Сравнительное экспериментально морфологическое исследование эффективности биологических остеопластических материалов в замещении костных дефектов

Сравнительное экспериментально-морфологическое исследование эффективности биологических остеопластических материалов в замещении костных дефектов

Г.П. Тер-Асатуров 1, М.В. Лекишвили 2, А.Т. Бигвава 1, К.С. Аджиев 1, А.С. Панкратов 3,

А.Ю. Рябов 4, Ю.Б. Юрасова 5

1 Первый московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова, Москва

2 Центральный институт травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова, Москва

3 Городская клиническая больница № 1 им. Н.И. Пирогова, Москва

4 СЦ «Интердентос», Королёв

5 Российская детская клиническая больница, Москва

Comparative experimental and morphological study of biological osteoplastic materials in bone defects repair

G.P. Ter-Asaturov1, M.V. Lekishvili2, A.T. Bigvava 1, K.S. Adzhiev1, A.Yu. Ryabov3, Yu.B. Yurasova 4 11.M. Sechenov Moscow Medical State University, Moscow

2 N.N. Priorov Central Institute of Traumatology and Orthopaedics, Moscow

3 N.I. Pirogov City Clinical Hospital №1, Moscow

4 DC «Interdentos», Korolev

5 Russian children clinical hospital, Moscow

В статье приведены данные сравнительного экспериментально-морфологического исследования биологических пластических материалов, активно используемых в различных областях реконструктивной хирургии на территории России. Имплантация материалов выполнялась в область костных дефектов ветви нижней челюсти. Сроки наблюдения составили 10, 20, 30, 60 и 90 сут. На основе морфологического анализа дана оценка эффективности исследуемых материалов «Остеоматрикс», «КоллапАн», «Остеопласт-Т» и «Перфоост» в обеспечении репаративно-го остеогенеза.

Ключевые слова: пластические материалы, экспериментальные исследования.

The article presents a comparative experimental data of morphological studies with biological plastic materials, actively used in various fields of reconstructive surgery in Russia. Area of implantation was the lower jaw of rabbits, made by original equipment of the model and experiment. Observation periods were 10, 20, 30, 60 and 90 days. Based on morphological analysis of the regenerative abilities assessed followed used materials «Osteomatrix», «CollapAn», «Osteoplast-T» and «Perfoost».

Key words: plastic materials, experimental study.

Всестороннее использование различных пластических материалов в реконструктивной хирургии за последние десятилетия стало достаточно рутинным, а потому безоговорочно эффективным способом восстановления поврежденных органов и тканей. Выбор пластического материала для любой хирургической манипуляции будь то в стоматологии и челюстнолицевой хирургии или обширной операции в травматологии и ортопедии однозначно принадлежит практическому хирургу. В конечном счете, именно врач отвечает за итоговый результат лечения, однако, зачастую, сложно отдать предпочтение тому или иному материалу, полагаясь только на информацию, предоставленную фирмами-производителями. Ситуация усугубляется появлением на российском рынке медицинских услуг все новых пластических материалов, различного состава и происхождения, а так же достаточно агрессивной рекламной политикой фирм-производителей — как отечественных, так и зарубежных. Мы постарались максимально объективно оценить некоторые биологические пластические материалы, применяемые в различных областях восстановительной хирургии России, используя

e-mail: leki@mail.ru

оригинальную модель эксперимента и результаты морфологического исследования.

Цель исследования: выполнить объективную сравнительную оценку некоторых пластических материалов, которые наиболее часто используются в отечественной практике челюстно-лицевой хирургии, травматологии и ортопедии.

Материал и методы

В число исследуемых пластических материалов вошли «Остеоматрикс» (Конектбиофарм), «КоллапАн» (Интермедапатит), «Остеопласт-Т» (Витаформ] и «Перфоост» (Тканевый банк ЦИТО им. Н.Н. Приорова] [5].

«Остеоматрикс» представляет собой композицию природного коллагена и гидроксиапатита (ГАП) в сочетание с сульфатированными гликозаминогликана-ми (сГАГ) [8]. «КоллапАн» — композит, состоящий из синтетического ГАП, склерального коллагена животного происхождения и антибиотика (гентамицин, линкомицин или какой-либо другой). «Остеопласт Т» представляет собой недеминерализованный костный матрикс животного происхождения, импрегни-

рованный сГАГ. «Перфоост» является аллогенным костным матриксом. Для нашего исследования был взят материал, изготовленный из костей свода черепа человека. Судя по аннотациям производителей, материалы «Остеоматрикс» и «Остеопласт-Т» по составу практически идентичны, но выпускаются разными фирмами — тем интереснее было сравнить их остеоиндуктивный эффект в эксперименте.

В качестве экспериментальных животных были выбраны половозрелые самцы кроликов породы «Шиншилла» весом от 2 до 2,5 кг (п = 25). Хирургические вмешательства осуществляли под внутривенным наркозом (кетамин-ромитаровым) с применением местного обезболивания 2% раствором лидокаина. После выполнения наружного доступа к ветви нижней челюсти производили 5 сквозных костных дефектов. Идентичность формы и размеров дефектов достигалась путем использования цилиндрических фрез (Меэтдеп, Германия) диаметром 3 мм. Таким образом, у каждого животного в челюсти были сделаны 5 костных дефектов диаметром 3 мм. Дефекты заполняли «Перфоостом», «Остеоматриксом», «КоллапАном» и «Остеопластом Т». Контрольный дефект оставался свободным. Таким образом, все образцы исследуемых материалов находились в идентичных условиях. Животных выводили из эксперимента в сроки 10, 20, 30, 60 и 90 сут., по 5 кроликов на каждом сроке. Участок челюсти, на котором проводилось хирургическое вмешательство, резецировали вместе с прилежащими тканями, затем выделяли фрагменты челюсти кролика с зоной дефектов. Образцы декальцини-ровали с помощью препарата «Биодек», заливали в парафин, срезы толщиной 4—5 мкм, окрашивали гематоксилином и эозином, пикрофуксином по Ван-Гизону на коллагеновые волокна. Таким образом, выполнено морфологическое исследование 100 костных дефектов, замещенных материалами, и 25 — контрольных [9].

Результаты и обсуждение

Гистологическое исследование регенерата области дефекта нижней челюсти кроликов в динамике от 10 сут. до 3 мес. показало, что заживление костной раны, особенности и скорость образования и созревания костного регенерата были связаны с остеоиндуктивными и остеокондуктивными потенциями использованных в эксперименте пластических биоматериалов.

В контроле, где костный дефект оставался свободным, уже к 10 сут. после операции на основе эн-достального и периостальныого остеогенеза начиналось образование незрелой костной ткани, которая заполняла с краев дефекта около трети его объема. Регенерат состоял из незрелых остеоидных трабекул и реактивной волокнистой соединительной ткани, в которой отмечалась воспалительная инфильтрация, связанная с операционной травмой. Некротические и воспалительные изменения определялись и в близлежащих к дефекту мягких тканях челюсти. К 20 сут. костная ткань заполняла уже большую часть объема дефекта (две трети). При этом происходило определенное «созревание» регенерата, характеризующееся упорядоченностью расположения волокнистых структур, хотя он по-прежнему состоял из остеоидных балок. Часть регенерата имела «хондроидную» структуру. Хрящевая ткань занимала около трети объема дефекта, хотя еще оставались участки волокнистой соединительной ткани. Через 1 мес. после операции дефект был почти полностью заполнен костным регенератом, костный мозг отсутствовал (рис. 1). Через 2 мес. ретикулофиброзная костная ткань созрела и частично заместилась пластинчатой. В пространствах между трабекулами появился костный мозг. Произошло пазушное рассасывание и перестройка костной ткани. К 3 мес. костная ткань регенерата уже полностью созрела, компактизировалась, появились четкие линии склеивания и сформировались остеоны (рис. 2).

При имплантации в костный дефект «Перфооста» наблюдалась более быстрая динамика процессов репаративного остеогенеза. К 10 сут. остеопла-стический материал в основном резорбировался макрофагами и заместился костным регенератом, заполняющим, в отличие от контроля, уже большую (около двух третей) часть дефекта. Костные балки регенерата были более выраженными, чем в контроле. Через 20 сут. костный регенерат полностью заполнил зону дефекта. К 1 мес. степень зрелости костной ткани увеличилась: определялось большее количество компактного вещества, имелись четкие линии склеивания балок, формировались остеоны. В пространствах между балками образовывался костный мозг. Оставались очаги хондроидной ткани (рис. 3). Через 2 мес. гитологическое строение регенерата соответствовало интактной костной ткани (рис. 4), оставаясь без изменений к 3 мес.

Рис. 1. Область дефекта нижней челюсти: контрольная группа, 30 сут. Трабекулы новообразованной костной ткани с участками реактивной волокнистой соединительной ткани.

Окраска: гематоксилин и эозин. Ув. х200

Рис. 2. Область дефекта нижней челюсти: контрольная группа, 90 сут.

Пластинчатая костная ткань регенерата. Окраска: гематоксилин и эозин. Ув. х400

Рис. 3. Область дефекта нижней челюсти: группа с материалом «Перфоост», 30 сут. Большая часть регенерата образована пластинчатой костной тканью, сохраняются участки ретикулофиброзной.

Окраска: гематоксилин и эозин. Ув. х200

Рис. 4. Область дефекта нижней челюсти: группа с материалом «Перфоост», 60 сут. Регенерат образован пластинчатой костной тканью. Окраска: гематоксилин и эозин. Ув. х200

Заполнение костного дефекта биоматериалом «Остеоматрикс» также ускоряло репаративный остеогенез и созревание новообразованной костной ткани. К 10 сут. часть дефектов заполнялась костным регенератом, по строению, степени зрелости сопоставимому с регенератом при имплантации «Перфооста». Другая часть дефектов была выполнена реактивной волокнистой соединительной тканью, содержащей фрагменты ГАП, которые резорбировались макрофагами и гигантскими клетками. Коллаген имплантатов подвергся полной резорбции. Через 20 сут. внутри дефектов ГАП уже не определялся, но более крупные конгломераты ГАП еще оставались в фиброзирован-ных мягких тканях вблизи дефектов. Сами дефекты заполнялись относительно зрелой костной тканью. Через 1 мес. костная ткань, заполняющая дефекты, имела более зрелую структуру, чем в контроле (рис. 5). К двум месяцам регенерат подвергся ремоделированию с замещением пластинчатой костной тканью (рис. 6), строение которой к последнему сроку эксперимента (3 мес.) не менялось.

При заполнении костных дефектов нижней челюсти «КоллапАном» остеоиндукционные потенции имплантированного материала выражались слабее, чем в контроле. К 10 сут. эксперимента половина объема дефекта заполнялась незрелыми костной и хондроидной тканью (последней больше, чем в дефектах с другими имплантатами). Остальная часть дефектов была выполнена реактивной волокнистой соединительной тканью с большим количеством фрагментов ГАП и гигантских клеток (их больше, чем при имплантации «Остеоматрикса»). К 20 сут. около

2/3 объема дефекта были заполнены костным регенератом (меньше, чем в других опытных группах). При этом строение новообразованной костной ткани, степень зрелости практически не отличались от контроля. Часть дефектов были заполнены конгломератами ГАП, окруженными макрофагами и гигантскими клетками инородных тел. Степень резорбции синтезированного ГАП была значительно меньше, чем костного ГАП в «Остеоматриксе», с чем, видимо, связано более медленное формирование и созревание костного регенерата. Через 1 мес. после имплантации «КоллапАна» резорбция ГАП усиливалась, но часть дефектов еще оставалась заполненной соединительной тканью с большим количеством гигантских клеток. Костная ткань регенерата имела по-прежнему менее зрелый характер, чем в других целевых группах (рис. 7).

Рис. 5. Область дефекта нижней челюсти: группа с материалом «Остеоматрикс», 30 сут. Трабекулы пластинчатой костной ткани.

Окраска: гематоксилин и эозин. Ув. х200

Рис. 6. Область дефекта нижней челюсти: группа с материалом «Остеоматрикс», 60 сут. Пластинчатая костная ткань регенерата с формирующимися остеонами. Окраска: гематоксилин и эозин. Ув. х400

Рис. 7. Область дефекта нижней челюсти: группа с материалом «КоллапАн», 30 сут.

Костный регенерат с участком реактивной волокнистой соединительной ткани с конгломератами ГАП.

Окраска: гематоксилин и эозин. Ув. х400

К 2 мес. костный регенерат занимал большую часть дефекта, характеризовался более упорядоченной организацией костного межклеточного матрикса, однако сохранялись участки волокнистой соединительной ткани, окружающей нерезорбированные конгломераты ГАП (рис. 8). Через 3 мес. все дефекты были заполнены пластинчатой костной тканью, но в ней еще сохранялись включения ГАП с явлениями лизиса (рис. 9).

После заполнения костных дефектов «Остео-пластом-Т» отмечалась достаточно высокая активизация остеогенеза. Через 10 сут. дефект уже на две трети был заполнен костным регенератом с остеоидными балками и хондроидными участками. Зрелость ткани сравнима с той, которая определялась на том же сроке при использовании «КоллапАна». К 20 сут. эксперимента наблюдалось относительно быстрое созревание костной ткани: появились признаки ком-пактизации и начала формирования остеонов. При этом почти все дефекты заполнились костным регенератом. Через 1 мес. дефекты заполнились относительно зрелым регенератом с костным мозгом (рис. 10). К 2 мес. большая часть новообразованной костной ткани представляла собой пластинчатую, но в одном случае небольшая часть дефекта была заполнена хондроидной тканью (рис. 11). Через 3 мес. костная ткань регенерата уже не отличалась от интактной кости.

Рис. 10. Область дефекта нижней челюсти: группа с материалом «Остеопласт-Т», 30 сут. Трабекулы костного регенерата. Окраска: гематоксилин и эозин. Ув. х200

Рис. 11. Область дефекта нижней челюсти: группа с материалом «Остеопласт-Т», 60 сут. Регенерат, образованный плотно соединенными пластинчатой костной (справа) и «хондроидной» тканями (слева). Окраска: гематоксилин и эозин. Ув. х200

Результаты нашего экспериментального исследования показали, что наибольшими остеоиндук-тивными и остеокондуктивными потенциями из исследованных материалов обладают «Перфоост» и «Остеоматрикс». Близкие к ним свойства имеет материал «Остеопласт-Т». «КоллапАн» не способствовал нормальному физиологическому репаративному остеогенезу в костном дефекте нижней челюсти. Заживление костной раны замедлялось даже по сравнению с контролем, что, по-видимому, связано с замедленной резорбцией синтетического гидро-ксиапатита.

Анализируя результаты эксперимента можно сделать несколько выводов. Кроликам имплантировали ксеноматериалы — в основе «Остеоматрикса» и «Остеопласта Т» лежит свиная или бычья губчатая костная ткань, «Перфоост» изготавливается из человеческой костной ткани, а в «КоллапАне» присутствует в небольшом количестве склеральный коллаген животного происхождения. По мнению многих специалистов, считается, что клинические результаты использования ксеноматериалов значительно хуже, чем в случае использования алломатериалов. Исходя из вышесказанного, можно признать, что технологический процесс изготовления первых трех материалов позволяет создавать биологические остеопластические материалы, способствующие процессам костной регенерации у млекопитающих другого вида.

«КоллапАн» в нашем исследовании не показал значимых остеопластических свойств. Этот факт несколько расходится результатами достаточно большого количества экспериментальных и клинических исследований, показывающих, по мнению авторов, определенную эффективность «КоллапАна» в обе-

Рис. 8. Область дефекта нижней челюсти: группа с материалом «КоллапАн», 60 сут.

Рыхлая волокнистая соединительная ткань с мелкими частицами ГАП и единичными участками ретикулофиброзной костной ткани.

Окраска: гематоксилин и эозин. Ув. х400

Рис. 9. Область дефекта нижней челюсти: группа с материалом «КоллапАн», 90 сут. Регенерат образован пластинчатой и ретикулофиброзной костной тканью с частицами ГАП. Окраска: гематоксилин и эозин. Ув. х400

спечении репаративного остеогенеза [1]. Время от времени, появляются единичные сообщения о сравнительном исследовании материалов «Остеоматрикс» и «КоллапАн», касающихся заполнения ими костных дефектов челюстей, сформировавшихся после удаления радикулярных кист. Анализ клинических результатов показал, что «КоллапАн» по срокам восстановления костной ткани значительно уступал «Остеоматриксу» [10]. Похожие результаты получили и мы в своем экспериментальном исследовании.

Небольшая разница воздействия «Остеоматрикса» и «Остеопласта-Т» на процессы регенерации в области костного дефекта обусловлена, скорее всего, особенностями технологического процесса изготовления материалов и соблюдения всех тонкостей технологии. Разработчики этих материалов еще недавно разработали вместе и создали имплантаты, импрегнированные сГАГ [8]. Можно предположить, что незначительная разница эффективности материалов может зависеть от способа получения и степени очистки сГАГ, а также от их концентрации в представленных материалах.

Деминерализованные аллоимплантаты «Перфо-ост» в нашем исследовании показали самые высокие остеоиндуктивные свойства. Это лишний раз доказывает, что материалы на основе деминерализованной кости со стабильной эффективностью индуцируют остеогенез как в костном ложе, так и вне его, например, в модели эктопического остеогенеза [12]. Они обладают стимулирующим действием, сокращая сроки заживления костных и мягкотканых ран [11, 13-15]. Костные морфогенетические белки (BMP — «bone morphogenetic proteins»), входящие в состав кости, активизируются при имплантации ее деминерализованной формы. Это свойство легло в основу получения в мировой биоимплантологии нового вида

биологического пластического материала — деминерализованного костного матрикса, после частичного или полного удаления из костной ткани ее минерального компонента [7]. Стоит отметить, что материал, который мы исследовали в эксперименте, был изготовлен из костей свода черепа, которые биологически относительно инертны и функционально не должны содержать какого-либо значимого количества ВМР, что долгое время являлось отрицательным фактором использования костей свода черепа в качестве остеопластических материалов. Тем не менее деминерализованные аллоимплантаты «Пер-фоост», изготовленные из донорских костей черепа, сегодня с успехом применяются для замещения костных дефектов у детей с офтальмологической и нейрохирургической патологией, при проведении ревизионного эндопротезирования тазобедренного сустава у взрослых [2—4] и т.д. Как правило, лечение заканчивается формированием органотипического регенерата в области имплантации материала [6].

В заключении необходимо отметить, что подобные экспериментальные исследования остеопласти-ческих материалов, которые постепенно поступают и заполняют российский рынок, необходимо продолжить. Определенные сведения об эффективности и безопасности материалов также можно получить с помощью клеточных технологий; существуют и другие методики контроля качества изделий. Результаты исследований полезны не только для практикующих хирургов в различных областях реконструктивной хирургии, но и, главным образом, для фирм-изготовителей материалов. Любая критическая реплика должна стать поводом для анализа качества своей продукции — нельзя забывать о тех, ради кого мы работаем — о пациентах, больных людях, которыми часто становимся сами.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Арсеньев И.Г. Экспериментально-морфологическое обоснование клинического применения деградируемых биоимплантатов в комплексном лечении переломов и ложных суставов длинных трубчатых костей [диссертация]. М; 2007.

2. Волошин В.П., Мартыненко Д.В., Лекишвили М.В. Способ лечения вертлужной впадины. RU патент 2162331. 2004 Дек 27.

3. Волошин В.П., Лекишвили М.В., Оноприенко Г.А. и др. Пластика дефектов вертлужной впадины аллокостными имплантатами при повторном эндопротезировании тазобедренного сустава. Сб. научных статей «Эндопротезирование России». Казань-СПб. 2008.

4. Лекишвили М.В., Горбунова Е.Д., Васильев М.Г. и др. Пластика дефектов костей черепа у детей деминерализованными костными аллоимплантатами. Детская хирургия 2004; 5:9—12.

5. Лекишвили М.В. Технологии изготовления костного пластического материала для применения в восстановительной хирургии [диссертация]. М; 2005.

6. Лекишвили М.В., Касымов И.А., Юрасова Ю.Б. и др. Аллопластика как метод восстановления костной ткани. Технологии живых систем 2006; 3(2): 3-8.

7. Лекишвили М.В., Родионова С.С., Ильина В.К. и др. Основные свойства деминерализованных аллоимплантатов, изготавливаемых в тканевом банке ЦИТО. Вестн. травматол. ортопед. 2007; 3: 80-6.

8. Панасюк А.Ф., Ларионов Е.В., Саващук Д.А. Способ выделения сульфатированных гликозаминогликанов. RU патент 2162331. 2000 Май 20.

9. Тер-Асатуров Г.П., Рябов А.Ю., Лекишвили М.В. и др. Экспериментальная сравнительная оценка некоторых биоматериалов, используемых в российской челюстно-лицевой хирургии. Росс. Стом. Жур. 2009; 4: 11-3.

10. Шишкова Н.В. Влияние биокомпозиционных материалов на регенерацию костной ткани при заполнении дефектов челюстных костей после удаления радикулярных кист [диссертация]. М; 2005.

11. Finkemeier C.G. Current concepts review. Bone-grafting and bone-graft substitutes. J. Bone Jt. Surg. (Am). 2002; 84(3): 454-64.

12. Kawai T., Urist M.R. Quantitative computation of induced heterotopic bone formation by an image analysis system. Clin. Orthop. 1988; 233: 262-7.

13. Oikarinen J. Experimental spinal fusion with decalcified bone matrix and deep-frozen allogeneic bone in rabbits. Clin. Orthop. 1982; 162: 210-8.

14. Rosenthal R.K., Folkman J., Glowacki J. Demineralized bone implants for nonunion fractures, bone cysts, and fibrous lesions. Clin. Orthop. 1999; 364: 61-9.

15. Soto K., Urist M.R. Induced regeneration of calvaria by bone morphogenetic protein (BMP) in dogs. Clin. Orthop. 1985; 197: 301-11.

Поступила 03.12.2011