Одной из центральных проблем современной хирургии и таких ее разделов, как травматология и ортопедия, челюстно-лицевая хирургия, хирургическая стоматология, является разработка средств и методов замещения костных структур, утраченных по тем или иным причинам (вследствие развития онкологических заболеваний, атрофических изменений, воспалительно-деструктивных процессов) с восстановлением их морфофункциональной адекватности.

Развитие исследований по этой проблеме происходило главным образом в направлении совершенствования методов оперативных вмешательств и разработки материалов, способных, с одной стороны, полностью или частично возместить потерю костного вещества, а с другой — способствовать регенерации костных структур. Были разработаны методы, основанные на использовании фосфатов кальция, в частности гидроксиапатита кальция и трикальцийфосфата. Применение на практике синтетических материалов, имитирующих природные ингредиенты минеральной фракции костной ткани, было стратегически важным шагом, так как открыло новое направление в создании материалов, способных сыграть роль заместителей утраченного костного вещества.

Постепенно были сформированы требования к такого рода материалам:

— отсутствие токсического местного и общего воздействия на организм-реципиент;

— отсутствие иммуногенного и аллергизирующего воздействия на организм-реципиент;

— способность материала осуществлять кондуктивное воздействие на процесс костеобразования (костеобразование в области интерфейса, т. е. по линии контакта материал — реципиентные тканевые элементы);

— оптимальный вариант воздействия — индукция костеобразования, индуктивное действие материала на тканевые реципиентные области, выражающееся в образовании кости в результате адгезии на поверхности материала стволовых клеток — остеогенных предшественников [1—3].

Интенсивное развитие научных технологий последних десятилетий привело к появлению новых средств и методов создания биоматериалов с учетом знания молекулярных механизмов организации костных структур, а также принципов активного воздействия на них на уровне генетических механизмов морфофункциональной организации тканей, в том числе — костного вещества, для чего широко используются средства и методы генной инженерии.

Началась разработка заменителей кости, обладающих свойствами, близкими к таковым у нативной аутогенной и аллогенной костной ткани. Такая направленность новых работ обусловлена, в частности, приведенными выше требованиями к новым биоматериалам.

Сформулированные подходы к разработке новых материалов привели к тому, что на повестке дня появилась проблема использования в качестве заменителя костной ткани ксеногенной костной ткани.

Этот вид заменителя кости обладает определенными преимуществами перед, к примеру, керамикой, в частности на основе фосфатов кальция. Во первых, это весьма доступный материал (речь идет о практически неистощимом источнике сырья). С другой стороны, работы, посвященные подобным материалам, свидетельствуют о том, что ксеногенная кость не вызывает сколько-нибудь выраженных иммунных и аллергических реакций. Более того, благодаря аналогичности по структуре и химическому составу человеческой кости ксеногенный костный материал хорошо интегрируется в реципиентное ложе [4].

И все же проблема практического применения ксенокости остается открытой — недаром в печати время от времени появляются публикации на эту тему со знаком вопроса [5]. Однако изучение состояния проблемы свидетельствует о том, что плюсы от применения ксеногенных костных трансплантатов перевешивают минусы.

Важным соображением в пользу широкого применения ксеногенных костных материалов является то, что современные технологии позволяют обогатить базовый кcеногенный материал оптимизирующими его эффекты ингредиентами, в частности полигликанами, лекарственными препаратами (к примеру, противоопухолевыми) и т. д. (т.е. использовать их в качестве носителей лекарственных форм) [6, 7].

Особый интерес представляет то, что отмечена адгезия стволовых клеток на поверхности ксеногенной кости [8], а это свидетельствует о реально существующем механизме индукции остеогенеза на поверхности ксеногенного костного трансплантата.

Биоматрикс. Биоматрикс, который явился объектом исследования в данной работе, представляет собой биокомпозиционный материал — высокоочищенный декальцинированный костный матрикс с сохраненной природной архитектоникой губчатой кости. В 1 см³ биоматрикса содержится не менее 1,5 мг аффинно-связанных костных сульфатированных гликозаминогликанов.

Биоматрикс — остеокондуктивный и остеоиндуктивный пористый биоматериал для заполнения объема костного дефекта или полости. Избирательное связывание костным коллагеном тромбоцитов крови (ТК) позволяет без дополнительных манипуляций с кровью пациента создать химически фиксированную, высокую концентрацию ТК на имплантированном материале, запуская тем самым каскад реакций формирования костной ткани. Биоматрикс характеризуется высоким интеграционным потенциалом и биосовместимостью с костной тканью. Он обладает низкой иммуногенностью, неаллергогенен, так как основной его компонент — коллаген — в этом плане не активен.

Биоматрикс представляет собой высокоочищенный коллаген, выделенный из губчатой кости быка или свиньи; выпускают в виде блоков, пластин или дисков, он содержит суммарную фракцию костных гликозаминогликанов.

В инструкциях к применению Биоматрикса указывается, что биоматериалы этого бренда могут использоваться в различных разделах челюстно-лицевой хирургии, травматологии и ортопедии для заполнения костных дефектов, а в стоматологии — для восполнения дефицита костной ткани альвеолярного гребня и т. д.

Как явствует из информационных материалов компании-изготовителя, биоматрикс представляет собой группу материалов разных типов, разнящихся как по размеру его частиц либо блоков, так и по целевому назначению.

Выпускаются следующие формы материала: биоматрикс — блоки 5×5×5 мм; биоматрикс — пластина (полоска) 5×15×5 мм; биоматрикс — пластина (мембрана) 20×30 мм; биоматрикс — пластина (мембрана) 15×25 мм.

Мы поставили перед собой задачу в экспериментах на животных (собаках) исследовать:

— динамику остеогенетических процессов в области имплантации;

— изменения в ксеногенном имплантате;

— реакции тканевых структур в периимплантационной зоне.

Исследование проводили на 28 беспородных собаках в возрасте 1—2 лет с массой тела 15—20 кг. Животные находились в стандартных условиях вивария в соответствии с утвержденными Министерством сельского хозяйства СССР 26.08.64 Ветеринарно-санитарными правилами содержания опытных (лабораторных) животных в научно-исследовательских институтах, станциях, лабораториях, учебных заведениях, а также в питомниках, а также в соответствии с ныне действующими «Правилами произведения работ с использованием экспериментальных животных» (Приказ Министерства здравоохранения СССР № 755 от 12.08.77).

Животных в соответствии с планом эксперимента разделили на две группы по 14 собак — основную группу и группу сравнения. В основной группе исследовали Биоматрикс фирмы «Конектбиофарм», представляющий собой блоки 5×5×5 мм.

Методика хирургической части эксперимента. У животных обеих групп под внутривенным тиопенталовым наркозом (1% тиопентал Nа — 45 мг/кг) воспроизводили стандартные костные дефекты. За 15 мин до начала операции животным внутримышечно вводили миорелаксант сетон по 2 мл.

Производили трапециевидный разрез слизистой оболочки десны и обнажали поверхность альвеолярной кости. Шаровидным бором при 600—700 об/мин (охлаждение физиологическим раствором) формировали костный дефект размером 1×1×1 см. После гемостаза и удаления костных микрофрагментов в основной группе в дефекты вводили блок Биопласта, предварительно выдержав его несколько минут в физиологическом растворе для набухания. В группе сравнения костную рану оставляли заживать под кровяным сгустком.

На заключительном этапе операции слизисто-надкостничный лоскут укладывали над костным дефектом и ушивали викриловым швом без дренирования. Животных выводили из эксперимента передозировкой тиопентала в сроки 2, 10, 21, 28, 42, 56 и 90 суток.

Методика гистологического исследования. С помощью фрезы выпиливали тканевые фрагменты, поверхностные мягкие ткани и прилежащую кость на расстоянии 2—3 см от области оперативного вмешательства. Тканевый материал декальцинировали в 25% Трилоне Б, проводили через спирты восходящей концентрации и заливали в парафин. Готовили серийные парафиновые срезы с последующей окраской гематоксилином и эозином или пикрофуксином по Вейгерту.

Группа сравнения. Через 2 сут в костных дефектах обнаруживались массы фибрина с преимущественно гемолизированными эритроцитами и примесями нейтрофильных лейкоцитов между ними. Отмечалось утолщение надкостницы прилежащих к костной ране участков вследствие умеренной пролиферации клеточных элементов надкостницы, но главным образом — из-за выраженного отека. Непосредственно по краю костной раны наблюдалось запустевание части клеточных лакун; сохранившиеся клетки зачастую характеризовались развитием пикноза либо кариорексиса.

К 10-м суткам наблюдалось активное заполнение костного дефекта молодой соединительной тканью, богатой сосудами капиллярного типа. На значительных территориях новообразованная соединительная ткань была плотно инфильтрирована лимфомакрофагальными элементами, местами отмечался выраженный отек межуточного вещества, в других участках оно приобретало базофилию, типичную для мукоидизации. Однако пристеночно у края дефекта картина становилась более спокойной, отек несколько спадал и, помимо лимфомакрофагальных элементов, здесь появлялись вытянутые, слегка набухшие клетки фибробластического ряда.

Края костного дефекта были неровными, местами — сильно изъеденными, что связано с резорбтивной реакцией. Кое-где в стенке костного дефекта обнаруживались более глубокие резорбтивные лакуны, содержащие гигантские многоядерные клетки.

Наряду с описанными воспалительно-деструктивными явлениями на отдельных участках можно было наблюдать признаки продуктивных реакций. На фоне активной пролиферации клеточных элементов, главным образом — со стороны надкостницы, здесь наблюдалось отложение узких полосок оксифильного гомогенного вещества типа остеоида, изредка намечалось построение коротких остеоидных балочек.

На 21-е сутки костный дефект на всем протяжении был заполнен клеточно-волокнистой соединительной тканью. Плотность клеток в ней колебалась незначительно, поскольку наблюдалось созревание тканевых элементов, заполнивших костный дефект, причем этот процесс был больше выражен на периферии дефекта, в то время как в его центральных отделах сохранялись участки с очагами лимфомакрофагальной инфильтрации.

Дистрофические и некробиотические реакции в клетках костного края стихали. По краю дефекта наблюдалось построение коротких, слабоветвящихся костных трабекул. Пролиферативные реакции периостальных клеток были выражены слабо.

На 28-е сутки отмечалось дальнейшее созревание соединительной ткани, заполнившей костный дефект. Пристеночно и в центростремительном направлении она все больше приобретала грубоволокнистый характер, и лишь в центральных отделах отмечались участки более рыхлого строения. Изредка встречались гнездные скопления клеток макрофагального типа.

Костеобразовательный процесс был выражен слабо. Его представляли короткие, разной толщины костные трабекулы. Образовавшиеся вдоль стенки дефекта костные балки имели волокнистый матрикс и отражали процесс фиброзной несовершенной костной формации.

На 42-е и 56-е сутки в гистологических препаратах по-прежнему определялись явления дальнейшего созревания соединительной ткани, заполнившей костный дефект. Местами в костном крае отмечались резорбтивные явления, о чем свидетельствовали лакуны резорбции, содержащие гигантские многоядерные клетки.

Проявления костеобразования ограничивались краем дефекта. Здесь отмечалось построение довольно широких фиброзных костных трабекул. Встречались также костно-хрящевые структуры, характеризующиеся включением хрящеподобных элементов в типичный костный матрикс.

На 90-е сутки эксперимента в костном дефекте основным элементом являлась грубоволокнистая соединительная ткань (рис. 1,). Костные структуры в виде коротких, слабоветвящихся трабекул имели преимущественно фиброзный матрикс, с едва намечающимся построением гаверсовых систем и формированием пластинчатой костной субстанции.

Основная группа. Практически во все сроки эксперимента в гистологических препаратах этой группы обнаруживались блоки матрикса ксеногенной кости, имеющего вид спонгиозных бесклеточных структур (рис. 2,). Основные изменения, поддающиеся оценке, связаны с реакциями прилежащих к имплантату реципиентных тканевых структур, мягкотканных и костных.

Для решения задач исследования необходимо было определить критерии оценки уровня интеграции ксеногенного материала в тканевые структуры реципиентного ложа.

Таковыми могли быть:

— проникновение в ксенотрансплантат клеточных элементов со стороны реципиентного ложа;

— появление в ксенотрансплантате включений морфофункционально жизнеспособного костного вещества;

— проявления резорбтивных изменений в ксеногенной кости, ее замещение новообразованным костным веществом.

Результаты по срокам наблюдения. Как показало гистоморфологическое изучение тканевого материала, на 2-е сутки опыта в гистологических препаратах определялся костный дефект, содержащий фрагменты оксифильного материала, вне которого в пространстве между имплантатом и костной стенкой дефекта располагались комки нитевидного слабооксифильного вещества фибрина, пронизанного массами эритроцитов, преимущественно — гемолизированных, с примесями нейтрофильных сегментоядерных лейкоцитов. Таким образом, вне имплантата картина не отличалась от того, что наблюдалось в группе сравнения.

Через 10 сут в области краев костного дефекта наблюдалась активная пролиферация клеточных элементов, особенно выраженная в области надкостницы. Клеточные элементы здесь характеризовались широким ободком цитоплазмы и крупным ядром. Во многих участках они образовывали завихрения и начинали выстраиваться в аркады. Под большим увеличением между ними можно было видеть отложение оксифильного остеоидного вещества.

Описанные клеточно-остеоидные аркады местами соединяли костную стенку полости с краем блока трансплантата.

Наряду с описанными продуктивными реакциями местами в костном крае обнаруживались лакуны резорбции, однако других проявлений «негативных» тканевых реакций обнаружить не удавалось. В целом весь комплекс процессов, развившихся в области ксеногенной трансплантации, можно охарактеризовать как продуктивную реакцию.

В сроки 21—28 сут наблюдалось активное новообразование костной ткани, спаивающей край костного дефекта с ксеногенным трансплантатом (рис. 3,). Матрикс новообразованного костного вещества был фиброзным. При этом отмечалась его наклонность к компактизации.

К 42-м суткам новообразованная костная ткань, примыкающая к ксеногенному трансплантату, начинала приобретать в отдельных участках, в частности на уровне периоста, пластинчатый характер, и в ней появлялись отдельные гаверсовы системы. В одном из участков мельчайший капилляр проникал на некотором протяжении в ксеногенный материал. У конца капилляра определялась своеобразная клеточная почка, вдоль капилляра располагался ряд вытянутых клеток фибробластического типа.

В других участках наблюдалось врастание в межтрабекулярные пространства жизнеспособных клеточных элементов со стороны реципиентного ложа (рис. 4,). Сами пространства между трабекулами расширялись, становились неровными, что свидетельствовало о процессе рассасывания ксеногенного костного материала. Описанная картина в целом являлась отражением механизмов клазии коллагенового матрикса трансплантата, интегрирования ксеногенной кости в тканевые системы организма-хозяина.

Через 90 сут в области имплантации ксеногенного материала происходили 2 базовых процесса, благодаря которым осуществлялась интеграция ксеногенного материала в тканевую систему организма-реципиента. В ксеногенный трансплантат активно проникали сосудистые элементы и сопровождающие их клетки, часть которых претерпевала остеогенную дифференцировку, и они начинали строить костные трабекулы.

В результате в ксеногенном материале появлялись вкрапления костных структур, по краям которых располагались остеобласты. Некоторые костные балки, врастающие в ксеногенный материал, характеризовались высокой степенью дифференцировки, в них формировались остеогенные структуры. В целом проявлялась тенденция к началу постепенного, «ползучего» вытеснения структур ксеногенного трансплантата и их замещения новообразованной собственной тканью реципиента.

Таким образом, на 24 собаках в двух группах наблюдения (основной и группе сравнения) изучали:

— местные тканевые реакции на трансплантацию ксеногенного костного материала Биопласт;

— динамику новообразования костных структур в области контакта стенки костного дефекта и трансплантированного ксеногенного материала;

— динамику и механизмы изменения костного ксеногенного материала.

Исследование показало, что трансплантация ксеногенного костного материала в стандартные костные дефекты не вызывала сколько-нибудь выраженных воспалительно-деструктивных реакций, что можно объяснить низким уровнем иммуногенности и аллергогенности трансплантированного материала.

В области трансплантации ксеногенного материала наблюдалось активное новообразование фиброзных костных трабекул, которые заполняли пространство между частицами костного ксеногенного материала.

По мере вторичной перестройки (ремоделирования) вновь образованной костной ткани к 90-м суткам эксперимента она приобретала пластинчатое строение.

Одновременно с 42-х суток опыта отчетливо прослеживалось проникновение в ксеногенный трансплантат со стороны реципиентного ложа клеточных элементов, которые осуществляли клазию костного вещества ксеногенного трансплантата. Динамику этого процесса в целом можно расценить как «ползучее» вытеснение ксеногенного материала собственными вновь образующимися костными структурами организма-хозяина, т. е. как оптимальный вариант завершения взаимодействия ксеногенной кости и адаптивных систем организма-хозяина.