Формирование индуцированного костного блока является необходимым элементом хирургического лечения повреждений и заболеваний позвоночника, связанных с нарушением стабильности позвоночных двигательных сегментов. Применение костного аутотрансплантата на протяжении последних 40–50 лет является золотым стандартом для формирования костного блока [1]. Однако применение аутотрансплантата имеет свои недостатки и ограничения, связанные с нанесением дополнительной операционной травмы, косметическим дефектом в зоне забора трансплантата, возможными воспалительными осложнениями [2]. За последнее десятилетие разработано достаточное число материалов, являющихся альтернативой аутотрансплантату и постоянно ведется работа ученых в данном направлении. Все последние открытия в медицине, биологии, химии, металловедении ложатся в основу создания новых трансплантатов, становящихся альтернативой аутокости.
Целью данной работы является обзор современных методик формирования индуцированного костного блока применимо к хирургии позвоночника.
Результаты исследования и их обсуждение
Аутотрансплантат губчатой кости содержит гидроксиапатит и коллаген, которые определяют его остеокондуктивные свойства, в то время как стромальные клетки имеют остеогенный потенциал. Губчатая кость и окружающая гематома содержат костные морфогенетические белки (BMP) и преобразующий b-фактор роста (TGF-β), которые участвуют в процессах регенерации. Компактная кость обладает слабо выраженным остеокондуктивным эффектом, но способна выдерживать механическую нагрузку. Аутотрансплантат имеет три характеристики трансплантата для идеального формирования индуцированного костного блока, а именно: способность стимулировать остеогенез, способность стимулировать дифференциацию мезенхимальных клеток-предшественников и остеобластов (остеоиндуктивность) и способность материала играть роль пассивного матрикса для роста новой кости (остеокондуктивность) [2, 13]. Аутотрансплантат имеет ряд преимуществ по отношению к другим способам замещения костной ткани: относительно редко встречаются случаи миграции и проблемы с биосовместимостью, отсутствие риска передачи болезней [5]. По этим причинам использование аутотрансплантата остается золотым стандартом при проведении спондилодеза.
Аллотрансплантат кости обычно используется как альтернатива аутотрансплантату. Основное преимущество аллотрансплантатов – отсутствие осложнений, связанных с забором костной ткани, и снижение времени оперативного вмешательства [10]. Недостатками является риск передачи от донора к реципиенту различных заболеваний бактериальной или вирусной этиологии [7], а также необходимость проведения серологического скрининга и стерилизации трансплантатов перед использованием. Костные аллотрансплантаты отличаются медленной остеоинтеграцией, возможностью развития реакции гистосовместимости, частым развитием хронического гранулематозного воспаления, высокой стоимостью. С целью минимизации рисков аллотрансплантаты подвергают интенсивной обработке, что значительно уменьшает остеоиндуктивные свойства и механическую прочность почти на 50 %, хотя риск инфицирования реципиента всё же полностью не устраняется. Свойства аллотрансплантатов могут варьировать в широких пределах, и связано это в первую очередь с методами забора и подготовки трансплантата. Различные виды обработки аллотрансплантата могут вариативно влиять на его структурные и биологические характеристики. Включение аллотрансплантата происходит путем процесса, аналогичного тому, который наблюдается с аутотрансплантатом, но более медленно и менее полно. Остеокондуктивные матрицы не содержат остеогенных клеток или остеоиндуктивных факторов, поэтому часто используются совместно с ВМР. Так как материалы являются хрупкими, то необходима их защита от чрезмерных биомеханических сил до окончательного формирования костного блока. Также, в отличие от синтетических протезов, аллотрансплантаты трудно стандартизировать в виду неоднородности доноров, а содержание костных банков является дорогостоящей процедурой. Гомоаллотрансплантат выпускается в двух видах: минерализованный и деминерализованный. Минерализованный аллотрансплантат считается не остеогенным, слабо остеоиндуктивным, высоко остеокондуктивным и доступен в свежем, замороженном или лиофилизированном виде. Деминерализованный аллотрансплантат – единственный аллотрансплантат с выраженным остеоиндуктивным эффектом, выраженность эффекта зависит от способа забора и обработки. Главной проблемой применения трансплантата являются неразработанные критерии качества продукта и недостаточная информация о продукте. В одном из немногих доступных исследований приводится сравнение замороженного минерализованного аллотрансплантата и деминерализованного аллотрансплантата с аутотрансплантатом, при этом полученные результаты были сопоставимы в группах, но не достигли статистической значимости [1, 7].
Керамика на основе фосфатов. Керамика представляет собой кристаллическую структуру, состоящую из неорганических неметаллических минеральных солей, полученную при высоких температурах. Изменения методики в процессе обработки керамики изменяют окончательную структуру и химический состав, а следовательно, и ее физиологические свойства. Керамика является привлекательной в качестве заменителя трансплантата, так как при её использовании исключаются осложнения со стороны донорского участка, проявляется биосовместимость, отсутствует риск передачи инфекции, и её запасы практически безграничны. C 1890 г. кальций-фосфатные материалы используются в медицине. Albee в 1920 г. впервые доказал, что трикальций-фосфат стимулирует образование кости. Кальций-фосфатные материалы, являясь химическими аналогами компонентов костной ткани, стимулируют биологические реакции, схожие с процессом ремоделирования костей. Резорбция данных материалов не повышает уровня кальция или фосфатов в моче и сыворотке [15]. Трикальцийфосфат (ТКФ) и гидроксиапатиты (ГА) являются наиболее изученными материалами для использования. Ввиду их химико-физических сходств с фазой минерализации кости [11] они обеспечивают отличный остеокондуктивный каркас для регенерации кости. ТКФ с молярным соотношением Ca:P 1,5 резорбирует слишком быстро, ГА с соотношением Ca:P 1,67 резорбирует слишком медленно, поэтому для защиты новой кости от механических воздействий оно требует модификации [6]. Двухфазные фосфаты кальция (ДФК), в которых соединяется 40 % ТКФ с 60 % ГА, могут обеспечить больший физиологический баланс между механической поддержкой и резорбцией. Yamada и др. провели гистологическое исследование β-ТКФ, ГА для того, чтобы определить, какой из них более подвержен остеокластной активности и больше подходит для ремоделирования кости. Через 2 дня культивирования клеток была замечена резорбция чистого β-ТКФ и ДФК с коэффициентом ГА/β-ТКФ 25/75, но отсутствовала резорбция ДКФ 75/25 или чистого ГА. Примечательно, что ДФК 25/75 резорбировался интенсивней, чем чистый β-ТКФ, возможно, из-за ингибирования кальцием остеокластов, и формировались полости резорбции, схожие с полостями нормальной кости. Данный факт даёт основание предположить, что ДФК является более естественным имплантатом, чем отдельно взятые β-ТКФ или ГА. Биомеханическим требований отвечает ДКФ 60/40, он и используется клинически [16].
Коралловый гидроксиапатит. В процессе гидротермальной трансформации кораллового скелета (карбонат кальция) с участием фосфатного составляющего вырабатывается гидроксиапатит кальция (известный как коралловый ГА), и полностью удаляется иммуногенный протеин. Получение кораллового ГА являлось непрогнозируемым научным достижением, основывавшемся на сходстве строения некоторых видов кораллов со строением кости. Два вида кораллов с подходящей пористостью были выбраны для производства, они имеются в продаже под названием ProOsteon 200 (50 % пористость) или 500 (65 % пористость), в соответствии с размером их пор в микронах. Эти два продукта имеют сходство с трубчатой или губчатой костью соответственно [14]. Wittenberg и др. обнаружили, что ProOsteon 200 такой же прочный, как и компактно-губчатый аутотрансплантат из гребня подвздошной кости [17].
Полиэфир-эфиркетон (ПЭЭК). Является рентгеннегативным полукристаллическим термопластиком, сочетает в себе прочность жесткость, твердость и биосовместимость, также износостойкость и возможность повторного использования после стерилизации. Является безопасным, биосовместимым и стабильным полимером, имеющимся в различных формах, которые предлагает практически неограниченные дизайнерские решения. Одной из основных проблем ортопедической хирургии является несоответствие между жесткостью кости и металлическими или керамическими имплантатами, в то время как жесткость ПЭЭК может быть адаптирована. Его прочность может быть дополнительно увеличена путем добавления частиц или волокон углерода. Вариация жесткости при использовании коротких углеродных волокон в пределах 4–18 ГПа, прочность зависит от полимерной основы и варьирует в пределах 100–230 МПа. Свойства полимера не меняются при высоких температурах, выдерживают длительную экспозицию при +230 и короткую экспозицию при + 300. Полимер также показывает высокую химическую стойкость, материал не ухудшал свои свойства после воздействия смоделированных биологических сред в течение 30 дней [8, 12].
Полиметилметакрилат (ПММА). В ходе двух проспективных рандомизированных исследований было выявлено, что ПММА не имеет определённых клинических преимуществ перед аутотрансплантатом. Рентгенологически Barlocher и др. обнаружили, что ПММА не индуцировал сращения у всех 24 пациентов за 12 месяцев [2]. Van den Bent и др. обнаружили, что ПММА способствовал меньшему количеству костных блоков, чем дискотомия с использованием аутокости, также возникали случаи смещения трансплантата в смежный позвонок, и с ПММА было связано возникновение фиброзного уплотнения окружающей кости [7].
Танталовые имплантаты. Имплантат пористой структуры, полученный из чистого тантала, с 1997 года активно применяется в травматологии и ортопедии, нейрохирургии в качестве имплантата, обладающего остеокондуктивными свойствами. Отличительные особенности данного имплантата ‒повышенная пористость и более свободное сообщение между ячейками. Конструкции из тантала обладают достаточной жесткостью и трением, что позволяет применять имплантаты без дополнительной фиксации. Гистологически доказано быстрое врастание костной ткани в пористый тантал [9], а также стимуляция им остеобластов [3].
Заключение
На современном этапе развития костнозамещающих технологий существует несколько перспективных вариантов материалов, способных заменить аутотрансплантат в будущем, однако на данный момент нет возможности полного отказа от использования аутотрансплантатов. Перспективными материалами, требующими дальнейших исследований и оценки клинического применения, являются керамики на основе фосфатов, полиэфир-эфиркетон и имплантаты на основе пористого тантала.
Рецензенты:Щеколова Н.Б., д.м.н., профессор кафедры травматологии, ортопедии и ВПХ, ГБОУ ВПО ПГМА им. Е.А. Вагнера Минздрава РФ, г. Пермь;
Борзунов И.В., д.м.н., ученый секретарь Ученого совета, ГБОУ ВПО «Уральская государственная медицинская академия Минздрава РФ», г. Екатеринбург.
Работа поступила в редакцию 18.03.2014.
Библиографическая ссылка
Бердюгин К.А., Штадлер Д.И., Гусев Д.А. СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИНДУЦИРОВАННОГО КОСТНОГО БЛОКА ПРИ ОПЕРАЦИЯХ НА ПОЗВОНОЧНИКЕ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 4-2. – С. 415-418;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=33857 (дата обращения: 17.08.2024).