Костные трансплантаты

Костные трансплантаты это любые имплантируемые материалы, которые сами по себе или в комбинации с другими материалами способствуют формированию кости, обеспечивая локальную остеокондуктивную, остеоиндуктивную или остеогенную активность. Костные трансплантаты используются для активизации репаративного остеогенеза при травмах, формировании артро- и спондилодеза, замещении костных дефектов после резекции опухолей.
Остеогенные материалы (аутотрансплантаты и материалы, обогащённые культивируемыми аутогенными костными клетками) содержат живые клетки «хозяина», способные дифференцироваться в остеобласты. Остеокондуктивные материалы способствуют прикреплению, пролиферации и дифференцировке малодифференцированных клеток в остеобласты с последующим аппозиционным формированием кости на их поверхности (играют роль матрицы, на которой формируется кость). Остеоиндуктивные материалы содержат биологически активные вещества, индуцирующие клетки ложа реципиента (недифференцированные стволовые клетки мезенхимального происхождения или клетки предшественники остеобластов) дифференцироваться в остеобласты.
Любые костные трансплантаты должны обладать следующими свойствами:

быть полностью биосовместимыми,
пористыми,
служить матрицей, на поверхности которой фиксируются клетки реципиента (остеокондуктивность),
постепенно резорбироваться и замещаться новообразованной костью (ползущее замещение).

Для успешного формирования кости также необходимо соблюдение 2-х важных требований – хорошая васкуляризация и механическая стабильность области имплантации.
Костные трансплантаты подразделяют на ауто-, алло-, ксенотрансплантаты, синтетические и композитные материалы.
Костный аутотрансплантат – это трансплантат кости из одной части тела человека в другое место того же человека. Костные аутотрансплантаты обычно забирают из подвздошной кости, а также из дистальной части бедренной или проксимального отдела большеберцовой кости. Аутогенная губчатая кость является «золотым стандартом» для костных трансплантатов, так как обладает тремя видами активности: неколлагеновые белки костного матрикса обеспечивают остеоиндуктивность, аутогенные костные клетки – остеогенную активность, коллаген и минералы кости – остеокондуктивность. Недостатками аутотрансплантатов являются: увеличение времени основной операции, возрастные ограничения (маленькие дети, люди старческого возраста), неудовлетворительные объём и форма аутотрансплантатов, развитие различных осложнений (до 20% случаев), гибель большинства остеогенных клеток трансплантатов сразу после имплантации.
Костный аллотрансплантат – трансплантат кости от одного человека другому.
Костный ксенотрансплантат – трансплантат кости от одного вида животного другому или человеку. Костные алло- и ксенотрансплантаты обладают высокой механической прочностью (замороженные кортикальные трансплантаты), остеокондуктивными и слабыми остеоиндуктивными свойствами, выявляемыми лишь в замороженных и лиофилизированных аллотрансплантатах губчатой кости. Использование аллотрансплантатов в 60%-90% случаев способствует успешному восстановлению массивных костных дефектов. Недостатками костных алло- и ксенотрансплантатов являются: медленная остеоинтеграция, риск передачи от реципиента к донору различных заболеваний, возможность развития реакции гистонесовместимости и хронического гранулематозного воспаления, высокая стоимость аллокости, религиозные ограничения. С целью минимизации рисков алло- и ксенотрансплантаты подвергают интенсивной обработке, что значительно уменьшает остеоиндуктивные свойства и механическую прочность этих трансплантатов почти на 50%, хотя риск инфицирования реципиента всё-таки полностью не устраняется.
Деминерализованный костный матрикс, по сравнению с обычными костными аллотрансплантатами, отличается более выраженной остеоиндуктивностью, однако он не обладает структурной прочностью, а показатели остеоиндуктивности могут значительно варьировать – от физиологической до полного их отсутствия, что зависит от метода приготовления матрикса.
Коллаген - основной белок межклеточного костного матрикса, способствует минерализации, врастанию сосудов, связыванию ростовых факторов, создавая микроокружение, благоприятствующее регенерации кости. Коллаген не имеет механической прочности, обладает низкой антигенной активностью. Коллаген в основном применяется в качестве носителя других остеокондуктивных, остеоиндуктивных или остеогенных факторов.
Из-за ограниченности наличия, иммунного отторжения и других проблем, связанных c использованием ауто-, алло-, и ксенотрансплантатов, всё чаще применяются различные имплантаты. Имплантат – это искусственный материал или устройство, хирургически помещённое в организм.
В настоящее время в качестве имплантатов в травматолого-ортопедической практике и стоматологии широко используется биокерамика. К последней относятся: оксид алюминия, двуокись циркония, окись титана, гидроксиапатит, трикальцийфосфат, биоактивные стёкла и стеклокерамика. В зависимости от типа реакции в организме биокерамику можно классифицировать на биоинертную, биоактивную и растворяющуюся в организме (резорбирующуюся).
Плотные, непористые, биоинертные керамические материалы, такие как Al2O3 и ZrO2, прикрепляются путём цементирования или путём впрессования в дефект (механическая фиксация). Если эти имплантаты имеют поры с диаметром более 100 мкм, может происходить врастание кости, что обеспечиваете её крепление к материалу (биологическая фиксация).
Ряд кальций-фосфатных материалов, таких как гидроксиапатит, трикальцийфосфат, некоторые составы силикатного стекла и стеклокерамики, относятся к биоактивным материалам, близким по своему составу костной ткани человека. Последние способствуют образованию на их поверхности кости и формированию с последней прочных химических связей (биоактивная фиксация). Эти биоактивные керамические материалы являются остеокондуктивной матрицей, вызывающей адгезию морфогенетических белков, клеток предшественников остеобластов, их пролиферацию и дифференцировку в остеобласты.
Биоактивная кальцийфосфатная керамика является остеоинтегрируемой и в некоторых случаях - остеоиндуктивной, что в значительной степени определяется геометрической характеристикой имплантата. Наличие и выраженность остеогенеза на поверхности и внутри пор керамики зависит от многочисленных факторов, таких как размер, форма, порозность, химический состав, поверхностная микроструктура биоматериала и др. Одним из недостатков кальцийфосфатной керамики является незначительная механическая прочность данного вида имплантатов.
Композитные материалы – это комбинация остеокондуктивного матрикса с биоактивными агентами, обеспечивающими остеоиндуктивные и/или остеогенные свойства, что уравнивает эти материалы по биоактивным свойствам с аутотрансплантатами.
Композитный материал Коллапан состоит из синтетического наноструктурированного гидроксиапатита, коллагена и иммобилизованных антибиотиков. Патогистологическое исследование экспериментального и клинического материала показало, что имплантированный в дефекты кости Коллапан постепенно лизируется и замещается новообразованной костью. Во всех случаях отмечается интрамембранный остеогенез, то есть без образования хряща, с последующим формированием зрелой пластинчатой кости, в которой сохраняются остатки постепенно растворяющихся частиц гидроксиапатита.
Сравнительное экспериментально-морфологическое изучение Коллапана с другими кальцийфосфатными и коллагеновыми материалами (Ostim-100, ChronOs, Cerosorb, Коллост), применяемыми в клинике при замещении костных дефектов, выявило, что Коллапан обладает наиболее выраженными свойствами активизации репаративного остеогенеза. Являясь биоактивным материалом, Коллапан, по-видимому, способствует миграции и прикреплению к его поверхности стромальных стволовых клеток, их дифференцировке в остеобласты и последующему репаративному остеогенезу. Минерализация новообразованной кости происходит как за счёт физико-химической репреципитации высвобождаемого из Коллапана кальция и фосфора, так и за счёт остеобластов, прилежащих к Коллапану.
Биокомпозиционный материал Коллапан, является биосовместимой, постепенно резорбируемой и одновременно замещающейся новообразованной костью матрицей, обладающей антибактериальными, остеокондуктивными и остеоиндуктивными свойствами и оказывающий многофакторное влияние на процессы активизации репаративного остеогенеза:
1) поверхностная структура имплантированного Коллапана определяет селективную абсорбцию на его поверхности неколлагеновых белков внеклеточного матрикса - фибронектина, ламинина, витронектина, остеопонтина, остеокальцина, костных сиалопротеинов и др., которые способствуют через клеточно-субстратные адгезивные рецепторы (интегрины) последующей адгезии клеток-предшественников остеобластов, их пролиферации, диффференцировки и синтетической активности остеобластов при одновременном торможении адгезии и роста клеток фибробластического ряда;
2) наноструктурированный гидроксиапатит Коллапана, обладая площадью поверхности в десятки и сотни раз превышающую таковую обычных биоимплантатов, абсорбирует многочисленные эндогенные костные морфогенетические и остеогенные белки, являющиеся остеоиндуктивными растворимыми факторами, опосредующими хемотаксис, прикрепление к имплантату и дифференцировку малодифференцированных клеток ложа реципиента в остеобласты;
3)растворение синтетического гидроксиапатита сопровождается высвобождением ионов Са2+ и РО3-4, их обменом с ионами тканевой жидкости с последующей репреципитацией и формированием слоя биологического гидроксиапатита на поверхности имплантата, то есть постепенно растворяющийся гидроксиапатит Коллапана замещается новообразованной костью (ползущий остеогенез);
4) связанные с коллагеном антибиотики постепенно выделяются из Коллапана и предупреждают развитие инфекционного процесса, оптимизируя условия репаративного остеогенеза.
Биокомпозиционный материал Коллапан является идеальным материалом в инжиниринге костной ткани при использовании в качестве матрицы с целью иммобилизации различных ростовых факторов и цитокинов, различных биологически активных веществ, клеточных элементов, способствующих активизации процессов репаративного остеогенеза. Коллапан также может использоваться при различных патологических процессах для иммобилизации и локальной пролонгированной доставки в очаг поражения различных лекарственных средств.