Регенеративная медицина в ортопедической хирургии в Израиле

Концепция "бриллианта"

Классическая концепция костной регенерации включает три основных компонента: клетки, обладающие остеогенным потенциалом, факторы роста, стимулирующие их пролиферацию и дифференцировку, и остеокондуктивный матрикс (скаффолд), обеспечивающий структурную поддержку. Эта триада в идеале реализуется при использовании аутологичных костных трансплантатов, до сих пор остающихся "золотым стандартом".

В 2007 году исследователи предложили дополнить классическую концепцию, назвав ее "бриллиантовой" (diamond concept). Они подчеркнули важность еще двух факторов: васкуляризации, обеспечивающей доставку кислорода и питательных веществ, и механической стабильности в зоне регенерации. Адекватное кровоснабжение и отсутствие микродвижений создают оптимальные условия для остеогенеза, остеоиндукции и остеокондукции.

Клеточные технологии

Одним из ключевых компонентов регенеративной медицины являются мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки (ММСК), способные дифференцироваться в остеобласты, хондроциты, адипоциты и другие клетки. Основными источниками ММСК служат костный мозг и жировая ткань. Аспират костного мозга, концентрат ММСК или стромально-васкулярная фракция жировой ткани могут вводиться в область повреждения путем инъекций или в составе тканеинженерных графтов.

Количество и функциональная активность ММСК зависят от возраста, пола, наличия сопутствующих заболеваний, а также методики их получения. Важным этапом является культивирование клеток на скаффолде с факторами роста. Сочетание ММСК, остеокондуктивного матрикса и индуктивных молекул позволяет достичь синергичного эффекта, сравнимого с аутотрансплантацией кости.

Факторы роста

В естественном процессе заживления переломов ключевую роль играют факторы роста и другие биологически активные молекулы, высвобождаемые из тромбоцитов, макрофагов и матрикса кости. Наиболее важными для остеогенеза являются костные морфогенетические белки (BMPs), факторы роста фибробластов (FGFs), тромбоцитарный фактор роста (PDGF), инсулиноподобные факторы роста (IGFs) и др. Их экзогенное введение призвано усилить эндогенные регенеративные механизмы.

Обогащенная тромбоцитами плазма (PRP) - один из источников естественного комплекса факторов роста. PRP получают центрифугированием крови пациента и широко применяют для стимуляции регенерации костей, суставов, связок и сухожилий. Эффект PRP реализуется за счет высвобождения PDGF, TGF-β, VEGF, IGF и других белков из альфа-гранул тромбоцитов.

Рекомбинантные костные морфогенетические белки, в первую очередь rhBMP-2 и rhBMP-7, обладают мощным остеоиндуктивным действием благодаря способности привлекать ММСК и стимулировать их дифференцировку в остеобласты. Для локального введения rhBMP применяют в комбинации с коллагеновыми губками или другими биодеградируемыми носителями. Несмотря на хорошие клинические результаты, высокая стоимость и ряд побочных эффектов пока ограничивают широкое применение рекомбинантных факторов роста.

Стимуляция регенерации хрящевой и костной тканей

Важные результаты получены группой доктора Амира Хейза из ортопедического отделения медицинского центра Хадасса (Иерусалим) в исследованиях рекомбинантного человеческого амелогенина (recombinant human amelogenin protein, rHAM+) - белка, играющего ключевую роль в развитии зубной эмали. В экспериментах на крысах с моделью остеохондральных дефектов коленного сустава однократное введение rHAM+ в область повреждения привело к значительному улучшению структуры суставного хряща и субхондральной кости по сравнению с контрольной группой. Полученные данные открывают перспективы для разработки нового метода лечения травматических и дегенеративных повреждений суставного хряща на основе амелогенина.

Остеокондуктивные скаффолды

Скаффолды - это биосовместимые материалы, имитирующие структуру и свойства естественного внеклеточного матрикса костной ткани. Идеальный скаффолд должен обладать развитой пористой архитектоникой для прикрепления и миграции клеток, адекватной жесткостью и прочностью, а также способностью к биодеградации в темпе, согласованном с образованием новой кости.

Для замещения дефектов кости, наряду с ауто- и аллотрансплантатами, применяют различные синтетические остеокондуктивные материалы: биокерамику на основе гидроксиапатита, трикальцийфосфата, биоактивные стекла и биодеградируемые полимеры. Благодаря развитию технологий 3D-печати стало возможным изготовление индивидуальных скаффолдов, точно соответствующих геометрии дефекта. Остеокондуктивные свойства скаффолдов можно усиливать биофункционализацией поверхности и нагрузкой факторами роста.

Хирургические методы

Для реконструкции обширных дефектов длинных костей применяют методы дистракционного остеогенеза по Илизарову, индуцированной мембраны (Masquelet) и васкуляризированные костные трансплантаты. Принцип дистракционного остеогенеза заключается в постепенном перемещении костных фрагментов с помощью аппарата внешней фиксации или внутрикостного дистрактора, что обеспечивает регенерацию кости в диастазе. Современные интрамедуллярные дистракторы с автоматическим управлением улучшили результаты и комфорт пациентов.

Техника индуцированной мембраны состоит из двух этапов. Вначале дефект заполняется цементным спейсером, который индуцирует образование биологически активной мембраны. Через 4-8 недель спейсер удаляется, а сформированная полость заполняется аутокостью и остеокондуктивными материалами. Мембрана служит источником факторов роста и барьером, предотвращающим резорбцию трансплантата.

Васкуляризированные костные трансплантаты на микрососудистых анастомозах применяют для реконструкции обширных дефектов кости в условиях нарушенного кровоснабжения (при остеонекрозах, облучении, рубцовых изменениях). Наличие собственных сосудов обеспечивает высокую жизнеспособность трансплантата, ускоренную перестройку и возможность гипертрофии. Чаще всего используют кортикально-губчатые трансплантаты из малоберцовой, лучевой кости, гребня подвздошной кости и др.

Биопринтинг - технология будущего

3D-биопринтинг - инновационное направление, интегрирующее возможности аддитивного производства и тканевой инженерии. Принцип биопечати заключается в послойном нанесении биочернил, содержащих живые клетки, факторы роста и биополимеры, с формированием трехмерных тканеподобных структур. Уникальность технологии состоит в возможности точного позиционирования нескольких типов клеток в архитектонике, имитирующей нативные ткани.

Клетки в форме сфероидов и микротканей встраиваются в гидрогелевый или полимерный каркас, который обеспечивает механическую поддержку и защиту на этапе культивирования и созревания импланта. За счет межклеточных взаимодействий и само-сборки отдельные модули постепенно интегрируются в единую функциональную ткань. В последние годы ведутся активные исследования по биопечати костной, хрящевой ткани и остеохондральных композитов с использованием коллагена, желатина, полисахаридов, фосфатов кальция и других "биочернил".

Одной из ключевых задач костного биопринтинга является обеспечение адекватной васкуляризации имплантов, особенно крупных размеров. Для этого предложено включать в процесс печати эндотелиальные клетки, формирующие примордии капилляров. Другим трендом является использование биореакторов для динамического культивирования биоконструкций, с контролируемой перфузией и биомеханической стимуляцией.

Сегодня регенеративная медицина располагает широким арсеналом средств и методов для решения сложных клинических задач ортопедии. Концептуальные подходы базируются на комбинации четырех основных компонентов: клеточных элементов, остеокондуктивных матриксов, индуктивных факторов и адекватных биомеханических условий. Тканевая инженерия, bio-inspired материалы и биопринтинг определяют вектор развития регенеративных технологий в ближайшем будущем.

Залогом успешной разработки и трансляции научных достижений в клиническую практику является интеграция знаний и опыта материаловедов, биологов, биоинженеров и врачей различных специальностей. Можно ожидать, что дальнейший прогресс регенеративной медицины приведет к повышению эффективности лечения множества ортопедических заболеваний, улучшению качества жизни пациентов и снижению инвалидизирующих последствий тяжелой костно-суставной патологии.