентгенография и остается наиболее экономически эффективным методом визуализации для отслеживания всех участков регенерата [3], она не является надежной в смысле прогнозирования костного сращения или же качества или количества костного регенерата, поскольку для визуализации рентгенологических изменений необходимо увеличить плотность рентгенограммы на 40 %, а рентгенографические изменения не коррелируют с механической жесткостью [21]. В клинических условиях используются дополнительные методы, в том числе механическое испытание кости на прочность и жесткость, ДРA для оценки костной минеральной плотно- сти, ККT для оценки плотности и непрерывности кортикального слоя, ультразвук для выявления наличия кист, допплерография или ангиография для оценки локального кровотока и наличия кровеносных сосудов. Считается, что среди этих методов ультразвук является эффективным и точным методом для оценки костного регенерата при дистракционном остеосинтезе [22, 23]. К преимуществам применения ультразвука относятся следующие: минимальная стоимость, отсутствие связанных с металлом артефактов и воздействия облучения, небольшое количество необходимых серийных рентгенограмм [22]. Однако на аппарате для получения ультразвуковых изображений должен работать опытный специалист [23]. Кроме того, механическая жесткость дистракционного регенерата не всегда соответствует данными обзорных рентгенограмм и ультразвуковых изображений [21]; даже когда на рентгенограммах наблюдается консолидация дистракционного регенерата, по данным литературы, рекомендуется подождать ещё два месяца для безопасного прекращения наружной фиксации [24]. Поэтому решение о снятии наружного фиксатора в каждом случае должны выносить опытные клиницисты.

Стимуляция костной консолидации при дистракционном остеогенезе

Хотя дистракционный остеосинтез стал революцией в лечении многих ортопедических заболеваний, одной из проблем этого метода является длительный период ожидания консолидации вновь образованной кости, что может быть причиной серьезных осложнений у пациентов, таких как инфицирование спицевого канала, замедленная консолидация и дискомфорт, вызванный громоздким аппаратом [24]. Были изучены различные возможности укрепления костного регенерата при дистракционном остеосинтезе, что и представлено в таблице 1.

Механическая стимуляция с помощью дозированной нагрузки улучшает консолидацию кости, способствуя ангиогенезу, а вновь образованные сосуды в области надкостницы более чувствительны к механической стимуляции, чем эндостальные сосуды [25]. Это опять-таки говорит о важном значении сохранения надкостницы и послеоперационной физиотерапии. Стимуляция импульсными электромагнитными полями может быть безопасным и экономически эффективным способом активирования костной консолидации при дистракционном остеогенезе, поскольку стимуляция электромагнитным полем повышает образование костной мозоли, но не воздействует на фазу ремоделирования костной мозоли [26], электромагнитная стимуляция может сократить паузы с 7-10 дней до 1 дня после проведения остеотомии, не подвергая риску костную регенерацию при дистракционном остеосинтезе в целом [27].

Таблица 1 Методы и факторы, стимулирующие костную регенерацию при дистракционном остеогенезе

Механические

• ■    Функциональная нагрузка (механическая компрессия)

• ■    Ультразвук (низкочастотный)

• ■    Стимуляция электромагнитным полем

• ■    Стимуляция электрическим током

• ■    Коротковолновая терапия

Биоматериалы / клетки

• ■    Сульфат кальция

• ■    Трикальций фосфаты

• ■    Костные ауто- и аллотрансплантаты

• ■    Хитозан и другие биополимеры

• ■    Остеобласты

• ■    Экстракты костного мозга

• ■    Тромбоциты

Гормоны / анаболические и антирезорбционные средства

• ■    Гормон роста

• ■    Паратгормон

• ■    Эстроген

• ■    Простогландин E 2

• ■    Бифосфонаты

• ■    Золедроновая кислота Биомолекулы / факторы роста

• ■    BMP-2/BMP-4

• ■    BMP-7/ остеогенный белок-1 (OP-1)

• ■    VEGF

• ■    FGF-2

• ■    TGF-в

• ■    Другие

Некоторые исследования указывают на то, что переход от наружной фиксации к внутренней на раннем этапе может служить альтернативой для уменьшения осложнений при дистракционном остеосинтезе [24]. После быстрого удлинения наружным фиксатором при вторичной наружной фиксации, сопровождаемой применением костномозговых клеток с биоматериалами, аутогенных костных трансплантатов или аллотрансплантатов, достигаются хорошие клинические результаты [24]. Однако такой подход противоречит основным принципам методик дистракционного остеосинтеза, разработанным Илизаровым [1], которые заключаются в том, что жесткая фиксация в сочетании с осторожным выполнением кортикотомии (с сохранением кровоснабжения костного мозга) и дистракцией по 1 мм в сутки за четыре или более приемов гарантируеют успешное лечение методом дистракционного остеосинтеза. Но в клинической практике бывает нелегко или невозможно придерживаться этих основных принципов, и хирурги должны иметь широкий кругозор и быть готовы к апробации новых методов совершенствования дистракционного остеосинтеза.

Привлекает стратегия системного применения анаболических средств и гормонов для активации костной регенерации. Установлено, что гормон роста содействует ранней костной консолидации при применении его в виде ежедневной подкож- ной инъекции по 1 МЕ/кг на модели дистракционного остеогенеза у собаки [28], при этом механическая прочность кости втрое повышалась в группе, в которой применялся гормон роста, по сравнению с контрольной группой. Простоглан-дины являются анаболическими средствами in vitro, но их нельзя применять in vivo из-за побочного действия на кишечник [29]. Последнее исследование рецептора простогландина Е2, такого как селективного агониста простогландина Е2 рецептора ЕР2, возможно, приведет к появлению нового класса анаболических средств, которые можно будет использовать локально и системно для стимуляции остеогенеза и заживления переломов, но предстоит еще провести испытания на их клиническое соответствие [29]. По данным лирературы, антирезорбционные средства, такие как бифосфонаты, оказывают положительное влияние на заживление переломов. В одном из последних исследований было продемонстрировано, что на модели удлинения конечности у кролика систематическое применение (12 раза) золедроновой кислоты (0,1 мг/кг) усиливало действие дистракции в плане объема регенерата, минерализации и его прочности [30], указывая на то, что помимо своих антирезорбцион-ных эффектов бифосфонаты могут оказывать анаболическое действие. Однако отмечен связанный с дозой отрицательный эффект золедроновой кислоты на продольный рост у молодых кроликов [30], следовательно, небезопасно назначать такие бифосфонаты как золедроновая кислота детям, которым проводится лечение методом дистракционного остеосинтеза. На аналогичной модели дистракционного остеогенеза у кроликов систематическое применение 10 МЕ кальцитонина лосося в течение всего периода дистракции не ускоряло процесс костной консолидации [31], указывая на то, что применение только антире-зорбционного средства может и не оказать полезного воздействия на костную консолидацию при дистракционном остеосинтезе.

Локальное применение ВМР для стимуляции заживления переломов и спондилодеза стало признанной альтернативой в клинической практике. На модели дистракционного остеогенеза у кроликов при ускоренном удлинении (2 мм в сутки) разовое применение рекомбинантного костного морфогенетического белка человека (rhBMP-2) (75 μг) в виде инъекции или имплантации в конце периода дистракции в значительной степени ускоряло созревание кости и костную консолидацию [32]. Напротив, при проведении у кроликов удлинения со скоростью 1 мм в сутки введение ОР-1 (ВМР-7) в количестве от 80 до 2000 μг не показало никакого существенного влияния на созревание и сращение кости [33], указывая на то, что обычно дополнительные факторы роста не требуются при дистракционном остеогенезе в нормальных условиях. Поскольку дистракционный остеогенез является ангиозависи-мым процессом, сосудистые факторы могут также оказывать положительное влияние на костную регенерацию при дистракционном остеосинтезе. Однако в одном из последних исследований на модели дистракционного остеогенеза у кроликов было установлено, что при локальном применении сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF) и ингибитор VEGF не оказывали влияния на кровоток, образование кровеносных сосудов и качество костной регенерации в дистракционном диастазе [34]. Это свидетельствует о возможном наличии разных биологических свойств и регуляторных путей сосудистой сети в нативной и новообразованной кости при дистракционном остеосинтезе. В заключение следует отметить, что такие дополнительные факторы роста как ВМР и VEGF могут и не активировать костную регенерацию в дальнейшем при дистракционном остеогенезе в нормальных условиях, когда костная регенерация уже протекает с оптимальной скоростью. Но дополнительные факторы роста могут активизировать костную регенерацию и консолидацию в условиях, когда явно требуется увеличить кость.

Новое клиническое применение дистракционного остеосинтеза

Помимо общеизвестного применения в ортопедии и травматологии методы дистракционного остеосинтеза также широко применяются в области черепно-лицевой хирургии [2, 4, 5, 6, 7, 8]. Дистракционный остеосинтез нижней челюсти становится методом выбора при лечении пациентов с гипоплазией нижней челюсти [5, 8]. Микрогнатия, сопутствующая обструктивному синдрому апноэ во сне, которая является сложной клинической проблемой, связаееой с деформациями нижней челюсти (малый размер) и анкилозом височнонижнечелюстного сустава, обычно приводит к сужению дыхательных путей [6]. При применении метода дистракционного остеосинтеза на нижней челюсти достигаются отличные результаты в лечении микрогнатии, сопутствующей обструктивному синдрому апноэ во сне, без ограничения возраста пациентов [6]. Быстрое развитие дистракционного остеосинтеза в черепно-лицевой хирургии привело к усовершенствованию лечения комплексных черепно-лицевых аномалий, но в настоящее время его методики еще недостаточно разработаны по сравнению с применением в ортопедии, необходимы дальнейшие фундаментальные и клинические исследования для усовершенствования методик дистракционного остеосинтеза в черепно-лицевой хирургии [4].

Другой интересной новой разработкой применения дистракционного остеосинтеза является лечение таких сосудистых заболеваний как хроническая окклюзия периферических артерий [35]. Qu et al. [35] сообщили об успешном лечении пациентов с облитерирующим тромбарте-риитом и тромбангиитом с помощью поперечного перемещения кортикального слоя большеберцовой кости (рис. 2).

Рис. 2. Лечение сосудистого нарушения с помощью дистракционного остеогенеза . (А) Пациенту с облитерирующим тромбангиитом наложили на голень наружный фиксатор. (В) На рентгенограмме видно, что часть кортикального слоя, созданная при выполнении продольной кортикальной остеотомии, прикрепилась к наружному фиксатору. (С) При проведении ангиографии перед операцией видно, что мелкие кровеносные сосуды под подколенными артериями в больной конечности не определялись. (D и E) Через 25 дней после поперечного перемещения кости ангиография показывает, что в пролеченной конечности появилась новая сосудистая сеть с множеством мелких новых сосудов. (F) До лечения, стопа больной голени имеет признаки хронической ишемии, отмечается сухая кожа, ногти и локальные язвы. (G) Через 25 дней после завершения лечения методом дистракционного остеосинтеза в стопе возобновилось кровообращение, улучшилась картина кожи и ногтей, хронические язвы стали подживать. [Все фотографии любезно предоставил Dr. Long Qu, Центр по удлинению и перемещению костей в Beijing, Медицинский Аэроцентр Hai-Ying в Beijing, Beijing, PR China]

В процессе такого лечения проводили продольную кортикальную остеотомию, расщепляя часть кортикального слоя (120 мм 20 мм), который фиксировали наружным фиксатором. После 5-дневной паузы кортикальный отщеп удлиняли с темпом 1 мм в сутки в поперечном направлении в течение 20 дней (рис. 2, А, В). С момента начала перемещения кости у всех пациентов постепенно исчезали симптомы ощущения холода в области конечности, покалывания в области стопы и перемежающаяся хромота. При проведении ангиографии через 25 дней после завершения перемещения кости в пролеченной конечности сеть сосудов была более развитой (рис. 2, D, E) по сравнению с картиной до лечения (рис. 2, С). По данным В.И. Шевцова с соавт. [36] после поперечного утолщения большеберцовой кости по методу Илизарова на модели дистракционного остеогенеза у собак наблюдается улучшение кровотока и увеличение сосудистой сети. Положительное влияние дистракционного остеосинтеза на ангиогенез, образование сосудистой сети и на кровоток оперированной конечности свидетельствует о том, что дистракционный остеосинтез является бесценным инструментом лечения таких сосудистых нарушений и расстройств кровообращения как диабетические язвы, хронические тромбозы артерий, аваскулярный некроз головок бедренных костей и хронические инфекции мягких тканей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В костных клетках, реагирующих на механическую стимуляцию, многие гены регулируются по типу позитивной или негативной связи. Изменяющийся характер ВМР и апоптоза может регулировать костную регенерацию при дистракционном остеогенезе. Растяжение на большую величину стимулирует костное ремоделирование, а на низкую - остеогенез. Дистракционный остеосинтез не только усиливает локальный ангиогенез, но и повышает экспрессию VEGF и его рецепторов. Обычная рентгенография остается наиболее экономически эффективным методом изображения для контроля всех аспектов регенерата, за ней следует обследование ультразвуком, механическое тестирование, ДРА и ККТ.

В нормальных условиях и при правильном проведении послеоперационной физиотерапии лечение методом дистракционного остеосинтеза дает хорошие клинические результаты и не требует дополнительных вмешательств. Однако, если костная консолидация представляет клини- ческую проблему, более предпочтительными являются неинвазивные методы, такие как физические упражнения с функциональной нагрузкой, ультразвук и электромагнитная стимуляция. Может оказаться эффективным систематическое применение анаболических препаратов и гормонов, а местное применение факторов роста, таких как ВМР, остается последней надеждой, поскольку их рабочие механизмы при дистракционном остеогенезе все еще недостаточно изучены, а также по причине их дороговизны.

Являясь великолепным хирургическим методом заживления и регенерации ткани, дистракционный остеосинтез к тому же имеет большое значение в понимании регенераторновосстановительных возможностей самого организма. Его клиническое применение необходимо распространить на функциональную тканевую инженерию, заживление мягких тканей, лечение сосудистых и других заболеваний.