Ежегодное увеличение числа операций в челюстно-лицевой области обусловливает рост потребления костно-пластических материалов. Существующие материалы не обладают достаточной эффективностью, поскольку не позволяют восполнять обширные костные дефекты. В связи с этим в последнее время ведутся разработки и внедряются в клиническую практику так называемые активированные костно-пластическ ие материалы. Они представляют собой матрикс, несущий активный компонент в виде клеток, факторов роста или кодирующих их генетических векторов [1].

Применение клеток в качестве активного компонента связано с рядом ограничений. Подобные материалы не подходят для восстановления протяженных костных дефектов, поскольку отсутствие достаточного кровоснабжения приводит к гибели клеток трансплантата [2]. Также существуют сложности с производством, хранением и регистрацией таких изделий [3]. В связи с этим более перспективными подходами для регенерации костной ткани является применение костно-пластических материалов, содержащих остеоиндуктивные компоненты — факторы роста или векторы, несущие их гены.

Костный морфогенетический белок-2 (BMP-2) — фактор роста, который обладает наиболее выраженным остеоиндуктивным потенциалом [4]. Проведенные in vitro и in vivo исследования, а также клинические испытания продемонстрировали высокую эффективность материалов, содержащих рекомбинантный BMP-2 (rhBMP-2) для восстановления костных дефектов челюстно-лицевой области [5—7]. Однако, вследствие высокой скорости деградации белка в условиях операционной раны, производители используют дозы остеоиндуктора, превышающие физиологические, что приводит к возникновению послеоперационных осложнений и увеличению продолжительности костной регенерации [8—10].

Ген-активированные материалы способствуют экспрессии целевых генов и синтезу белков, непосредственно участвующих в восстановлении тканей. На сегодняшний день в мире уже одобрено более 10 продуктов для генной терапии и проводится более 200 клинических испытаний новых препаратов, что свидетельствует о высоком потенциале данной технологии [11].

В зависимости от метода доставки выделяют генную терапию in vivo и ex vivo [12]. Метод in vivo предполагает непосредственное введение генного вектора в область костного дефекта. Метод ex vivo требует выделения клеток из биоптата, полученного у пациента, наращивания клеточной культуры, ее модификацию и последующую имплантацию клеток в области вмешательства. Для локального применения in vivo методы генной терапии являются предпочтительными, поскольку являются менее трудозатратными и не предполагают индивидуализированного подхода.

Помимо описанных стратегий важным является способ доставки генетических конструкций — с помощью вирусных или невирусных векторов. Среди вирусных наиболее часто используют аденовирусные, аденоассоциированные, ретро- и лентивирусные векторы. К невирусным относятся векторы на основе плазмид, линейной РНК или ДНК, доставляемой в клетки с помощью физических или химических методов [3]. По сравнению с вирусными векторами они имеют более низкий риск возникновения системных осложнений, характеризуются низкой иммуногенностью и высокой пакующей емкостью. При этом их производство является более простым и дешевым [13].

Генные векторы теоретически позволяют продуцировать BMP-2 клетками в физиологических концентрациях за счет естественных механизмов регуляции синтеза белка, дешевы в производстве и относительно безопасны — что делает перспективу их применения привлекательной.

Данные исследований об эффективности и безопасности применения белков-остеоиндукторов в черепно-лицевой области противоречивы. Анализ эффективности применения белка rhBMP-2 на носителях в виде коллагеновой губки, материала Bio-Oss, смеси β-трикальций фосфата и гидроксиапатита при замещении костных дефектов показали, что использование rhBMP-2 приводило к формированию большего объема кости по сравнению с применением матриц без белка [14—17]. В то же время применение материала с rhBMP-2 не обладало преимуществами по сравнению с аутогенными костными трансплантатами и характеризовалось дополнительным риском длительного послеоперационного отека и увеличением периода реабилитации, что, по всей видимости, связано с избытком примененного белка [18, 19].

Применение ген-активированных материалов в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии до сих пор ограничено. В мире на сегодняшний день было выполнено всего два клинических исследования, посвященных регенерации кости. Оба были проведены в России. Несмотря на то, что при применении ген-активированного материала на основе матрицы из коллагена и гидроксиапатита, содержащей плазмиду VEGF, были получены положительные результаты, исследование было прекращено по коммерческим причинам [20]. В то же время открытое нерандомизированное клиническое исследование, включавшее 20 пациентов с атрофией альвеолярного отростка, хроническим пародонтитом, периапикальными поражениями и периимплантитом, показало, что использование костно-пластического материала на основе октакальций фосфата, содержащего плазмиду VEGF, было эффективным в 100% случаев. Наблюдение в течение 30 мес подтвердило безопасность и эффективность материала: не было выявлено осложнений, а дентальные имплантаты, установленные в месте проведения пластики, были интегрированы в кость [3]. В 2019 г. исследованный в рамках клинических испытаний материал «Гистографт» стал первым в России и мире зарегистрированным костно-пластическим ген-активированным препаратом. Однако, он был зарегистрирован не как целостный препарат, а как медицинское изделие, поставляемое вместе с зарегистрированным ранее лекарственным средством «Неоваскулоген».

Вопросы, касающиеся использования активированных материалов, связаны не только с их производством, транспортировкой, хранением, но и с безопасностью применения у пациентов.

Основным побочным эффектом применения BMP-2 в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии является массивный, длительно сохраняющийся отек мягких тканей, возникновение которого зависит от применяемой концентрации остеоиндуктора [21]. Применение материала в концентрации 1,5 мг/мл приводило к возникновению и сохранению отека в течение 4 мес у 82% пациентов, в то время как при использовании 0,75 мг/мл отек был выявлен всего у 39% [22].

Ген-активированные материалы позволяют добиться локальной концентрации остеоиндуктора с сохранением его эффективности за счет длительной выработки клетками. Однако вирусные векторы сами по себе тоже способны провоцировать воспаление за счет экспрессии белков вирусной оболочки. Что касается невирусных векторов, то возникающие в ответ на них иммунные реакции в большинстве случаев определяются природой переносчика генетической информации (липоплексы, липосомы, полиэтиленгликоль и пр.) [23].

Существуют опасения относительно возможностей проонкогенного влияния BMP-2 на клетки организма. В 43 исследованиях было показано, что rhBMP-2 обладает проонкогенным действием. Однако эти данные были получены in vitro и in vivo [24]. Вместе с тем до сих пор не были найдены доказательства формирования опухолей de novo при использовании материалов с BMP-2.

Возможность проонкогенного воздействия ген-активированных материалов также вызывает опасения. Аденовирусные и аденоассоциированные вирусные векторы по сравнению с ретро- и лентивирусными считаются относительно безопасными, поскольку в большинстве случаев рекомбинантный вектор остается в клетке в виде эписом. Однако, экспериментальные и клинические исследования показали возможность их интеграции в геном [25]. Несмотря на то, что применение факторов роста и генных конструкций вызывает опасения, в ходе доклинических и клинических испытаний еще не было доказано их онкогенное действие.

Костный морфогенетический белок-2 (BMP-2) в естественных условиях организма имеет короткий период полураспада и не оказывает системного влияния на организм. В эксперименте было показано, что при системном внутривенном введении в течение 2 нед BMP-2 в концентрации 0,18 и 0,5 мг/кг не вызывал воспалительных реакций. Также не было обнаружено очагов эктопического остеогенеза, т.е. образования костной ткани вне костного окружения. Однако, в хвостовой вене, через которую вводили BMP-2, были сформированы хрящевые участки и увеличено число фибробластов [26].

Локальное применение остеоиндуктора может быть связано с формированием эктопических очагов в окружающих костный дефект органах и тканях. Так, имплантация материала с BMP-2 при спондилодезе в 70,1% случаев сопровождается эктопическим остеогенезом в позвоночном канале и межпозвонковых отверстиях, что приводило к компрессии нервных корешков и послеоперационному радикулиту [27]. Авторы исследований отмечают, что это может быть связано с особенностями техник операционных вмешательств — задний поясничный межтеловой спондилодез чаще, чем передний приводит к радикулиту, эктопическому остеогенезу, остеолизису [24]. Также вероятность эктопического остеогенеза увеличивается при использовании матриц-носителей, неспособных сопротивляться давлению окружающих тканей и содержащих высокие концентрации остеоиндуктора [28]. В эксперименте, посвященном установке в челюсти свиней дентальных имплантов с нанесением высоких концентраций BMP-2, образование костной ткани происходило слишком интенсивно, в результате чего ранее установленные имплантаты изменяли свое положение и вытеснялись из кости [29].

При использовании ген-активированных материалов возможность формирования эктопических очагов костной ткани до сих пор не исследована в достаточной степени. Изучение особенностей биораспределения показало, что внутривенное введение аденовирусов приводит к виремии и общему распространению их в различных органах и тканях [30]. При внутримышечной инъекции у кроликов также было обнаружено наличие трансфицированных клеток не только в области задних конечностей, куда были введены вирусные векторы, но и в печени, легких, яичках и селезенке [31].

Эти данные могут свидетельствовать о потенциальной возможности трансфицирования клеток и экспрессии остеоиндукторов за пределами костных дефектов. Вместе с тем костно-пластические материалы имплантируют локально, что ограничивает распространение векторов по организму. На in vivo модели сегментарного дефекта кости кролика при использовании аденовирусного вектора, несущего ген BMP-2, экспрессия исследуемого гена не была отмечена в бедренной кости, легких и селезенке, но была обнаружена в окружающих дефект мышечных тканях, где сохранялась на протяжение 2 недель [32].

Возникновение осложнений при применении материалов с белком BMP-2 имеет дозозависимый характер и связано с использованием супрафизиологических концентраций остеоиндуктора. В то же время ген-активированные материалы на основе аденовирусов, несущие ген BMP-2, относительно безопасны.

Заключение

С учетом вышеописанных достоинств ген-активированных костно-пластических материалов следует ожидать их широкого внедрения в клиническую практику. По сравнению с экзогенными белками, генные векторы обеспечивают более физиологичный синтез белка, регулируемый за счет существующих в клетке механизмов обратной связи. Кроме того, препараты на основе генных векторов дешевле в производстве и не требовательны к условиям хранения в отличие от белковых. Наиболее перспективными среди генных являются аденовирусные и аденоассоциированные векторы, обладающие высокой эффективностью трансдукции, пакующей способностью и низким риском возникновения инсерционного мутагенеза. Одной из основных проблем широкого внедрения ген-активированных препаратов, является их новизна, влекущая сложности с регистрацией.

В настоящее время существуют ген-активированные препараты, в том числе используемые в стоматологии. Однако, среди них еще не представлено материалов, обладающих выраженным остеоиндуктивным действием. В связи с этим продолжает существовать потребность во внедрении в клиническую практику разработок на основе генных векторов, несущих ген белка-остеоиндуктора.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант №21-75-10147) в части вирусных векторов и белок-активированных материалов, в рамках государственного задания Минобрнауки России для ФГБНУ «Медико-генетический научный центр имени академика Н.П. Бочкова» в части невирусных векторов.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.