Биотехнологический способ восстановления костной ткани: теоретический базис и клиническое применение

Костная пластика — важнейшая техника современной хирургии, активно применяемая в челюстно-лицевой практике, нейрохирургии, травматологии и ортопедии, вертебрологии. Общепринятым стандартом для реализации этих вмешательств, направленных на тканеспецифичное восполнение утраченных объемов кости и реконструкцию кости как органа, до сих пор остаются аутотрансплантаты. Однако их интраоперационное получение сопряжено с причинением пациенту дополнительной хирургической травмы, удлиняет время операции, последующий период реабилитации и риски инфекционных осложнений. В ряде случаев этот вид вмешательства невыполним или даже противопоказан [1]. В связи с этим в стремлении составить эффективную альтернативу «золотому стандарту» — аутопластике, в клиническую практику внедряют новые остеопластические материалы, призванные своим объемом, биологическими свойствами временно заместить недостающие участки кости. В теоретическом плане их принято подразделять на ординарные и активированные. К первым принадлежат материалы, разработанные преимущественно в XX веке. Например, алло- и ксеногенный костный матрикс, синтетические фосфаты кальция, биостекла и др. Активированным материал становится тогда, когда в его структуру инкорпорируются или биологически активные молекулы — ДНК, РНК, остеогенные протеины, или живые клетки. В последнем случае такой костный имплантат приобретает свойства тканеинженерной конструкции.

Некоторые из таких материалов, помимо остеокондуктивного действия, обладают полноценной остеоиндукцией — способностью активизировать гитотипическую репаративную регенерацию костной ткани, что приближает их к механизму действия костных аутотрансплантатов [2].

Согласно вышеприведенным теоретическим предпосылкам, был создан отечественный продукт — Гистографт — ген-активированный остеопластический материал, состоящий из гранул октакальциевого фосфата (ОКФ) диаметром до 1 мм. Его чрезвычайно развитая поверхность, образованная ламеллями кристаллов фосфатов кальция (рис. 1), покрыта сверхскрученными плазмидами, включающими кассету с геном сосудистого эндотелиального фактора роста (vegf165) [3] — действующее вещество лекарственного препарата (МНН Камбиогенплазмид), показанного для лечения пациентов с хронической ишемией нижних конечностей [4—9].

Рис. 1. Поверхность гранулы ОКФ, подготовленной для нанесения активирующего раствора ДНК. Сканирующая электронная микроскопия, ×5000.

Механизм действия ген-активированного материала обусловлен последовательным и синергичным эффектом входящих в него компонентов. Хорошо смачиваемые гранулы ОКФ заполняют костный дефект и направляют рост формирующегося гистотипического регенерата, постепенно резорбируясь и замещаясь им, а молекулы плазмидной ДНК с геном VEGF165, высвобождаясь в зоне костной пластики, поступают в клетки реципиентного ложа — малодифференцированные «механоциты», эндотелий, и, трансфецируя это микроокружение, локально обеспечивают пролонгированный синтез устойчивых локальных концентраций морфогенетического фактора — белка VEGF, который индуцирует ангиогенез. Формирующиеся сосуды в свою очередь увеличивают интенсивность репаративного остеогенеза за счет как усиления локальной оксигинации, так и привнесения клеток-предшественниц в зону регенерации [3].

Материал был зарегистрирован в качестве остеопластического в 2019 г. и разрешен для костной пластики в хирургической и стоматологической практике, став первым в мире медицинским изделием данной группы, одобренным для клинического применения. С 2020 г. с использованием этого ген-активированного материала костная пластика была выполнена уже более чем 3000 пациентов с атрофией альвеолярных гребней челюстей. В хирургической стоматологии эффективность изделия при рутинном применении подтверждена на гистологическом уровне (рис. 2). Качественный и количественный гистоморфометрический анализ с определением долей вновь образованной костной ткани, сохранившихся фрагментов остеопластического материала, волокнистой соединительной ткани продемонстрировал надежное формирование механически прочной костной ткани в зонах будущей имплантации.

Рис. 2. Гистотопограмма репрезентативного биоптата из области костной пластики (челюстно-лицевая хирургическая практика), 6 мес после вмешательства.

а — гистологический срез, окраска гематоксилином и эозином; б — разметка тканей: коричневый — пластинчатая костная ткань, желтый — новообразованная ретикулофиброзная костная ткань, зеленый — реактивно-измененная соединительная ткань, синий — фиброзная ткань, коричневый — тканевый детрит, голубой — остаточные объемы костнопластического материала.

Стандарт выполнения исследования предполагает проведение микрокомпьютерной томографии для оценки распределения гранул материала в объеме биоптата, декальцинацию и изготовление плоскостных срезов с последующей оцифровкой и проведением морфометрии для определения долей тканей регенерата — новообразованной ретикулофиброзной (грубоволокнистой) и пластинчатой костной ткани, реактивно-измененной соединительной ткани, остаточных объемов костнопластического материала. Ранее было показано, что при анализе множества биоптатов доля воссозданного объема минерализованной костной ткани достигает 40—50%, а это приближено к значениям доли костной ткани в губчатом веществе нативной кости. Важно отметить, что в сравнительном эксперименте при применении материала из костного матрикса и ген-активированных гранул ОКФ у животных последний индуцировал формирование костной ткани в объеме, статистически значимо большем, чем лидирующий на рынке ксеногенный материал. Кроме этого, приближенность ОКФ активированного геном эндотелиального сосудистого фактора роста к естественным характеристикам костного минерала придает ему свойство своевременной резорбции. Во всяком случае, по этому показателю синтетический материал опережает обработанную ксеногенную кость, которая нередко находится в костной ране в неактивном состоянии, не индуцируя гистогенетические процессы, а в ряде случаев инкрустируя рубцовую ткань.

Ген-активированный материал широко применяется для восстановления костей в связи с необходимостью подготовки ложа последующей дентальной имплантации.

Цель настоящего исследования — демонстрация клинических случаев из практики челюстно-лицевой хирургии, травматологии и ортопедии, где предпринятый биотехнологический подход к реконструкции костей признан эффективным.

Лечение выполнено в рамках инициативного клинического исследования ген-активированного материала для лечения пациентов с дефектами костей челюстно-лицевой области (NCT03076138).

Пациентка, 55 лет, обратилась с жалобами на частичное отсутствие зубов в области нижней челюсти слева (3.6, 3.7), нарушение жевания. Зубы были удалены более 5 лет назад, что привело к атрофии альвеолярной части нижней челюсти по высоте и ширине. Принято решение первым этапом хирургического лечения выполнить костную пластику. Остеопластический материал Гистографт использовали в чистом виде (без смеси с аутокостной крошкой) под титановой сеткой, применяющейся для стабильной фиксации гранулированных материалов в зоне костной пластики при аугментации по высоте. Через 6 мес на контрольных компьютерных томограммах под сеткой выявлен регенерат высокой плотности; прирост костной ткани признан достаточным для установки дентальных имплантатов. В ходе второго этапа хирургического лечения титановая сетка была извлечена, под ней обнаружен костный регенерат со сформированной кортикальной пластинкой, выполнена дентальная имплантация. По истечении 3 мес имплантаты были использованы в качестве опоры для коронок. К настоящему времени от момента костной пластики прошло уже более 2 лет, в течение которых сохранен устойчивый хороший анатомо-функциональный результат операции.

Операция выполнена в рамках инициативного клинического исследования ген-активированного материала для лечения пациентов с ложными суставами длинных костей конечностей (NCT04705857).

Мужчина Ю., 30 лет, перенес открытый оскольчатый диафизарный перелом левой бедренной кости. Выполнена закрытая репозиция, остеосинтез бедренной кости, наложен аппарат внешней фиксации, который был перемонтирован через 6 мес в связи с развившимся остеомиелитом. Пациент предъявлял жалобы на боль и ограничение движений в тазобедренном суставе.

В связи с формированием диафизарного дефекта пациенту был установлен цементный антибактериальный спейсер, который удален еще через 3 мес. При этапном лечении через 2 мес выполнена операция в объеме: удаление антибактериального спейсера. Комбинированная костная пластика дефекта бедренной кости аутотрансплантатами из гребня подвздошной кости, левой малоберцовой кости и ген-активированным костно-пластическим материалом (рис. 3). На контрольном рентгенографическом исследовании, выполненном через 3 мес после операции, подтверждена консолидация бедренной кости, устранение дефекта. Опороспособность и функция конечности были восстановлены, болевая симптоматика устранена, пациент продолжает реабилитацию.

Рис. 3. Этапы операции пациента Ю.

а — рентгенограмма левого бедра, в дефекте установлен антибактериальный спейсер; б — костно-пластический материал смешан с кровью перед имплантацией; в — ген-активированный материал уложен в шприц без носика для удобной доставки в зону дефекта; г — раскрытая операционная рана, материалы для костной пластики находятся в ортотопическом ложе; д — рентгенограмма левого бедра после операции.

Ген-активированный остеопластический материал начал активно внедряться в клиническую практику, открывая новые возможности для эффективного лечения пациентов с костной патологией: атрофической утратой костного вещества, дефектами альвеолярных гребней челюстей, ложными суставами длинных трубчатых костей, посттравматическими деформациями костей, кистами, опухолевыми и опухолеподобными поражениями костей, асептическими некрозами субхондральных участков костей и при других показаниях.

Знание и применение на практике принципов генной активации и даже регулирования гистогенетических процессов, включая регенерацию, в сочетании с хирургией надлежащего качества по показаниям открывают новые перспективы для врачебной практики.

Авторы выражают глубокую признательность за многолетний совместный труд ведущим специалистам страны — материаловедам и хирургам члену-корреспонденту РАН, д.т.н., проф. В.С. Комлеву, д.м.н., проф. А.Ю. Дробышеву, д.м.н., проф. В.В. Хоменцу.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Все авторы подтверждают соответствие своего авторства согласно международным критериям ICMJE.