СИСТЕМА IN-SITU ДЛЯ ВНУТРИАРТИКУЛЯРНОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ХРЯЩЕВОЙ И КОСТНОЙ ТКАНЕЙ
IN-SITU SYSTEM FOR INTRA-ARTICULAR REGENERATION OF CARTILAGINOUS AND BONE TISSUES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к композициям лечебного назначения, оказывающим биологическое воздействие и содержащим компоненты, соединенные в виде слоев. Точнее, настоящее изобретение относится к композициям, в физической форме адаптированным к хирургической имплантации или внедрению в живой организм. Более конкретно, настоящее изобретение относится к таким композициям, в которых хирургический имплантат или материал подвержен разрушению, рассасыванию или растворению.
Уровень техники
Одна из задач медицины, включая область хирургии, состоит в восстановлении здоровья, утраченного вследствие травмы или заболевания. В хирургии идет поиск все более эффективных способов лечения, касающегося дефектов хрящей. Такие дефекты суставов (внутриартикулярные дефекты) могут возникать по ряду различных причин, включая травмы и заболевания, такие как остеоартрит. Гиалиновый суставный хрящ представляет собой специализированную соединительную ткань организма, обладающую свойствами и выполняющую функцию поддержания веса и поглощения удара. Травмирование или утрата этой специализированной соединительной ткани в суставе приводит к боли и нарушению функции сустава.
Хотя гиалиновый хрящ и обладает некоторой способностью к самовосстановлению, но она очень ограниченна. Поэтому в области ортопедической хирургии имеется причина для развития способов лечения, посредством которых производится замена поврежденного гиалинового хряща или которые способствуют его регенерации. Это ответ медицины на большое число травм суставов, которые случаются ежегодно, и растущее число людей пожилого возраста с проблемами суставов. Типично такое лечение представлено чисто хирургическими способами, при которых удаляют омертвевшие ткани и производят механическое восстановление повреждения, с добавлением или без добавления в область повреждения активной композиции, способствующей заживлению раны или предотвращающей ее воспаление/инфицирование.
С недавнего времени, в целях обеспечения надлежащего заживления, в рассматриваемой отрасли предпринимаются попытки лечения способами, возникшими под влиянием биоинженерии, такими как аутологичные тканевые лоскуты. Однако остеохондральные травмы, при которых имеет место сочетание повреждений кости и хряща, представляют трудную лечебную задачу, и во многих случаях до сих пор отсутствуют лечебные композиции и способы лечения, которые были бы удовлетворительны во всех отношениях. Например, определенные хирургические процедуры для рассекающего остеохондрита, в которых используется трансплантация аутологичных хондроцитов, требуют длительного периода культивирования клеток и их роста, а также множественных операций. Кроме того, такие способы лечения часто приводят к развитию волокнистой хрящевой замещающей ткани, которая является плохим заменителем гиалиновому суставному хрящу. См. J. Kramer и др., Cell. Mol. Life Sci., 63, 616-626 (2006).
Поэтому в рассматриваемой отрасли полезно иметь альтернативный способ лечения костно-хрящевых травм, который не требует клеточной культуры и не приводит к развитию в области травмы волокнистой хрящевой замещающей ткани. Более того, желательно, чтобы результирующая замещающая ткань представляла собой естественный гиалиноподобный суставный хрящ.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение представляет собой in situ систему, способствующую лечению/росту ткани, а также способ, использующий гиалуроновую кислоту нечеловеческого происхождения и аутологичные мезенхимные стволовые клетки для регенерации внутриартикулярной хрящевой ткани при повреждениях. Точнее, предлагаются система и способ, которые стимулируют рост гиалиноподобного хряща in situ с целью коррекции дефектов внутриартикулярной хрящевой ткани. С этой целью система, соответствующая изобретению, содержит лечебный хрящевой репарационный лоскут, состоящий из композиции натуральной гиалуроновой кислоты и матрикса из коллагеновых волокон, в который дополнительно внедрены гормоны роста и/или факторы роста, а также композиции Diacerein и/или Rhein. В указанной системе используются аутологичные мезенхимные стволовые клетки, полученные путем микроразрушения ткани субхондральной кости в процессе постановки хрящевого репарационного лоскута, как элемент указанной системы для построения хрящевой и костной тканей при внутриартикулярных дефектах.
Соответствующий настоящему изобретению имплантируемый многослойный хрящевой репарационный лоскут представляет собой хирургическое средство, которое обладает биологической совместимостью и свойством физиологического рассасывания, для in situ регенерации хрящевой ткани при внутриартикулярных повреждениях. Хрящевой репарационный лоскут представляет собой слоистое или многослойное средство. Указанное средство содержит подстилающий или нижний слой, приспособленный для размещения с прилеганием к участку кости, который подлежит лечению. Данный слой является «проницаемым для клеток» в том смысле, что позволяет клеткам мигрировать из участка раны и проходить сквозь него. Сверху подстилающего слоя находится слой хрящеобразующего матрикса, который тесно связан с постилающим слоем. Хрящеобразующий матрикс представляет собой коллагеновый слой и является акцептирующей средой для диффузии аутологичных стволовых клеток и других компонентов крови на участке раны. Слой матрикса включает в себя химические компоненты, которые способствуют формированию гиалиноподобного хряща в присутствии аутологичных стволовых клеток. Также, при желании, верхний слой может в той или иной степени играть роль заграждающего слоя, например, не позволяя сквозь него проходить клеткам, но позволяя проходить другим мелким объектам, таким как малые молекулы, вода и газы. Все указанные элементы и свойства в сочетании дают пластичный биологически совместимый материал, который способен физиологически рассасываться и который представляет собой соответствующий настоящему изобретению многослойный хрящевой репарационный лоскут.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой поперечное сечение субхондральной кости, изображающее хондральное/остеохондральное повреждение, при котором отсутствует участок хряща, покрывающего твердую часть кости.
Фиг.2А представляет собой поперечное сечение соответствующего настоящему изобретению стерилизуемого, пластичного многослойного хрящевого репарационного лоскута, детально показывающее строение матрикса лоскута, в котором коллаген и гиалуроновая кислота размещены в виде волокон.
Фиг.2В представляет собой поперечное сечение соответствующего настоящему изобретению стерилизуемого, пластичного многослойного хрящевого репарационного лоскута, детально показывающее строение внутреннего матрикса лоскута, в котором коллаген размещен в виде волокон, а гиалуроновая кислота - в виде кремоподобной суспензии или вязко-эластичного раствора.
Фиг.2С представляет собой поперечное сечение соответствующего настоящему, изобретению стерилизуемого, пластичного многослойного хрящевого репарационного лоскута, показывающее нижний и верхний слой, при этом оба слоя несут функцию обеспечения лоскуту механической прочности.
Фиг.2D представляет собой поперечное сечение соответствующего настоящему изобретению стерилизуемого, пластичного многослойного хрящевого репарационного лоскута, где показан вариант, содержащий только нижний слой, выполняющий функцию обеспечения лоскуту механической прочности.
Фиг.2Е представляет собой поперечное сечение соответствующего настоящему изобретению стерилизуемого, пластичного многослойного хрящевого репарационного лоскута, где показан вариант, в котором нижний слой выполняет комплекс функций обеспечения лоскуту механической прочности.
Фиг.3 изображает общую схему осуществления основных этапов способа, соответствующего настоящему изобретению.
Фиг.4А, 4В представляют собой поперечное сечение характерного участка раны и иллюстрируют первый этап подготовки участка раны для приема указанного пластичного многослойного хрящевого репарационного лоскута: (А) нанесение микроповреждений или перфораций на поверхность субхондральной кости; и (В) -формирование кровяного свертка из локального кровотечения, вызванного микроповреждениями.
Фиг.5 представляет собой поперечное сечение характерного участка раны и иллюстрирует второй этап соответствующего настоящему изобретению способа: нанесение на участок раны «фибринового клея», обогащенного аутологичной сывороткой.
Фиг.6А представляет собой поперечное сечение характерного участка раны и иллюстрирует наложение пластичного многослойного хрящевого репарационного лоскута на участок раны поверх сгустка из фибринового клея/крови.
Фиг.6 В представляет собой поперечное сечение характерного участка раны и иллюстрирует миграцию мезенхимных стволовых клеток и других компонентов крови, появляющихся в ответ на образование раны, из кровяного свертка в 'фибриновый клей для формирования композиции кровяной сверток/фибриновый клей.
Фиг.6С представляет собой поперечное сечение характерного участка раны и иллюстрирует миграцию мезенхимных стволовых клеток и других компонентов крови, появляющихся в ответ на образование раны, из композиции кровяной сверток/фибриновый клей далее в матрикс хрящевого репарационного лоскута.
Фиг.7 представляет собой поперечное сечение характерного участка раны и дает конечный вид вылеченного участка после рассасывания хрящевого репарационного лоскута и трансформации участка в костную ткань и/или гиалиноподобную хрящевую ткань.
Осуществление изобретения
На прилагаемых чертежах в графической и схематической форме представлены варианты осуществления настоящего изобретения. На чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми номерами, при этом подобные элементы обозначены такими же номерами, но с другим нижним индексом.
Как показано на фиг.1, одна из проблем, с которой сталкиваются в рассматриваемой области, состоит в том, как содействовать регенерации хрящевой ткани на участке 6 дефекта или раны (повреждения хряща), то есть регенерации ткани, как можно более близкой к естественному хрящу 8, который примыкает к указанному участку и который в противном случае покрывал бы субхондральную кость 4 на участке 6. Это особенно важно на участках ран, где повреждение захватывает и хрящ и кость.
Как показано на фиг.2А-2Е, предметом настоящего изобретения является имплантируемый хрящевой репарационный лоскут 10, который обладает биологической совместимостью и свойством физиологического рассасывания и действие которого in situ способствует регенерации хрящевой ткани при внутриартикулярных хондральных или остеохондральных повреждениях 6 (см. фиг.1). Соответствующий изобретению хрящевой репарационный лоскут 10 представляет собой стерилизуемый пластичный многослойный материал 12, который может быть имплантирован на участке 6 раны и который может способствовать регенерации гиалиноподобной хрящевой ткани. Задачей хрящевого репарационного лоскута 10 является стимуляция роста гиалиноподобной хрящевой ткани in situ после артроскопического или открытого хирургического наложения лоскута 10 пациентам с хондральным или остеохондральным повреждением. Дополнительная задача состоит в том, чтобы хрящевой репарационный лоскут 10 был биологически разрушаемым за счет взаимодействия его компонентов с коллагеназой и другими протеазами и чтобы со временем происходило его рассасывание и исчезновение.
Многослойный материал 12 хрящевого репарационного лоскута 10 в свою очередь целиком построен из материалов, которые обладают и биологической совместимостью и свойством физиологического рассасывания, так что данный хрящевой лоскут может быть имплантирован пациенту без последующего извлечения, и со временем может исчезать с участка имплантации. В одном варианте осуществления изобретения, многослойный материал 12 хрящевого репарационного лоскута содержит первый верхний (заграждающий) слой 16 и второй нижний или подстилающий пористый слой 22. См. фиг.2А-2С. В другом предпочтительном варианте осуществления материал 12 хрящевого репарационного лоскута состоит только из двух слоев: подстилающего слоя 22 и слоя 30 матрикса. См. фиг.2D-2E. Подстилающий слой предназначен для контакта с поверхностью кости на участке 6 раны. И подстилающий слой 22 и верхний слой 16 выполнены из коллагенового листа (см. Angele и др. патент США 6737072, содержание которого включено в настоящее описание посредством ссылки). Примером подходящего источника промышленных поставок коллагенового листа является компания XENODERM™, Biometrica AG, Switzerland. На пористом подстилающем слое 22 располагается слой 30 хрящеобразующего матрикса. Слой 30 хрящеобразующего матрикса обеспечивает коллагеновый субстрат, улавливающий мезенхимные стволовые клетки, а также создает среду для поддержания роста клеток, в которой данные клетки будут расти и будет происходить их дифференцировка в хондроциты в присутствии других натуральных компонентов слоя 30 матрикса.
В предпочтительном варианте осуществления слой 30 матрикса представляет собой стерильную или стерилизуемую коллагеновую композитную пластину, с вплетенными в нее волокнами 36 нечеловеческого коллагена и натуральными волокнами 40 гиалуроновой кислоты. Натуральный коллаген получен из источника нечеловеческой природы - использован свиной, бычий или растительный коллаген. Натуральная гиалуроновая кислота (ГК) получена из натурального источника, по природе не связанного с млекопитающими, например, посредством бактериальной ферментации или путем экстракции из петушиных гребней. Среди других наименований ГК могут быть использованы следующие: натриевая соль гиалуроновой кислоты, гиалуронат натрия. В матриксе 30 натуральная ГК может быть представлена в виде волокон 40 натуральной ГК, как показано на фиг.2А, или в виде порошка 40а ГК в геле- или кремообразной суспензии 42, распределенного в свободном пространстве среди коллагеновых волокон 36, как показано на фиг.2В.
В предпочтительном варианте осуществления, композитный хрящеобразующий матрикс 30 включает в себя один или несколько гормонов (например, соматотропин) роста ткани и/или стимуляторов 46 фактора роста.
Стимуляторы фактора роста представляют собой химические соединения, которые усиливают проявление фактора роста на данном участке. В представленном варианте осуществления стимуляторами фактора роста являются Diacerein 46а и Rhein 46b. В варианте осуществления, представленном на фиг.2В, суспензия 42 также содержит Rhein 46b и/или Diacerein 46а. Весовое отношение коллагена к ГК должно быть в интервале, приблизительно, от 0,1:99,9 до 50:50 при молекулярном весе натуральной ГК от 0,5 до 6 миллионов дальтон. Концентрации Diacerein или Rhein должны быть в интервале, приблизительно, от 10 до 50 мкмоль при их добавлении в матрикс в форме порошка или в форме геля или крема ГК, содержащего Diacerein или Rhein. Другие композиции, которые предположительно можно вводить в слой 30 матрикса, включают композиции хитозана (Chitosan) и композиции полимера молочной кислоты (Poly-Lactic Acid).
Аутологичные мезенхимные стволовые клетки 60, происходящие из источника, являющегося внешним по отношению к хрящевому репарационному лоскуту 10, диффундируют в лоскут 10 через пористый подстилающий слой 22 и попадают в слой 30 матрикса, где они поддерживаются волокнистыми компонентами (коллагеновыми волокнами 36 и/или волокнами 40а ГК) матрикса 30. Волокна 40 и 40а матрикса обеспечивают стволовым клеткам субстрат для их роста и дифференцировки в хондроциты. Экзогенные факторы 46 роста, такие как Diacerein, подавляют параметры воспаления (например, цитокины: IL-1, TNF-alpha и свободные радикалы), которые способствуют воспалению и разрушению хрящевой ткани. Diacerein стимулирует выработку определенных факторов роста, таких как TGF-β, которые дополнительно будут стимулировать выработку компонентов хряща, таких как ГК, коллагена II типа и протеогликанов (включая аггреканы). Гормон роста будет стимулировать продуцирование хрящевой и костной тканей. Кроме того, в композицию 54 фибринового клея добавляются эндогенные факторы 50 роста из аутологичной сывороточной фракции, что стимулирует дифференцировку стволовых клеток 60 на границе сверток крови/лоскут. Совокупный эффект указанных взаимодействий приводит к росту гиалиноподобной хрящевой ткани.
На фиг.3 в общем виде показана схема, иллюстрирующая основные этапы осуществления способа, соответствующего настоящему изобретению. В предпочтительном варианте способ содержит три этапа: этап 100 подготовки участка раны; этап 120 подготовки и нанесения фибринового клея; и этап 140 наложения хрящевого репарационного лоскута. На этапе 100, как часть подготовки, производят забор у пациента пробы крови и получают аутологичную сывороточную фракцию. Аутологичная сывороточная фракция используется как источник I компонентов для заживления раны, таких как TGF-β, и будет добавлена при имплантации в фибриновый клей на участке 6 раны. Данные эндогенные компоненты будут усиливать дифференцировку мезенхимных стволовых клеток.
Также на данном этапе производят микроразрушение/перфорирование поверхности субхондральной кости, чтобы вызвать локальное кровотечение 58, которое заливает участок 6 раны свежей кровью. См. фиг.4А. Вызвать локальное кровотечение 58 на поверхности 14 субхондральной кости можно рядом способов. В предпочтительном варианте осуществления, представленном на фиг.4В, подготовку участка имеющегося хондрального или остеохондрального повреждения осуществляют нанесением микроразрушений или перфораций 56 на поверхность 14 субхондральной кости 4, часто связанных с выскабливанием твердой костной ткани. Как показано на фигуре, микроразрушение/перфорирование/выскабливание 56 субхондральной кости 4 вызывает кровотечение 58 на участке 6 раны. Кровь 58, попадающая на участок 6 раны, содержит аутологичные мезенхимные стволовые клетки 60 и другие заживляющие компоненты, высвобождаемые тканями субхондральной кости 4 в ответ на микроразрушение, перфорирование и выскабливание 56.
Как показано на фиг.4В, кровь 58, которая заливает участок 6 раны, влечет за собой образование на указанном участке свертка 59 крови. В системе, соответствующей настоящему изобретению, используется техника микроразрушения с целью вызвать кровотечение и стимулировать высвобождение аутологичных мезенхимных стволовых клеток (МСК), а также факторов роста в сверток 59. Данные плюрипотентные МСК в присутствии рассматриваемого хрящевого репарационного лоскута 10 будут дифференцироваться в хондроциты и создавать внеклеточный гиалиноподобный хрящеобразующий матрикс для репарации/замены имеющегося хондрального/остеохондрального повреждения 6.
После того как участок 6 раны будет подготовлен, осуществляют второй этап 120 способа, соответствующего настоящему изобретению. Данный этап 120 состоит в подготовке и нанесении фибринового клея 54 на кровяной сверток 59 участка 6 раны. Как показано на фиг.5, фибриновый клей 54 смешивается со свежим кровяным свертком, чтобы образовать комбинированный сгусток 54-59 из кровяного свертка/фибринового клея. Однако известны и другие средства размещения фибринового клея 54 на месте, которые соответствуют настоящему изобретению, и на практике могут быть выбраны специалистами в данной области знаний. Например, хрящевой репарационный лоскут может быть вшит на место (не показано).
После нанесения фибринового клея 54 на участок раны осуществляют третий этап 140 способа, соответствующего настоящему изобретению. Данный третий этап 140 заключается в размещении пластичного многослойного репарационного лоскута 10 на участке раны поверх комбинированного сгустка 59/54 из фибринового клея/кровяного свертка участка 6 раны. На фиг.6А пластичный многослойный хрящевой репарационный лоскут 10 наложен на участок 6 раны. После постановки репарационного лоскута 10 на место, также может быть свободным образом нанесен фибриновый клей 54, чтобы дополнительно приклеить репарационный лоскут 10 к участку 6 раны. По завершении данного этапа завершаются и хирургические операции, соответствующие настоящему изобретению, а хрящевой репарационный лоскут 10 продолжает выполнять свою лечебную функцию in situ.
Как показано на фиг.6В, мезенхимные стволовые клетки и другие компоненты крови, появляющиеся в ответ на травму, из кровяного свертка 59 мигрируют в фибриновый клей 54. Фиг.6С показывает, как продолжается дальнейшая миграция мезенхимных стволовых клеток и других компонентов крови, появляющихся в ответ на травму, из комбинированного сгустка 59/54 фибринового клея/кровяного свертка через пористый наружный слой 22 в слой 30 матрикса хрящевого репарационного лоскута 10. В слое 30 матрикса данные мезенхимные стволовые клетки и аутологичные факторы роста взаимодействуют с компонентами хрящевого репарационного лоскута 10. Присутствие данных компонентов объясняется их диффузией из свертка 59 в хрящеобразующий матрикс 30 репарационного лоскута 10. Заграждающий слой 16 хрящевого репарационного лоскута 10 временно препятствует дальнейшей диффузии указанных различных композиций в суставную щель. И наоборот, подвижные компоненты слоя 30 матрикса могут мигрировать из хрящевого репарационного лоскута в массу фибринового сгустка 54 и далее в кровяной сверток 59 на поверхности 14 субхондральной кости 4.
Diacerein 46а и Rhein 46b ингибируют продуцирование и активность провоспалительных цитокинов, таких как IL-1β, окиси азота, свободных радикалов и матриксной металлопротеиназы, которые все участвуют в воспалении и деструкции хрящевой ткани, в частности в суставах, пораженных остеоартритом. При этом Diacerein 46а и Rhein 46b стимулируют продуцирование факторов роста, таких как TGF-β, которые в свою очередь стимулируют экспрессию хрящевых компонентов, таких как гиалуроновая кислота, протеогликаны, аггреканы и коллагеназа II типа, которые все являются важными компонентами хрящеобразующего матрикса.
Гормон роста также будет стимулировать рост хрящевой и костной тканей. Со временем, как показано на фиг.7, хрящевой репарационный лоскут 10 рассасывается, и дефектный участок 6 сравнительно быстро трансформируется в более физиологичный, гиалиноподобный хрящ 90.
Коллагеновый хрящевой репарационный лоскут
Пример 1
Для нижнего слоя 22 использовался коллагеновый лист 22 (Xenoderm - свиной коллаген 1 и 2 типа). Нижний слой обладал механическими свойствами, достаточными для сопротивления срезу и растягивающему усилию, и мог рассасываться, приблизительно за 6 недель. Коллагеновый лист 22 помещали в форму и затем наполняли коллаген-ГК суспензией, в которую добавляли либо раствор Diacerein, либо порошок Diacerein, чтобы получить в лоскуте концентрацию 5-50 мкмоль по сухому весу после лиофилизации и стерилизации.
В результате получали двухслойную коллагеновую пластину, нижний слой которой предназначен для непосредственного размещения на поверхности кости. После изготовления, но до стерилизации, пластины помещали в механический пресс для получения толщины 0,5-2 мм: концентрация ГК в лиофилизированном конечном продукте находилась в интервале, приблизительно, от 0,1% до 2%. ГК представляла собой натуральную ГК, то есть химически немодифицированную ГК, полученную ферментацией.
Преимуществом настоящего изобретения является то, что предлагается средство и лечение, которые лучшим образом способствуют регенерации поврежденного суставного хряща.
Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что предлагается лечение и средство для остеохондральных повреждений, которое не требует клеточной культуры.
Еще одним преимуществом настоящего изобретения является то, что для такого рода повреждений предлагается лечение и средство, которое не приводит к развитию на участке повреждения волокнистой хрящевой замещающей ткани.
И еще одним преимуществом настоящего изобретения является то, что предлагается лечение и средство, которые лучшим образом гарантируют, что результирующая замещающая ткань будет представлять собой естественный гиалиноподобный суставный хрящ
Хотя настоящее описание содержит множество конкретных деталей, их следует рассматривать не как детали, ограничивающие объем изобретения, а как примеры тех или иных предпочтительных вариантов осуществления изобретения. Возможно множество других вариантов, очевидных для специалистов в данной области. Соответственно, объем изобретения должен определяться содержанием пунктов прилагаемой формулы и их эквивалентами, а не вариантами осуществления изобретения.