Ектопічне кісткоутворення - Тканинна інженерія - Хірургія та лікування

Існують парадокс, згідно з якимостеогенез у м'яких тканинах може протікати і без прямого введення МБК. Зокрема, при травмах у м'язах, міжм'язовому просторі, у місцях скупчення пухкої сполучної тканини та у клітковині, де утворюється гематома, може ініціюватися процес її осифікації з утворенням незрілого остеоїду (Корж, 1981; Миронов та ін., 1997). Патофізіологія цього процесу залишається незрозумілою.

Інший феномен, що представляє нам інтерес, спостерігається при підшкірному або внутрішньом'язовому введенні пористих кальціофосфатів (КФ) експериментальним тваринам. Вже через 1-2 місяці на поверхні утворюється незріла кісткова тканина. При цьому слід підкреслити, що не всі КФ мають здатність до остеоіндукції. Її прояв залежить як від властивостей самого матеріалу, так і особливостей організму тварин-реципієнтів (Li et al., 1993; Klein et al., 1994; Li, 1994; Yuan et al., 1999). Так, у різних видів тварин феноменектопічного кісткоутворення йде по-різному. Найбільш активно він протікає у собак, найменшою мірою - у мишей, кроликів та хом'ячків, що пов'язують із різним рівнем метаболічної активності та кровопостачання тканин (Klein et al., 1994).

Потрібно, щоб поверхня КФ імітувала структуру кісткової тканини, тобто. мала пори, діаметр яких має бути порівняним з діаметром остеонів 100-300 мкм. При меншому або більшому розмірі доби процес ОІ практично не спостерігається (Groot, 1973; Bruijn, 1993; Daculsi, 1999).

Малоймовірно, що КФ власними силами мають ОІ здатністю. Для цього феномена необхідно кілька обов'язкових умов (Chalmers et al., 1974):

Наявність остеогенних клітин-попередників.
Оптимальна концентраціяспецифічного регулятора(ів) (МБК).
Наявність специфічного кісткового мікрооточення.

У м'яких тканинах завжди присутні циркулюючі остеогенні прекурсори та допоміжні клітини, які теоретично здатні заселяти КФ імплантати (Хем, Кормак, 1983; Албертс та ін, 1994). Кальціофосфати в системах in vitro та in vivo мають здатність до адгезії на своїй поверхні стовбурових клітин, остеобластів, остеокластів, клітин кісткового мозку і моноцитів (Grundel et al., 1991; Camerino et al., 2000; Kim et al., 20 et al., 2000; Rice et al., 2000). Остеогенні прекурсори разом із допоміжними клітинними елементами (лімфоцитами, макрофагами, ендотелією тощо), очевидно, створюють на КФ необхідне кісткове мікрооточення (Groot, 1981; Bruijn, 1993; Li, 1994).

Встановлено, що КФ є промоторами проліферації остеобластичних клітин та викликають їх активацію (Winn et al., 1999; Kim et al., 2000). Залежно від наявності фтору, карбоксильної групи, частки аморфної фази виявляють у культурі тканини різну здатність до індукції адгезії, проліферації та диференціювання остеогенних прекурсорів. Так, фенотипічний маркер остеобластів - лужна фосфатаза зростала в 1-6 разів при використанні апатиту, в 2-6 разів -на карбоксилапатите, в 3-10 разів - на кальцій-дефіцитному апатиті (Oreffo et al., 1998). З іншого боку, процес прикріплення клітин до КФ протікає гірше, якщо збільшується аморфна фаза (Kim, 2000).Чим вище кристалічність гідроксиапатиту (ГА), тим вище його здатність підтримувати процеси адгезії, проліферації та диференціювання остеогенних клітин у присутності МБК (Melican et al., 1998). Найкраще адгезія, проліферація та диференціювання фібробластів кісткового мозку протікають на висококристалічному ГА зутворенням 70% остеобластів, які продукують колаген. Особливо слід підкреслити, що аморфні апатити мають цитотоксичний ефект, що робить їх мало прийнятними з позиції біосумісності (Oreffo et al., 1998).

Багато в чому анологічні дані були отримані нами щодо ОК і ОІ, адгезії клітин і протеїнів на КФ кераміці з різним ступенем кристалічності.

Після адгезії остеогенні клітини під час створення необхідних умов можуть формувати кісткову тканину. Так, пориста ГА кераміка у поєднанні з кістково-мозковими клітинами, отриманими від мишей або людини, при імплантації під шкіру Nude мишам зазнає фіброваскулярної трансформації з подальшим утворенням кістки ламілярної кістки до 4-8 тижня досвіду. Замість кісткового мозку може бути використана культура фібробластів (Ohgushi et al., 1990; 2000). Присутність колагену посилює здатність КФ до адгезії клітин (Hsu et al., 1999).

При поміщенні КФ в кісткову тканину остеогенні клітини починають мігрувати їх поверхнею, поступово заселяючи всю вільну територію. Мінерал відіграє роль своєрідних будівельних риштувань. Цей процес отримав назву остеокондукції (OK) (Bruijn, 1993). При цьому, як правило, кісткова тканина розростається не тільки по поверхні КФ, але і впроваджується за рахунок остеокластичного ремоделювання всередину КФ, а також утворює своєрідну муфту навколо імплантату (Groot, 1981; Mendes et al., 2000). Експансія кісткової тканини всередині КФ є невід'ємною частиною процесу остеоінтеграції. У дослідах на кроликах при використанні імплантації частинок ГА в великогомілкову кістку, за допомогою рентгенологічного та гістологічного дослідження було виявлено, що утворення нової кістки починалося з 4 по 8 тиждень. При цьому формування кістки починалося між частинками ГА такортикальною кісткою. У контрольній групі формування нової кістки не відбувалося. Афінітивний індекс параметрів остеогенезу становив: 0% на 2 тиждень, 52,2+14,0% - 4 тиждень, 74,8+5,3% - 8 тиждень, 86,1+6,1% -12 тиждень, 90, 1+8,3% - 24 тиждень та 92,8+4,1% на 40 тиждень досвіду (Sato et al., 1998).

Концентрація циркулюючого в крові МБК недостатня, щоб стимулювати процеси проліферації та диференціювання кісткових клітин-попередників, що прикріпилися до поверхні КФ (Groot, 1973, 1981). Для того, щоб створити оптимальний рівень остеогенних ростових факторів, КФ включають механізм адсорбції протеїнів (Berkele, 1998). Здатність МБК зв'язуватися з ГА і ТКФ одним із перших встановив М. Urist (Urist et al., 1984). Пізніше було підтверджено, що КФ мають здатність до абсорбції або адсорбції МБК і створюють при цьому необхідну концентрацію, що забезпечує нормальну роботу для остеогенних прекурсорів (Li, 1994; Vehof et al., 2000). Можна вважати, що в даному випадку КФ є своєрідною пасткою для МБК і, ймовірно, інших ростових факторів, необхідних для підтримки процесів проліферації та диференціювання остеогенних клітин-попередників з подальшою трансформацією їх в остеобласти та утворенням кісткової тканини. Цю думку підтверджують дані, в яких за допомогою імунологічних методів було показано, що пористий ГА здатний до специфічного зв'язування циркулюючих МБК і остеопонтину. Було висловлено гіпотезу у тому, що ОІ властивості КФ проявляються з допомогою так званої геометричної індукції кісткової тканини. При цьому поверхня КФ забезпечує збереження інформації про форму тканини, властивої ембріонального періоду розвитку організму і відіграє роль тригера, який контролює вхід або вихід клітин у фазу росту та диференціювання (Thomas et al., 2001).

Інший механізм створення необхідної концентрації МБК та інших ростових факторів, необхідних для остеогенезу, може полягати у стимуляції їхньої ендогенної продукції з навколишньої тканини, на що вказують досліди, проведені з вивчення ектопічного кісткоутворення на мавпах (Ripamonti, 1995). Виявилося, що частки β-ТКФ при імплантації в великогомілкову кістку щура на 3 добу викликають експресію мРНК для вироблення проколагену в остеобластах. Потім до 7 діб спостерігається достовірне зростання мРНК, що відповідають за вироблення матричних протеїнів кісткової тканини - остеонектину, остеопонтину та остеокальцину, з утворенням навколо частинок кістки (Ohsawan et al., 2001).

Таким чином, представлені дані та результати власних досліджень дозволяють висловити гіпотезу про те, що феномен утворення остеогенної тканини на КФ при імплантації їх у м'які тканини є опосередкованим механізмом. Самі по собі КФ не мають прямих остеоіндуктивних властивостей. Феномен ектопічного костеоутворення має опосередкований характер (Карлов та ін., 1999, 2000; Shakhov et al., 2000). КФ при введенні в організм взаємодіють з циркулюючими остеогенними прекурсорами та допоміжними клітинами (макрофагами, лімфоцитами, ендотелією тощо), що є в навколишніх тканинах. В результаті створюється специфічне кісткове мікрооточення, очевидно через каскадоподібні механізми.

Крім того, КФ є своєрідною пасткою для ростових остеогенних факторів навколишнього середовища. Відбувається процес зв'язування КФ з циркулюючими в крові та тканинної рідини МБК, збільшуючи їхню локальну концентрацію. При цьому не виключається можливість ендогенного вироблення МБК з навколишніх тканин під стимулюючою дією КФ на клітини. Біодеградація КФ створює необхідну концентраціюіонів кальцію та фосфору, які є промоторами для остеобластів. Внаслідок цього відбувається стимуляція процесів проліферації та диференціювання остеогенних прекурсорів з трансформацією їх у спеціалізовані клітини та утворенням нової кісткової тканини. Цей механізм, очевидно, є універсальним, заснованим на феномен структурно-функціональної відповідності неорганічної та органічної складових кісткової тканини (Карлов, Шахов, 1999, 2000).

А.В. Карпов, В.П. Шахов Системи зовнішньої фіксації та регуляторні механізми оптимальної біомеханіки