Внутрикостная дентальная имплантация является золотым стандартом лечения пациентов с потерей зубов. Свойства, относящиеся к сохранности имплантатов, такие как предотвращение патологических тканевых реакций и высокая устойчивость к износу и коррозии имеют высокую клиническую значимость. Чтобы определить, соответствуют ли новые разработки в дентальной имплантации требованиям биосовместимости, механической стабильности, а также безопасности, они должен пройти тщательное тестирование как in vitro, так и in vivo [1]. Существуют различные модели, используемые в доклинических исследованиях при разработке дентальных имплантатов, а также для определения оптимального протокола препарирования для получения первичной стабильности дентальных имплантатов (полиуретановые блоки, крупногабаритные животные, мелкие животные, трупная кость и др.).

Важным условием успеха внутрикостной дентальной имплантации является остеоинтеграция, которая достигается в результате первичной стабильности, ограничивающнц микродвижения имплантата на ранних стадиях заживления тканей [2]. Имплантат считается стабильным, когда его микродвижение составляет менее 50—150 мкм. Микродвижение выше этого уровня вызывает резорбцию кости и фиброзную инкапсуляцию имплантата [3] Плотность кости играет важную роль для первичной стабильности имплантата. Модификации хирургической техники, улучшают первичную стабильность, особенно при кости низкой плотности [4].

Одним из наиболее популярных методов увеличения первичной стабильности имплантатов в костях низкой плотности является метод неполного препарирования. Было обнаружено, что 10% недопрепарирования ложа в костях низкой плотности достаточно для улучшения первичной стабильности. [5]

Модели животных играют ключевую роль при первоначальной разработке дентальных имплантатов и являются важными компонентами доклинических данных, включаемых в заявки на одобрение регулирующих органов. В моделях на животных возможно исследование реакций тканей не только в непосредственной близости к имплантату, но и в отдалении, что связано с возможностью распространения частиц материала вследствие его износа. В связи с этим, в доклинических исследованиях важным этапом является применение моделей животных. Для проведения доклинических исследований необходимо найти более подходящий материал и модель (приемлемая плотность, биосовместимый химический состав, высокая резистентность к износу и близкий к кости модуль эластичности для минимизации резорбции ее вокруг имплантата). Выбор вида животного должен быть тщательно задокументирован и обоснован с учетом физиологических особенностей каждого животного, а также сходства с костью человека. Факторы, которые принимаются во внимание при принятии решения об использовании того или иного вида животных, связаны с наличием животных, их стоимостью, условиями содержания и их выносливостью к условиям содержания в неволе, наличием квалифицированного персонала для обращения с животными, а также пригодностью к хирургическому вмешательству или продолжительностью жизни вида, которые должны соответствовать плану исследования [6].

Так, в исследовании «Доклинические модели для дентальной имплантологии: прошлое, настоящее и будущее» было изучены как крупногабаритные животных (собаки, приматы), так и мелкие (грызуны) [7].

В настоящее время в рамках бинарной классификации модели крупных и мелких животных появился новый уровень процедур принятия решений относительно целей исследования с установлением подклассов в соответствии с конкретными видами и характеристиками каждой модели крупных животных [8]. Доклинические хирургические процедуры (например, открытый синус-лифтинг или костные пластики) с имплантатами оптимальных размеров, применяемых на клинических этапах, у крупных животных можно разделить на категории.

В Европе и других странах в рамках аккредитованных процедур запрещено проведение доклинические исследований на приматах. Модели приматов, особенно бабуины, следует рассматривать как подтверждающую модель, зарезервированную для исследований крупных достижений, обеспечивающих существенную дополнительную научную ценность, уже подтвержденную на моделях других животных.

Свиньи и мини-свиньи являются оптимальными и наиболее распространенными моделями, заменившими собак в доклинических исследованиях. Мини-свиньи является идеальной моделью для исследований регенерации костной ткани вокруг дентальных имплантатов при их установке в полости рта.

Собак следует использовать только в тех случаях, когда использование свиней невозможно (в основном при проведении операции открытый синус-лифтинг).

Модели имплантатов меньшего размера и исследования на биосовместимость дентальных имплантатов следует проводить на моделях мелких животных [8].

По данным Американской ассоциации кролиководов, существует около 49 пород кроликов. Среди них новозеландский белый кролик (5—6 кг) является оптимальным и чаще всего применяется для исследований дентальных имплантатов. Этот вид представляет особый интерес с появлением трансгенных кроликов (для регуляции гормонов, диабета и остеопороза). Благодаря ускоренному созреванию скелета (примерно в возрасте 6 месяцев) и быстрому восстановлению костей (быстрее, чем у приматов) кролик является удобной моделью для лабораторных исследований. С другой стороны, быстрая регенерация может привести к предвзятости в долгосрочных исследованиях, что затруднит интерпретацию результатов относительно биологии человека. Кроме того, скелет взрослого кролика хрупок и составляет около 8% от массы его тела. По данным гистологического анализа компактной кости было получено, что кость кролика является одной из наиболее отличающихся от человеческой, с существенными различиями не только в гаверсовых каналах и вторичных остеонах, но и в васкуляризации.

Крысы являются хорошими моделями для проведения доклинических исследований благодаря простоте содержания и относительно низким затратам по сравнению с моделями крупных животных. Взрослеющая крыса является хорошо известной моделью для оценки влияния эндокринных факторов, питания и окружающей среды на пиковую костную массу, но не подходит для исследований скелета взрослого человека из-за наличия у нее клеточных путей, отсутствующих у взрослого человека. Для исследований в имплантологии размер крысы является неоднозначным преимуществом. На крысах можно использовать только небольшие по диаметру и размеру дентальные имплантаты, и в большинстве случаев имплантаты нуждаются в адаптации.

Мыши — первые животные, которых стали использовать в лабораторных исследованиях. Например, для изучения генетических и возрастных изменений в костях. Также, на мышах проводят доклинические исследования дентальных имплантатов, в основном внеротовым доступом из-за технических и хирургических сложностей операции (в связи с маленьким размером рта и челюсти мыши).

В доклиническом исследовании, проводимом доктором Вибха Шетти и соавторами, определение первичной стабильности дентальных имплантатов проводилось с применением синтетических и натуральных костей [8]. В этом исследовании проводится всестороннее исследование с использованием костей как синтетического, так и натурального происхождения для оценки сравнительных биомеханических реакций во время имплантации. Такой сравнительный анализ позволит клиницистам более надежно имитировать имплантацию.

Чтобы соотнести влияние конструктивных особенностей и плотности кости на момент установки, имплантаты устанавливались в пенополиуретановые блоки (Sawbone, ASTM F-1839-08) с тремя различными плотностями: 15 PCF, 20 PCF и 30 PCF. Наряду с блоками, были выбраны: поясничный отдел позвоночника человеческого трупа (n=5) и позвоночная кость свиньи (n=15), представляющие различную плотность костей. Перед экспериментами оба образца натуральных костей выдерживали в физиологическом растворе с фосфатным буфером для поддержания pH и предотвращения обезвоживания костей. Были разработаны протоколы сверления на синтетических и натуральных костях для установки имплантатов. Для обработки синтетических и натуральных костей различной плотности использовались различные протоколы сверления. Таким образом, было обнаружено, что имплантаты демонстрируют клинически приемлемую реакцию на крутящий момент в полиуретановых блоках с различной плотность и моделями натуральной кости. Моменты установки и удаления увеличиваются с увеличением плотности костной ткани, независимо от конструкции имплантата. Протоколы сверления были оптимизированы для поддержания значений крутящего момента в клинически приемлемом диапазоне в случае более плотных материалов-носителей (30 PCF и свиная кость). Влияние плотности костной ткани на максимальный момент установки и удаления показано на рисунке 7. Для мягкой кости (15 и 20 PCF с низкой плотностью кости 24—32 г/см³) значение момента установки варьировалось от 30 до 65 Нсм, а для человеческой кости полученный диапазон варьировался от 37 до 70 Нсм. Аналогично, момент удаления в кости с низкой плотность 24—32 г/см³ варьируется от 20 до 56 Нсм, а в кости человека полученный момент удаления колеблется от 18 до 54 Нсм. По мере увеличения плотности костной ткани было зафиксировано значительное увеличение крутящего момента при установке и извлечении независимо от конструкции имплантата. Таким образом, имплантаты обладают потенциалом для клинического успеха с точки зрения первичной стабильности после имплантации и повышенной вероятности достижения остеоинтеграции. Если материал более эластичен по своей природе, постоянное напряжение будет минимальным, что приведет к большему моменту извлечения (эквивалентному моменту вставки), что приведет к меньшим значениям «уменьшения крутящего момента», и наоборот. На рис. 6 показано, что процент снижения крутящего момента в модели свиной кости и трупной кости человека, выше, чем в полиуретановых блоках разной плотности.

По некоторым данным собаку можно утвердить в качестве животной модели для исследований дентальных имплантатов. Однако, для того чтобы результаты были более точными, будущие эксперименты должны учитывать породу собак, физиологический возраст (зрелый скелет), вес (размер) — все эти факторы являются необходимыми для обеспечения высокой точности экстраполяции. Также необходимо учесть, что дизайн эксперимента должен быть соответствующим, а контроль и управление экспериментальными установками должны соответствовать стандартам биоэтики и защиты животных [9].

В 2020 году проводилось исследование на моделях животных, часто используемых при тестировании биосовместимости дентальных имплантатов [10]. Целью исследования являлось предоставление данных о костной структуре видов животных, участвующих в стоматологических исследованиях, при этом подчеркнута важность костной структуры и остеоинтеграции в зависимости от вида (таблица).

Характеристика кости человека и животных [10]

Несмотря на то, что крысы не подпадают под действие стандарта ISO 10993-6 из-за различий в структуре костей (по сравнению с человеческими), размера и ограниченного количества проектов для тестирования, недавние исследования показывают, что этот вид животных часто используется, вероятно, из-за их доступности и легкого обращения. Параметры идеальной модели животного, используемого в стоматологических исследованиях, включают анатомическое и физиологическое сходство с человеком, поэтому крысу можно использовать в небольших масштабах в области стоматологии из-за анатомии их резцов и относительно небольших участков губчатой кости [11—13]. Областью выбора для установки имплантатов являются нижняя челюсть, бедренная или большеберцовая кость.

В медицинских исследованиях кролики используются более чем в 35% случаев. Их преимущество заключается в том, что они доступны и просты в обращении, а также зрелость их костной системы достигается быстрее по сравнению с другими видами (сразу после того, как они достигают половой зрелости в возрасте 6 месяцев) [14]. Однако с гистологической точки зрения длинная кость кролика сильно отличается от человеческой в том, что она имеет продольную сосудистую сеть, включающую костные каналы, которые находятся в костномозговом канале, а также в надкостнице. Минеральная плотность костной ткани в коре бедренной или большеберцовой костей ниже из-за слабо развитой гаверсовой системы. Максимальное среднее значение для диаметра остеона составляет 223,79+47,69 мкм при минимальном среднем диаметре 50,79+9,71 мкм [15]. По сравнению с другими моделями животных, костная система кролика демонстрирует более быструю реакцию на внешние раздражители, что затрудняет оценку отдаленных результатов [16].

Свиней часто используют в качестве моделей для тестирования дентальных имплантатов из-за их костной структуры, которая во многом напоминает человеческую [17]. Одним из недостатков использования этой модели животных является высокая скорость роста и трудности в обращении с ними, вызванные их реактивным поведением или низкой стрессоустойчивостью. Чтобы устранить эти недостатки, были использованы мини-свиньи, которые являются одними из наиболее предпочтительных моделей с анатомической, морфологической точки зрения, а также с точки зрения способности к заживлению и ремоделированию. Кость свиньи похожа на человеческую, хотя микроструктурно трабекулярная сеть у свиней намного плотнее, чем у людей. [18]. Сходства, такие как пластинчатая структура, плотность и концентрация минералов в кости, по сравнению с человеческими [10], делают свинью хорошей моделью для изучения процесса остеоинтеграции дентальных имплантатов [19]. Большеберцовая кость свиньи считается эквивалентом нижней челюсти человека [20].

Овцы или козы применяются не так часто для доклинических исследований дентальных имплантатов. Хотя макроскопическая структура их костей близка к человеческой, гистологически кости мелких жвачных животных отличаются друг от друга, остеон имеет диаметр 100 мкм и содержит по меньшей мере два центральных кровеносных сосуда. Возраст животного сильно влияет на структуру кости, первичная «эмбриональная» кость является сильно васкуляризованной и плохо организованной с точки зрения минерализации [21]. После 4-летнего возраста овцы имеют плексиформную костную структуру, которая включает пластинчатую костную ткань, расположенную между сосудистыми сплетениями, подобно сэндвичу. В возрасте 7—8 лет гаверсова система видоизменяется, становясь более распространенной, особенно в бедренной и плечевой костях. Плотность и прочность костей у мелких жвачных животных намного выше, бедренная трабекулярная кость в два раза плотнее, чем у человека. Есть исследования, в которых отмечается, что плотность костной ткани различается в зависимости от анатомической области. В стоматологических исследованиях чаще применяются бедренная и большеберцовая кости, где можно установить несколько имплантатов, поскольку костное ремоделирование и потенциал заживления велики. Принимая решение об использовании мелких жвачных животных в исследованиях остеоинтеграции, следует учесть, что кость изменяется в холодное время года, когда регенерация кости подавлена, что может повлиять на цели эксперимента.

Собаки часто используются в стоматологических исследованиях и являются ценной моделью при изучении периимплантита из-за их восприимчивости к спонтанному пародонтиту. Но их использование в доклинических исследованиях затруднено ввиду этических проблем (этот вид считается домашним животным). Собачьи и человеческие кости имеют много общего, включая вес, плотность, органический и неорганический состав. Вторичное формирование остеона, эпифизарное сращение в зрелом возрасте, внутрикортикальное ремоделирование или потеря костной массы в пожилом возрасте. Разница между костью человека и собаки заключается в скорости костного ремоделирования, которая у собак выше в трабекулярном компоненте. Микроструктура собачьей кости смешанная и включает вторичную остеональную кость в центре кортекса, а рядом с надкостницей и эндостом находится плексиформная кость, которая формируется быстро и в больших количествах, обеспечивая повышенную механику и поддержку. В исследованиях, связанных с дентальными имплантатами, распространено использование биглей, и в качестве анатомической области установки предпочтительна бедренная кость.

Проводилось также исследование, целью которого была оценка первичной стабильности цилиндрических и конических имплантатов, установленных в монолитные жесткие блоки из полиуретана низкой плотности [22]. Полиуретановые блоки способны избежать локальной и анатомической изменчивости естественной костной ткани без механических изменений, связанных с условиями окружающей среды, и создают стандартизированную модель для экспериментальных исследований дентальных. В то же время ограничением их применения является то, что этот материал не позволяет провести оценку других параметров, таких как температура сверления или гистологические данные [23]. Полиуретановые блоки доступны в различных микроструктурах и плотностях и способны имитировать губчатую и кортикальную кость человека, тем самым обеспечивая стандартизацию процедур без учета анатомической и структурной неоднородности естественной кости. Помимо этого, может быть добавлен дополнительный плотный слой для имитации кортикального компонента естественной анатомии челюстной кости в задней части верхней челюсти [23,24].

Заключение

К сожалению, ни один вид не отвечает идеальным требованиям, но понимание различий в макроскопической, микроскопической структуре костей и их ремоделировании может повлиять на результаты экспериментов in vivo. Целью выбора животной модели для исследования дентальных имплантатов является получение достаточной информации о реакции организма на инородное тело, заживлении ран вокруг имплантатов, структуре тканей или механизмах заболевания пародонта.

Из описанных видов собака имеет наиболее сходную с человеком структуру костей, но их применение затруднено со стороны этики и закона. За ними следует кролик с частотой использования 35%. Мелкие жвачные животные, свиньи и мини-свиньи, чьи кости близки к человеческим и чье применение не осложнено этическими аспектами, являются оптимальными для доклинических исследований. Модель мини-свиньи позволяет в течение достаточного количества времени оценит состояние костной и мягкой ткани в ранее оперированной зоне. Полиуретановые блоки были предложен в качестве искусственного заменителя для имитации in vitro при установке дентальных имплантатов. Преимуществом этого материала является однородная структура.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.