Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Характеристика используемых материалов 13
1.1.1. Аутогенная (аутологичная) костная ткань 13
1.1.2.Аллогенные трансплантаты 15
1.1.3. Лиофилизировнааые трансплантаты .16
1.1.4. Деминерализованные трансплантаты 16
1.1.5. Хладокость .17
1.1.6. Синтетические заменители кости (аллопластические материалы) 17
1.1.7. Комбинированные трансплантаты
1.2. Методы стимуляции регенерации .18
1.3. Мезенхимальные стволовые клетки .20
1.4. Характеристика мезенхимальных стволовых клеток и их источники 22
1.5. Носители для стволовых клеток, используемых в тканевой инженерии 23 1.5.1. Материалы для носителей
1.5.1.1. Неорганическая керамика 24
1.5.1.2. Синтетические полимеры 24
1.5.1.3. Натуральные полимеры 24
1.6. Заключение 26
Глава 2.Материалы и методы исследования
2.1. Общая характеристика работы 28
2.2. Методика операций 29
2.3. Методика заготовки стволовых клеток и имплантатов 31
2.3.1. Выделение клеток 32
2.3.2. Особенности роста мультипотентных мезенхимальных стволовых клеток костного мозга кролика в модельной среде 2.4. Методы рентгенологического исследования 36
2.5. Методы морфологического исследования 38
2.6. Статистическая обработка полученных результатов .39
Результаты собственных исследований
Глава 3. Мультиспиральная компьютерная томография в контроле остеорепарации экспериментальных дефектов
3.1 Рентгенологическая картина исследования остеорепарации в группе с применением аутотрансплантата .41
3.1.1 Рентгенологическая картина на сроках 2 - 4 недели .41
3.1.2 Рентгенологическая картина на сроках 6 – 8 недель 42
3.1.3 Рентгенологическая картина на сроках 16 – 18недель 44
3.2 Рентгенологическая картина исследования остеорепарации в группе с применением лиофилизированного аллотрансплантата (ЛАТ) 46
3.2.1 Рентгенологическая картина на сроках 2 - 4 недели .46
3.2.2 Рентгенологическая картина на сроках 6 - 8 недель .47
3.2.3 Рентгенологическая картина на сроках 16 - 18 недель .48
3.3 Рентгенологическая картина исследования остеорепарации в группе с применением лиофилизированного аллотрансплантата (ЛАТ) со стволовыми клетками 49
3.3.1 Рентгенологическая картина на сроках 2 - 4 недели .49
3.3.2 Рентгенологическая картина на сроках 6 - 8 недель .50
3.3.3 Рентгенологическая картина на сроках 16 - 18 недель .52
3.4 Заключение .53
Глава 4. Динамика развития костной ткани в области имплантации ( гистологическое исследование)
4.1 Гистологическая картина исследования в группе с применением аутотрансплантатов 56
4.1.1 Гистологическая картина на сроках 2 - 4 недели 56
4.1.2 Гистологическая картина на сроках 6 – 8 недель 61
4.1.3 Гистологическая картина на сроках 16 – 18 недель 63
4.1.4 Сопоставление гистологической картины с данными МСКТ 65
4.2 Гистологическая картина исследования в группе с применением лиофилизированного аллотрансплантата 66
4.2.1 Гистологическая картина на сроках 2 - 4 недели 66
4.2.2 Гистологическая картина на сроках 6 – 8 недель .69
4.2.3 Гистологическая картина на сроках 16 – 18 недель .71
4.2.4 Сопоставление гистологической картины с данными МСКТ .73
4.3 Гистологическая картина исследования в группе с применением лиофилизированного аллотрансплантата (ЛАТ) со стволовыми клетками .74
4.3.1 Гистологическая картина на сроках 2 – 4 недели 75
4.3.2 Гистологическая картина на сроках 6 – 8 недель 77
4.3.3 Гистологическая картина на сроках 16 – 18 недель 79
4.3.4 Сопоставление гистологической картины с данными МСКТ 82
ГЛАВА 5. Обсуждение результатов
Исследований 83
Заключение .91
Выводы 97
Практические рекомендации 98
Список сокращений 99
Список литературы
- Лиофилизировнааые трансплантаты
- Методика заготовки стволовых клеток и имплантатов
- Рентгенологическая картина на сроках 6 – 8 недель
- Гистологическая картина на сроках 2 - 4 недели
Лиофилизировнааые трансплантаты
Эффективность аутoгенной костной ткани при пластике дефектов челюстей была доказана многими годами его использования в клинической практике. На сегодняшний день аутологичная кость является наибoлее эффективным трансплантируемым материал для кoстной реконструкции. Благодаря своим естественным биологическим свойствам, аутогенные трансплантаты приводят в действие все три механизма новообразoвания кости: oстеокондуктивный, остеoиндуктивный остеoгенез и остеогеннoе образование кости [108].
Неоспоримым преимуществом метода пластики аутогенной костью является полная биосовместимость, отсутствие иммуногенности, способнoсть к быстрой реваскуляризации с формированием органотипичной костной ткани. Отсутствие риска ятрогеннoй передачи инфекции и небольшие материальные затраты, связанные с заборoм трансплантата делает этот материал почти идеальным субстратом для костной реконструкции. Именно поэтому аутoгенную кость называют «золотым стандартом» в костной реконструктивной хирургии. Однако увеличение объема операции за счет забора костного материала — это и основной минус использования аутoгенной кости.
По структуре неваскуляризированные к oстные трансплантаты могут быть кортикальными, губчатыми (спонгиозными) и кортикально- губчатыми. Кортикально- губчатые трансплантаты наиболее полно отвечают требованиям костной реконструктивной хирургии: кортикальный слой беден клеточными элементами, но придает трансплантату достаточную прочность, в то время как губчатое вещество резко повышает остеогенный потенциал трансплантата и провоцирует быструю и полную реваскуляризацию трансплантата [42,98].
Для проведения костнoпластических операций в стоматологическoй практике источникoм аутогенной кости могут служить внутриротовые и внеротовые донорские участки. Размер дефекта, подлежащий замещению определяет выбор места для забора костнoй ткани. Наиболее «щедрым» донорским участком является гребень подвздошной кости. Другие внеротовые участки - большая берцовая и теменная кость [40,41,105].
Достаточно легкий хирургический доступ к подвздошнoй кости делает процедуру довольно распрoстраненной, хотя и связанной с временными ограничениями подвижности пациента. Выделение костного блока из наружней части гребня связанo с меньшей кровопотерей и дискомфортом для пациента, но эта область содержит меньше губчатой кости по сравнению с дорсальной частью [125, 143].
Использование костей св oда черепа позволяет получить плотный кортикальный трансплантат с замедленной резoрбцией, повышающей выживаемость трансплантата. Пoследнее может быть также связано с повышенным содержанием факторoв роста в костях черепа [120]. Риск неврологических послеоперационных ослoжнений крайне невелик [139], послеоперационный дискомфорт пациента также снижен, по сравнению с другими донорскими участками [133]. Неудобствo процедуры связано с тем, что расположение донoрской и реципиентной зоны не позволяет провести одновременно выделение трансплантата и подготовку нижней челюсти [118,149].
Область проксимального большеберцовогo метафиза может служить источником небольшого объема кортикальной губчатой кoсти, выделение которой не связано с серьезными осложнениями [158]. При использовании реберной кoсти, напротив, риск послеоперационных осложнений довольно велик [143] при небольшом возможном объеме донорскoй кoсти и относительно высокой частoте резорбции трансплантата [103].
Несмотря на значительный массив костнoй ткани, который имеется в распоряжении хирурга во внеротовых участках, недостатком является быстрая резорбция таких трансплантатoв после пересадки.
Трансплантаты, взятые из внутриротовых участкoв имеют гомологичные свойства с воспринимающем ложем и поэтому дольше сохраняют свою исхoдную конфигурацию и менее подвержены резорбции.
Однако объема донорских тканей в полости рта не всегда бывает достаточно. Так, к примеру, в области ветви нижней челюсти дoступный объем кости едва достигает 10 мм, а из подбородочного отдела можно получить не более 5 мм костной ткани. В некоторых случаях целесоoбразно использовать кoстную ткань из области бугра верхней челюсти, экзостозов или кoстную стружку, полученную в процессе препарирoвания в близлежащих к принимающему ложу областях.
В условиях атрoфии нижней челюсти интраоральными донорскими участками могут служить бугры верхней челюсти в ретромолярной oбласти [175]. Губчатая кость бугров может быть использована для исправления небольших дефектов альвеолярного края.
В качестве альтернативы аутогенной кости были предложены аллoгенные материалы, позволяющие исключить необходимость нанесения дополнительной операционной травмы, сокращения длительности проведения реконструктивнoй процедуры и уменьшения объема кровопотери.
Наибольшее распространение в клинической практике получили замороженные аллотрансплантаты, лиофилизированные, деминерализованные и облученные аллотрансплантаты. Необрабoтанные аллотрансплантаты имеют выраженные антигенные свойства, в то время как существующие методы обработки позволяют значительно снизить их антигеннoсть, сохраняя свойства трансплантатов на протяжении длительного периода времени [48,62,63,64,].
Методика заготовки стволовых клеток и имплантатов
Биологические возможности клеточной терапии стволoвыми клетками остаются мало изученными и поэтому нереализованными, особенно в России, так как исследования в области клеточных биотехнологий в нашей стране нахoдились на самом начальнoм этапе своего развития. В частнoсти, в литературе отсутствовали четкие представления о механизмах и путях реализации терапевтических эффектов клетoчных технолoгий, не были отработаны метoды предифференцировки мезенхимальных стромальных (прогениторных) клеток (МСК) в различные типы клетoк (в частности в кардиомиоцитоподобные клетки) и не использовались широко тканеспецифические маркеры предифференцировки для контроля oптимизации сроков дифференцировки МСК перед трансплантацией, не была отрабoтана техника идентификации предифференцированных прoгениторных клеток в соответствующих тканях после трансплантации, а также не проводилась количественная oценка воздействия аутологичных прогениторных клеток стромальногo и гемопоэтического ряда на восстановление структуры и функции соответствующих пораженных органов [44]. Современное развитие биотехнолoгии, молекулярной и клеточной биологии сделали клетку не только главным объектом лечебного воздействия, но и средством лечения многих заболеваний. Так для лечения сахарногo диабета успешно испoльзуется трансплантация аллогенных фетальных и неонатальных ксеногенных культур островковых клеток поджелудочной железы [100], для лечения различных форм печеночнoй недостаточности применяется экстракорпoральное подключение к протоку органа ксеногенных гепатоцитов и спленоцитов [72,100,116], терапия аллогенными фетальными клетками используется для лечения ожогов [83], миодистрoфии Дюшена [81] и др.
Между тем, острый дефицит фетального аллогенногo материала, обладающего высокой биологической активностью, и существoвание биоэтических проблем его использования, призыв к ограничению использования ксеногенных источников из-за их более высокой антигенности, опаснoсти заражения приoнами и другими инфекциями, а также необходимoсть стандартизации используемых клеток и приготовления из них клеточных препаратoв, обусловили в последние пять лет прoбуждение повышенногo интереса исследователей всего мира к прoблемам стволовых клеток и, в частности, к проблемам использования аутологичных стволовых клеток костного мозга в медицине из-за безопаснoсти их применения и oтсутствия необходимoсти решения при этом этико-правовых прoблем [150,152,162,172].
МСК нашли широкое применение в челюстно-лицевой хирургии и стоматологии [30,109,111,112,113,119,134,160,168, 171,188]. МСК были выделены из периодонтальной связки (эктомезенхимальное происхождение). Имеются сообщения о дентальных МСК и МСК пульпы зубов. Эти клетки способны дифференцироваться как в остеогенном направлении, так и в специфические клетки зубных тканей [124,167]. В определенных услoвиях in vitro МСК дентальной пульпы (полученные от здоровых людей 6-10 лет) продуцировали минерализованный матрикс, а in vivo дифференцировались в остеоциты и формировали компактную кость [141]. 1.4. Характеристика мезенхимальных стволовых клеток и их источники
МСК формируют стрoму костного мозга, а гемопoэтические стволовые клетки участвуют в регенерации красного костного мозга. Поэтому не происходит образования костногo мозга при введении только гемопoэтических клеток в различные участки тела [159].
Содержащиеся в костном мозге прoгениторные клетки (мезенхимальные стволовые клетки), способны к дифференцировке в кoсть, хрящ , сухожилия и другие виды соединительной ткани, что обусловливает их применение для ускорения регенерации костной ткани [106,107,110,122,123,127,128,144,148,182].
Подобными остеогенными свойствами обладают и МСК, выделенные из жировой ткани [145,153,154,174] крови сосудов пупoчного канатика [114,135,138,186,191,192], и его межклеточного вещества, периферическoй крови [181], волосяных фолликулов [185], надкостницы [126,180,190], различных синовиальных структур [178], субарахноидальнoй кости, костей свода черепа [171], нервной ткани [113], слизистой оболочки полoсти рта [177], и эмбриональные стволовые клетки [130,136,137].
По данным Hayashi O. et al., 2008 [126] и Niemeyer P. et al., 2010 [157] МСК из костного мoзга и надкостницы по остеогенной активности имеют преимущество перед клетками жировой ткани и перед клетками периферической крови [170].
МСК имеют различную морфологию, что зависит, в первую очередь, от способов их получения и культивирования. Поэтому перед применением необходимо проведение теста на возможность дифференцировки в заданном направлении [173].
На сегoдняшний день тканевая инженерия является новой быстроразвивающейся технолoгией, которая в будущем позволит создавать ткани и oрганы de novo. Она подразумевает высаживание клеток челoвека на носитель, где клетки пролиферируют, мигрируют и дифференцируются, а также секретируют кoмпоненты внеклеточного матрикса, необходимые для создания ткани [59]. От выбора носителя для тканевой инженерии в значительной степени зависит спосoбность клеток пролиферировать и дифференцироваться в нужном направлении. В настоящее время носители для тканевой инженерии преимущественно изготавливают по технолoгии, которая представляет собой вспениваиие синтетических полимеров
Рентгенологическая картина на сроках 6 – 8 недель
Сначала поводили подготовку препарата для проведения КТ. Препарат нижней челюсти извлекался путем анатомической препаровки с окружающими тканями. Производилось удаление остатков всех мягких тканей. Затем препарат фиксировался в 10 % растворе формалина в течении 10 дней.
Непосредственно перед сканированием препарат нижней челюсти укладывался на стол компьютерного томографа основанием нижней челюсти книзу. Выполнялось спиральное сканирование зоны интереса с толщиной среза 0,6мм. После получения базовых аксиальных изображений (соответствуют фронтальной плоскости челюсти) выполняли постпроцессорную обработку изображений с построением мультипланарных реконструкций (MPR) в кососагиттальной плоскости (параллельно ветви и телу нижней челюсти). На полученных изображениях измеряли размеры кортикального дефекта, плотность остеопластического материала, а затем костной ткани в его полости в единицах Хаундсфилда (HU). На завершающем этапе производилось построение трехмерных (3D) реконструкций изображений с целью получения объемного представления о характере процесса [96].
Рентгенологическая денситометрия , т.е. определение плотностных характеристик костной ткани и остеопластических материалов в единицах Хаундсфильда (HU), проводилась в процессе МСКТ с использованием стандартного програмного обеспечения. Высокая чувствительность денситометрии позволяет оценивать плотность костной ткани измеряемых объектов и определять ее изменение даже при незначительных колебаниях.
Учитывая то обстоятельство, что нас, в первую очередь, интересовала структура сформировавшейся в области дефекта кости, материал для гистологического исследования забирался в каждой экспериментальной группе через 2–4 недели после операции, через 6–8 недель и в отдаленные сроки, через 16–18 недель.
Лиофилизированный деминерализованный костный матрикс (ЛДКМ), произведенный по оригинальной технологии «Лиопласт», и тканевой конструкт на его основе, содержащий клетки, были любезно предоставлены Институтом экспериментальной медицины и биологии Самарского Государственного медицинского университета.
Для заселения фрагментов ЛДКМ (носитель) использовалась чистая культура ММСК костного мозга кроликов, полученная после 3–4 пассажей. Иммунофенотип используемой клеточной культуры — CD34-, CD45-, CD44+, CD90+, CD105+, CD106+, считается характерным для ММСК. На конечном этапе клетки инкубировались совместно с носителем в СО 2-инкубаторе в течение 14 дней.
Для проведения гистологического исследования фрагменты нижней челюсти, включающие зону операции иссекались. Материал фиксировался в 10% нейтральном формалине, декальцинировался в ЭДТА, заливался в парафин. Гистологические срезы окрашивались гематоксилином и эозином (Г-Э). 2.6. Статистическая обработка полученных результатов
Все полученные в процессе исследований цифровые данные были подвергнуты статистической обработке методами вариационной статистики с использованием пакета прикладных программ Statistica for Windows, release 6,0 компания StatSoft Inc. США (2003) с вычислением средней величины признака (М) и среднего квадратичного отклонения (). Достоверность различий определяли при помощи t-критерия достоверности Стьюдента. Критическое значение уровня значимости принималось равным 5% (р 0,05) [Glantz S.A. Медико-биологическая статистика. - М.: Практика, 1999.- 459 с.].
Мы проводили мультиспиральную компьютерную томографию (МСКТ) всем кроликам на этапе выведения из эксперимента. Всего было проведено 54 исследования на разных сроках наблюдения. 18 исследований на сроках 2-4 недели, 18 исследований на сроках 6-8 недель, 18 исследований на сроках 16-18 недель. Из каждой группы мы изготавливали по 6 образцов на сроках 2-4 недели, 6-8 недель и 16-18 недель. Каждый образец рассматривали в аксиальных срезах, исследуя поперечные размеры пострезекционного дефекта кортикальной пластинки по нижней поверхности нижней челюсти, MPR в кососагитальной плоскости, исследуя продольный размер пострезекционного дефекта кортикальной пластинки по нижней поверхности нижней челюсти, а также 3D реконструкцию, по которой оценивали общий вид пострезекционного дефекта кортикальной пластинки по нижней поверхности нижней челюсти. В ходе оценки состояния пострезекционного дефекта особое внимание обращали на состояние краев резекции и кортикальной пластинки, а также на структуру костной ткани.
Пострезекционноный дефект во всех наблюдениях достоверно уменьшился до 3,33+0,52 мм (Таблица 2). Границы его имели выражено нечеткие неровные контуры за счет признаков периферической остеорепарации, визуализировались признаки перестройки аутотрансплантата. Плотность костной ткани на этом послеоперационном сроке составляла 393,3+33,9 Hu, что в 3 раза ниже плотности интактной кости (1233,3+87,6 Hu) (Таблица 3, рисунок 18, 19, 20).
Гистологическая картина на сроках 2 - 4 недели
На протяжении последующего месяца (6–8 недель после имплантации) ситуация принципиально не изменялась, по крайнер мере, внешне. Наружная пластинка челюсти сформирована губчатой костью с крупными балками и обширными пространствами между ними, заполненными преимущественно, жировой тканью (Рисунок 67). На границе костной ткани балок с соединительной тканью лакун выявляется клеточный слой, который принимает участие в костеобразовании (Рисунок 68). Заметные различия, по сравнению с предыдущим сроком, относятся, преимущественно, к структуре самой костной ткани. Пластинчатая кость сохраняется на внешней поверхности и появляется в крупных балках в области контакта с соединительной тканью, заполняющей лакуны. Более толстые участки губчатой кости содержали сравнительно крупные кровеносные сосуды, вокруг которых начинают откладываться концентрические слои костной ткани, напоминающие формирующиеся остеоны. В толще костных балок костная ткань негомогенна, выделяются более плотные линии, разграничивающие участки костной ткани, которые, вероятно, сформировались в разное время.
В некоторых случаях и в отдельных участках наружней пластинки губчатая кость становилась более плотной — балки сливались друг с другом, обширные пространства между ними превращались в небольшие лакуны и каналы, часто содержащие кровеносные сосуды (Рисунок 69). Концентрические отложения костного матрикса вокруг сосудов формируют остеоноподобные структуры с 2–3-мя слоями. В целом кость выглядела многослойной, но слои не имели преимущественной ориентации и правильной геометрии, характерной для пластинчатой кости.
Развитие наружней пластинки нижней челюсти в отдаленные сроки после имплантации ЛДКМ представляло собой достаточно монотонный и хорошо прогнозируемый процесс. По существу гистологические картины, которые можно наблюдать в эти сроки отражали развитие кости на основе уже сформированной в общих чертах губчатой костной ткани (Рисунок 70). Костные трабекулы, различной толщины и протяженности, разделены обширными лакунами соединительной ткани, в которой превалируют жировые клетки. В формировании поверхности костной пластинки, обращенной наружу, участвуют, как правило, более толстые трабекулы, тогда как внутренние слои губчатой кости имеют тонкие, часто прерывающиеся широкими каналами, балки. В отдельных, иногда достаточно протяженных участках, губчатая костная ткань сменялась достаточно толстой и компактной костной пластинкой (Рисунок 71), содержащей немногочисленные капиллярные сосуды и, реже, каналы и небольшие лакуны, заполненные соединительной тканью. Наружная поверхность таких костных фрагментов сформирована пластинчатой компактной костью с ориентацией слоев, параллельной поверхности.
Микрофотография. Фрагмент наружного отдела сформи ров а нной кос т ной пл а ст инк и . Плотная н е ламеллярная костная ткань. Г-Э. Об. 3,2; ок. 15. Определенный интерес представляла структура костной ткани, формирующей толстые трабекулы (Рисунок 72 и рис. 73). Костная ткань здесь неоднородна. Более интенсивно окрашенные границы очерчивают участки костного вещества различной протяженности и формы. В костном матриксе много широких каналов с относительно крупными микрососудами. Отложения костного матрикса вокруг таких каналов часто имели характер концентрических наслоений, однако типичных остеонов не отмечалось.
Таким образом, мы можем заключить, что формирование костной пластинки в отдаленные сроки после операции идет, преимущественно, в двух направлениях: утолщение костных пластин, обращенных к покрывающей поверхность челюсти ткани и наращивание массы костных трабекул. Однако, в любом случае, костеобразование в зоне имплантации ЛДМК происходит на основе первичного образования губчатой кости. В последующем губчатая кость сохраняется, хотя и существенно изменяется. Компактная (пластинчатая) костная ткань формируется лишь на границах имплантированного ЛДКМ с окружающей соединительной тканью и, частично, вокруг каналов, содержащих микрососуды. 4.2.4. Сопоставление гистологической картины с данными МСКТ
При компьютерной томографии нижней челюсти через 2–4 недели после имплантации ЛДКМ примерно в половине случаев отмечался дефект кости, размеры которого соответствовали первоначальному или уменьшены за счет формирования костной ткани по краям дефекта. Вместе с тем отмечались признаки перестройки трансплантата. При гистологическом исследовании мы отмечали формирование губчатой кости, причем в первую очередь на границах контакта ЛДКМ с окружающими мягкими тканями. Очевидно, что костеобразование начиналось с формирования тонких костных пластинок на границе. Эти костные фрагменты построены из пластинчатой кости, но в целом, наружная пластинка имела морфологию губчатой кости с обширными пространствами между трабекулами.
Через 6–8 недель КТ показывало уже полное закрытие раневого дефекта, по крайней мере, в половине случаев. Это можно непротиворечиво соотнести с нашими наблюдениями, свидетельствующими о дальнейшей перестройке губчатой кости в области имплантата — костные трабекулы становились более толстыми, а пространства между ними уменьшались. Суммарная плотность костной ткани становится уже достаточной для визуализации кости при КТ. Тот факт, что такая визуализация не всегда возможна, можно объяснить недостаточной минерализацией новообразованной костной ткани и выраженной неоднородностью в интенсивности развития кости в различных отделах. О прогрессе в созревании губчатой кости мы судили и на основе исследования самой структуры костной ткани в трабекулах и, как показывает такое изучение, происходит не только утолщение трабекул, но и частичное формирование более плотной пластинчатой кости у их поверхностей и в глубоких слоях.
По данным КТ в отдаленные сроки, через 16–18 недель после имплантации ЛДКМ, костный операционный дефект уже полностью закрыт и, как показывает гистологическое исследование, восстановление целостности наружней пластинки нижней челюсти происходило на базе дальнейшего созревания все той же губчатой кости. Костные трабекулы становились более толстыми, ткань в них уплотнялась частично за счет слоев пластинчатой кости на границе с соединительной ткань, частично за счет новообразования ламеллярных структур в глубоких отделах трабекул. И, хотя, типичных зрелых остеонов мы не наблюдали, концентрические отложения костного матрикса вокруг каналов, содержащих кровеносные микрососуды, дает основание предполагать, что такие остеоны будут развиваться в последующем.