Костные дефекты, возникшие после остеодеструктивных инфекционных или онкологических процессов, нуждаются в органотипическом восполнении для восстановления функции скомпрометированных сегментов опорно-двигательного аппарата. Востребованность материалов, способных восполнить имеющийся дефицит костной ткани, увеличивается с каждым годом [1; 2]. В настоящее время более 2 млн пациентов по всему миру нуждаются в оперативных вмешательствах по имплантации биоактивных материалов, способных заместить дефекты костной ткани различной этиологии [3-5].
Используемые в костнопластических операциях биоматериалы достаточно быстро превратились из исключительно биологических инертных материалов в материалы, способные оказывать стимулирующее влияние не только на специализированный клеточный дифферон, но и оптимизировать и даже потенцировать необходимые специфические реакции, происходящие на молекулярном уровне. Поэтому в настоящее время принцип разработки биологических материалов заключается в наращивании способности имплантатов оказывать активное стимулирующее влияние на окружающие ткани, а идеальная имплантируемая субстанция должна обладать способностями индуцировать благоприятное микроокружение и стимулировать остеогенную дифференцировку клеток плюрипотентных клеток-предшественников [2; 6; 7].
Цель исследования – изучить характеристики и влияние имплантатов на основе фосфатов и силикатов кальция на процессы регенерации костной ткани на основе литературных данных.
В ходе написания обзора литературы были изучены и проанализированы отечественные и зарубежные статьи, посвященные использованию фосфатов и силикатов кальция для замещения дефектов костной ткани, изучен их регенераторный потенциал. Выявленные при анализе литературных данных преимущества и недостатки данных материалов позволят выбрать вектор для дальнейших исследований и разработок.
Идеальным материалом для остеопластики всегда считалась аутокость, которая имеет ряд безусловных преимуществ по сравнению с другими имплантами. Одним из основных положительных эффектов применения аутокости является полное отсутствие иммунологических и специфических инфекционных осложнений после имплантации. Также необходимо отметить, что аутотрансплантаты обладают не только остеокондуктивным и остеоиндуктивным эффектом, обусловленным наличием остеогенных клеток и клеток предшественников, но и способностью остеоинтеграции без формирования отграничивающей капсулы вокруг имплантируемого материала [8-10]. Аутотрансплантат из гребня подвздошной кости является общепринятым «золотым стандартом», и его достаточно широко применяют с середины ХХ века по настоящее время [11-13]. Но применение аутологичной костной ткани не лишено и недостатков. Так, у пациентов в послеоперационном периоде достаточно часто встречаются осложнения в виде хронического болевого синдрома в зоне забора материала, неврологических нарушений, связанных с повреждением латерального кожного, подвзошно-подчревного, подвздошно-пахового или бедренного нервов [11; 14; 15], перелома кости в «донорском» месте, формирования гематом, сером [16; 17], неспецифических общих и местных инфекционных процессов, а также выраженной резорбции костного аутотрансплантата, которая может достигать 40% от его исходного размера [18-20].
Известно, что кость представляет собой минерализованную матрицу, состоящую на 65% из фосфатов кальция (ФК). Остальные 35% занимают органические компоненты, представляющие собой преимущественно коллагены 1 типа, и разнообразные фракции неколлагенированных белков и жидкость [21].
Прежде считалось, что потенцирующими остеогенез качествами характеризуются только аутотрансплантаты, но с течением времени эта позиция изменилась [11]. Обоснованно предполагается, что скаффолды из искусственных биоматериалов обладают схожими свойствами, хотя и считаются менее остеоиндуктивными [11; 22]. Изучая процессы репаративного остеогенеза, многие авторы уделяют особое внимание наличию и распределению микроэлементов в зоне повреждения кости. Известно, что во время новообразования остеоидной ткани происходит увеличение концентрации фосфора, кальция, кремния. Отмечается, что в начале репаративных процессов в межклеточной жидкости происходит повышение уровня концентрации кремния в 150-200 раз, которая постепенно снижается, а концентрация фосфора и кальция, напротив, становится выше [23]. В связи с этим выглядит обоснованным применение искусственных имплантируемых материалов, с определенным остеоиндуктивным и остеокондуктивным потенциалом, включающих эти микроэлементы.
Фосфаты кальция (ФК)
В настоящее время в травматологии и ортопедии наиболее широко используются биоматериалы, содержащие в своем составе ФК, поскольку по своему строению они наиболее близки к минерализованному костному матриксу. Доказано, что имплантаты на основе ФК являются биосовместимыми, биоактивными и поддерживают формирование кости вокруг имплантата. Результаты опубликованных исследований показывают, что ФК могут благоприятно влиять на прикрепление, пролиферацию и распространение макрофагов, а также способствовать экспрессии генов цитокинов, связанных с воспалением (IL-1, IL-6, MCP-1) и последующим ростом ткани. Также уделяется внимание воздействию ФК на остеогенную дифференцировку МСК (мультипотентных стволовых клеток), что было подтверждено экспрессией генов специфических остеогенных маркеров [24; 25].
Особенность фосфатов кальция заключается в макро- и микроструктуре. На поверхности имплантатов имеется большое количество пор размером от 300 до 500 мкм, что позволяет новообразованной ткани использовать его как матрицу. Wang и соавторы считают, что такая пористость играет решающую роль в процессах васкуляризации и остеоиндукции. Неоспоримое значение имеют в основном микропоры оптимальным размером около 50 мкм; считается, что благодаря микропористости увеличивается площадь поверхности, тем самым улучшается адсорбция белков, ионный обмен и образование минерализованной ткани [24; 26; 27]. Было высказано предположение, что адсорбция белков происходит из-за электростатических взаимоотношений, с одной стороны, это положительно заряженные ионы Са, а с другой – ионы Р, имеющие отрицательный заряд. Группа ученых в 2016 году опубликовала статью, посвященную использованию гидроксиапатита для замещения дефектов костных тканей. Ими было установлено, что процессы остеогенеза протекают на поверхности имплантата и рядом с ним, но при этом процессов роста костной ткани в структуре не происходило, что с течением времени приводило к формированию соединительной ткани в центре имплантата [24; 28; 29].
В 2016 году в Бразилии вышла статья, в которой сообщалось об использовании фосфатов кальция с целью замещения крупных костных дефектов у экспериментальных животных. Согласно полученным данным авторы сделали вывод, что имплантаты на основе фосфатов кальция являются остеоиндуктивными и способными стимулировать новообразование костной ткани [30].
В 2021 году Jacek Gagala опубликовал результаты своего клинического наблюдения по применению гидроксиапатита при ревизионном эндопротезировании тазобедренного сустава у пациентов. В течение 10 последующих лет после оперативного вмешательства все пациенты находились под наблюдением. Клинико-рентгенологическое обследование проводилось спустя 3 месяца после операции и затем 1 раз в год ежегодно. У одного из пациентов спустя 12 месяцев после операции произошла миграция имплантированной конструкции. Остальные пациенты в течение всего срока наблюдения не отмечали каких-либо негативных последствий [31].
ФК широко используются в клинической практике для восполнения дефектов костной ткани, однако они не лишены своих недостатков, так, например, существует проблема биодеградации данного типа имплантатов. Медленная резорбция ингибирует процессы остеоинтеграции, а быстрая резорбция может привести к недостаточному заполнению костного дефекта [32].
Силикаты кальция (СК)
Сравнительные исследования формирования костной ткани при имплантации синтетической КФК (кальций-фосфатная керамика) и ФК (фосфат кальция), включающих в свою структуру химически связанный кремний, показывают, что кремнийсодержащие материалы обладают высокой биоактивностью. Это может быть связано с Si-индуцирущим изменением свойств материала, а также важной ролью кремния в физиологических процессах роста [33-35]. Неоваскуляризация является одной из важный проблем, с которой сталкивается развитие тканевой инженерии. Средняя скорость развития сосудов составляет несколько десятых микрометров в день, что крайне мало для активных регенераторных процессов. Стимулирование процессов ангиогенеза выделено как одно из основных направлений регенераторной медицины. Физиологические процессы ангиогенеза регулируются сложным взаимоотношением биофизических и биохимических процессов. Поэтому одним из основных требований к биоактивному материалу является способность индуцировать процессы образования новых сосудов [36-38]. Кремнийсодержащие имплантаты поддаются постепенной биологической деградации, по мере которой постепенно высвобождаются ионы, способствующие остео- и ангиогенезу. Ионы кремния способны усиливать функции эндотелиальных клеток посредством активации сосудистого эндотелиального фактора роста (VEGF), основного фактора роста фибробластов.
В 1972 году группа ученых доказала и подтвердила, что кремний необходим для нормального формирования соединительной, хрящевой и костной ткани. Роль кремния в процессах роста остеоидной ткани подтверждается данными рентгеноспектрального анализа, свидетельствующими о большой его концентрации в местах роста молодой кости, отмечается, что максимальные концентрации кремния располагаются в цитоплазме остеобластах [23]. Концентрация кремния в зонах остеогенеза повышается до 25 раз. На примере остеобластов и ССК (стромальных стволовых клеток) было показано, что ортофосфорная кислота потенцирует процессы дифференцировки остеобластов и повышает концентрацию маркеров остеогенеза, включая PICP [39; 40]. Керамические соединения на основе силикатов обладают лучшими остеоинтегративными свойствами. Исследования, проводимые с биостеклами, показывают, что атомная структура веществ улучшает процессы полимеризации, что в свою очередь усиливает абсорбцию белковых молекул на поверхности имплантата и служит своеобразной матрицей для прикрепления, дифференциации и пролиферации стволовых клеток. Состав биоактивных стекол разработан так, чтобы их поверхность вступила в химическую реакцию с определенными компонентами окружающей физиологической среды и образовывалась химическая связь ткани с внедрением. Moorthi и соавторы отмечают, что биостекла стимулируют экспрессию цитокинов, что приводит к активизации остеобластов [38; 41]. Зарубежные авторы отмечают, что кремний способен значительно увеличить экспрессию остеогенного гена, включая не только ранние маркеры остеогенеза, такие как коллаген 1 типа и щелочную фосфатазу, но и остеокальцин [37; 42]. Chen и др. сообщили, что ионы кремния могут ингибировать секрецию провоспалительных цитокинов и факторов, усиливающих фиброз макрофагов, а кондиционированная среда из макрофагов способна усиливать остеогенную дифференцировку мультипотентных стволовых клеток костного мозга. Многие исследования последних лет подтвердили, что кремниевая биокерамика может модулировать микроокружение воспаления, влияя на поведение макрофагов, способствуя остеогенной дифференцировке стволовых клеток. Li и др. доказали, что биокерамика способна усилить иммунорегуляторную функцию, а также стимулировать макрофаги, что создавало благоприятную иммунную микросреду для дифференцировки МСК по остеогенному пути [43; 44].
В 2014 году в ходе изучения процессов формирования костной ткани в условиях эксперимента на животных было установлено, что биоактивные имплантаты на основе биостекол обладают хорошим регенераторным потенциалом, но из-за их быстрой биодеградации использовать их как остеоиндуктивный и остеокондуктивный каркас не представляется возможным [45].
Согласно данным метаанализа, проведенного группой ученых в 2018 году, было установлено, что совместное использование фосфатов кальция и силикатов для замещения дефектов костной ткани показывает сравнительно лучшие результаты, нежели разрозненное их применение. Так как за счет своей комбинации они потенцируют остеорегенераторное действие друг друга, силикаты стимулируют остеогенную дифференцировку популяции клеток предшественников и связываются с окружающими тканями, что обусловлено их поверхностной реактивностью, а фосфаты демонстрируют хорошие остеокондуктивные свойства [46].
Khandmaa Dashnyam и соавт. в 2019 году опубликовали полученные данные проведенного экспериментального исследования. Авторами было отмечено, что имплантируемое вещество, покрытое силикатной оболочкой, ускоряло процессы образования гидроксиапатита. Клеточный регенераторный остеогенный потенциал был также подтвержден усиленной экспрессией остеогенных генов (Col1a1, ALP и OCN). При имплантации в дефект голени крысы каркас, покрытый силикатной оболочкой, продемонстрировал значительно улучшенное костеобразование (увеличение объема и плотности кости в 2-3 раза) с одновременными признаками проангиогенеза [37].
Другое исследование было опубликовано испанскими учеными в 2020 году, они изучали процессы остеогенеза при имплантации гранул с различными сочетаниями фосфатов и силикатов кальция. Отличительной особенностью этой работы было применение высокотемпературной керамики (спекание при температуре 1400°), авторами отмечался остеогенный эффект, полученный влиянием состава имплантата на мезенхимальные клетки и стимулирование их пролиферации по остеогенному пути [47].
Таким образом, основным из недостатков применения силикатов является их быстрая биодеградация, то есть они не могут служить матрицей для постепенного восстановления тканей, так как являются по большей части остеоиндуктивными.
Проведя анализ доступных отечественных и зарубежных литературных источников по теме замещения костных дефектов, обращаем внимание на то, что до сих пор не найден «оптимальный» биоимплантат, обладающий свойствами остеокондукции и остеоиндукции, при этом полностью биосовместимый и биорезорбируемый с течением времени, а также способный постепенно замещаться полноценной костной тканью.
Имеется большое количество работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных применению фосфатов и силикатов кальция с целью восстановления недостающей костной ткани. К сожалению, работ, посвященных непосредственному совместному применению фосфатов и силикатов кальция в структуре биоактивного имплантата, не так много, несмотря на активное стимулирующее действие данных веществ.
Учитывая все изложенное, видится возможным создание имплантата, который в своем составе будет содержать оптимальное количественное соотношение фосфатов и силикатов кальция, чтобы оказывать активное стимулирующее действие на процессы репаративного остеогенеза в дефектах костной ткани.