Биоматериалы для тканевой инженерии и хирургической стоматологии
Часть 1
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 A.H.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.
Рис. 1. Сканирующая электронная микрограмма.
Материал "Алломатрикс-Имплант"
через 1,5 мес. после операции.
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 параметрами 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 M. 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 коллагеновых 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
привосстановлении костных дефектов (De Balso A.M., 1976). Полученные
данным автором результаты также позволили предположить, что препараты
на основе коллагена способны стимулировать регенерацию костной ткани.
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
M.M.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; VaccantiC.A. et.al., 1993).
Тем не менее, по данным другой группы исследователей
биокомпозиционные материалы, 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; Bolder 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 ксенокость, 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 три-кальций 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 a-цепями, которые скручены между собой в одну общую спираль и стабилизированны водородными связями. Каждая a-цепь содержит в среднем около 1000 аминокислотных остатков. В костной ткани существует две основных комбинации цепей - две a1 и одна a2 или коллаген типа 1 и три a-1
или коллаген типа III. 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 (IM-ацетилглюкозамин,
N-ацетил-галактозамин) 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 (Стейси М., Баркер
С,1965). Зрелая костная ткань содержит в основном сульфатированные
гликозаминогликаны (сГАГ), такие как хондроитин-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; Mehlisch D.R., 1989). При объединении этих
соединений в комплекс, они уже способны оказывать определенный
остеоиндуктивный 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.