CC BY
22
УДК 617.7-089.844
Р.Т. НИГМАТУЛЛИН, Р.З. КУТУШЕВ, Б.Р. МОТЫГУЛЛИН
Всероссийский центр глазной и пластической хирургии МЗ РФ, 450075, г. Уфа, ул. Р. Зорге, д. 67/1
Эластиновый биоматериал как индуктор остеогенеза
Нигматуллин Рафик Талгатович — доктор медицинских наук, заместитель генерального директора по научной работе, тел. (347) 224-68-03, e-mail: [email protected]
Кутушев Ринат Закиевич — заведующий офтальмологическим отделением №3, тел. (347) 224-68-19, e-mail: [email protected] Мотыгуллин Булат Рустамович — стажер-исследователь, тел. (347) 224-68-19, e-mail: [email protected]
Публикация отражает результаты экспериментальной пересадки на крысах породы вистар структурированной формы эластинового биоматериала (патент №2440148) в костный дефект глазницы шириной 7 мм (опытная серия). В контрольной серии (n=23) аналогичный костный дефект оставался интактным. Гистологические исследования трансплантата и тканевого ложа выполнены на 30-е, 90-е и 360-е сутки эксперимента. Исследования позволили выявить следующие виды остеогенеза на фоне пересадки биоматериала: оппозиционный рост костной стенки в перифокальной зоне, краевая регенерация в зоне контакта трансплантата с костным ложем, эндесмаль-ное окостенение в пограничной рыхлой волокнистой соединительной ткани. Кроме того, впервые выявлены ин-траэластиновые локусы остеогенеза непосредственно в эластиновом трансплантате. Полученные результаты позволяют рекомендовать эластиновые биоматериалы для выполнения костнопластических операций в кранио-фациальной хирургии.
Ключевые слова: эластиновые биоматериалы, репаративный остеогенез, восстановительная хирургия глазницы.
R.T. NIGMATULLIN, R.Z. KUTUSHEV, B.R. MOTYGULLIN
All-Russian Eye and Plastic Surgery Center, 67/1 Zorge Str., Ufa, Russian Federation, 450075
Elastin biomaterial as an inductor of osteogenesis
Nigmatullin R.T. — D. Med. Sc., Deputy Director General for Scientific Work, tel. (347) 224-68-03, e-mail: [email protected] Kutushev R.Z. — Head of the Ophthalmology Department №3, tel. (347) 224-68-19, e-mail: [email protected] Motygullin B.R. — probationer-researcher, tel. (347) 224-68-19, e-mail: [email protected]
The publication contains the results of experimental transplantation of the structured elastin biomaterial (patent No.2440148) into the Wistar rat eyeball osseous defect of 7 mm in diameter (experimental series). In the control series (n=23) the similar osseous defect remained intact. The histological studies of the graft and tissue bed were carried out on the 30, 90 and 360 days following the experiment. The studies allowed to reveal the following types of osteogenesis against the background of the biomaterial transplantation: oppositional growth of the osseous wall in the perifocal zone, marginal regeneration in the contact zone of the transplant with the osseous bed, endesmal ossification in the boundary loose connective tissue. Besides, there were for the first time revealed the intraelastin loci of osteogenesis directly in the elastin transplant. The obtained results make it possible to recommend elastin biomaterials for osteoplastic operations in cranio-facial surgery.
Key words: elastin biomaterials, reparative osteogenesis, reconstructive surgery of the orbit.
В современной восстановительной хирургии широко используются самые различные трансплантационные материалы. По происхождению они делятся на биологические (алло- и ксеногенные) и эксплантаты. В последние годы вышла серия публикаций по экспериментальной разработке биологических материалов на основе эластиновой ткани [1-4]. Проведенные исследования показали, что эластиновые трансплантаты, в структуре которых
присутствуют самые разнообразные адгезивные, хемотаксические и морфогенетические факторы, формируют адекватный субстрат для клеточной пролиферации [1, 2].
На базе отдела морфологии Всероссийского центра глазной и пластической хирургии были изучены структура и биомеханические свойства эла-стиновых трансплантатов, изготовленных на базе многопрофильного тканевого банка Аллоплант (ру-
150 ^tl практическая медицина
'9 (110) сентябрь 2017 г. / том 2
ководитель — д.б.н. О.Р. Шангина). При этом было создано два базовых вида эластиновых биоматериалов: структурированный и диспергированный. Предварительные экспериментальные исследования по трансплантации структурированного эла-стинового биоматериала в костный дефект стенки глазницы выявили его остеогенные свойства [3].
Настоящая публикация является продолжением указанного эксперимента [3]. Учитывая, что в клинической практике встречаются обширные дефекты костей лицевого черепа, в том числе стенок глазницы, нами сформулирована следующая цель работы: в эксперименте изучить возможность замещения обширных костных дефектов глазницы с использованием эластиновых биоматериалов.
Материал и методы исследования
На 44 крысах породы вистар моделировался дефект верхнего края глазницы и ее медиальной стенки. Для этого использовался физиодиспенсер KaVo INTRASURG 1000 с наконечником 3 мм. В отличие от ранее выполненных работ [3] создавался костный дефект шириной 7 мм. В этой связи следует отметить, что гистологическое строение глазницы лабораторной крысы имеет ряд видовых особенностей. Полностью сформированной представляется только медиальная стенка, которая, образуя верхний край глазницы, частично переходит в верхнюю стенку.
При создаваемом нами костном дефекте удаляется верхний край глазницы и медиальная стенка в едином костном блоке шириной 7 мм (рис. 1). Удаленный костный фрагмент включает большую часть верхнего края орбиты и является моделью обширной травмы глазницы. Дефект костных структур замещался эластиновым биоматериалом [5], который сверху покрывался мембранным трансплантатом. Весь комплекс трансплантируемых тканей фиксировался к краям костного дефекта шелковой лигатурой диаметром 50 мкм (рис. 1). На кожу накладывались узловые швы. В контрольной серии создавался аналогичный дефект верхней стенки глазницы, после чего рана послойно ушивалась.
Животные выводились из опыта на 30-е, 90-е, 360-е сутки путем передозировки наркозного эфира. Кожные покровы и прилежащие к трансплантату ткани отсепаровывались. Выпиливался костный блок верхнего края глазницы с медиальной стенкой, включающий в себя область костного дефекта,
Рисунок 1.
Границы смоделированного дефекта верхнего края и медиальной стенки глазницы на черепе лабораторной крысы. Схематично демонстрируется этап трансплантации биоматериала
(Цветная иллюстрация на стр. 288)
а в опытной серии и трансплантированный биоматериал. Ткани фиксировались в 10%-ном нейтральном формалине с последующей декальцинацией в 8%-ном растворе муравьиной кислоты в течение пяти суток. Гистологические срезы толщиной 5 мкм окрашивались гематоксилином и эозином по методу Ван Гизона и по методу Маллори. Микропрепараты изучались с использованием поляризационного микроскопа МИН-8 и MIKROS МС50. Микрофотографирование производилось с использованием фотокамеры NIKON COOLPIX 4500.
Полученные результаты
В опытной серии эксперимента уже на 30-е сутки определяется активная пролиферация фиброрети-кулярной костной ткани на наружной поверхности костной стенки глазницы в перифокальной зоне относительно трансплантата. Фактически идет процесс утолщения сохранившегося участки медиальной стенки глазницы и верхнего орбитального края. Так, при толщине костной пластинки в 300 мкм формирующийся регенерат на большем протяжении равен 100 мкм, в отдельных участках достигая 200-250 мкм. По-видимому, это один из приспособительных механизмов, усиливающих биомеханические свойства всей конструкции опорных тканей области глазницы (рис. 2).
Следует отметить, что подобное утолщение костной стенки глазницы определяется только в опытной серии. В контрольной серии толщина пограничных с дефектом костных структур остается 250 мкм. При этом в качестве защитной реакции формируется шиповидной формы костный регенерат в зоне дефекта. Последний вдается в полость черепа на глубину до 600 мкм. Спереди от формирующейся костной пластинки выявляется новообразованная рыхлая волокнистая соединительная ткань.
На 90-е сутки эксперимента в опытной серии между краями костного дефекта определяется фрагмент биоматериала шириной 2 мм. В контактной зоне костного ложа идет активная пролифе-
Рисунок 2.
30-е сутки эксперимента. Опытная серия. Индуцированный остеогенез.
а — костная пластинка: б — формирующийся регенерат на наружной поверхности костной стенки орбиты.
Гистологический срез. Окраска по методу Маллори. Поляризационная микроскопия при скрещенных фильтрах с компенсационной пластинкой КВКР-1. Микрофото Об. 20 Ок. 7 (Цветная иллюстрация на стр. 288)
Рисунок 3.
360-е сутки эксперимента. Опытная серия. Очаги интраэластинового и эндесмального остеогенеза в костном дефекте глазницы. а — биоматериал; б — очаг остеогенеза; в — волокнистая соединительная ткань. Гистологический срез. Окраска по методу Мал-лори. Микрофото Об. 10 Ок 10 (Цветная иллюстрация на стр. 289)
рация костных структур, в составе которых определяются остеобласты и остеоциты, а также вновь синтезированные коллагеновые волокна. Последние имеют многовекторную ориентацию и обладают хорошо выраженным двойным лучепреломлением. На передней поверхности биоматериала выявляется прослойка рыхлой волокнистой соединительной ткани шириной 500-550 мкм, сформированной на месте пересаженного мембранного трансплантата.
Примечательно, что тяжи волокнистой соединительной ткани вдаются между пучками эластино-вого биоматериала. В описанной прослойке соединительной ткани выявляются очаги остеогенеза, которые, по-видимому, рекапитулируют динамику эндесмального окостенения в эмбриогенезе. По структуре данные локусы соответствуют фиброре-тикулярной костной ткани, описанной Н.П. Омелья-ненко, на этапах формирования дистракционного костного регенерата [6].
В этот же срок в контрольной серии область дефекта закрыта регенератом в виде тонкой костной пластинки (100 мкм), к которой на передней поверхности прилежит плотная волокнистая соединительная ткань толщиной до 300 мкм. Подобная структура регенерата в контроле стабилизируется на длительный период — до одного года и более.
На фоне пересадки биоматериала в течение года идут активные процессы ремоделирования и остеогенеза. Прежде всего появляются остеогенные локусы непосредственно в эластиновом трансплантате. Их размеры достигают 500 мкм в диаметре. С учетом морфогенетических особенностей описанного процесса мы определяем его как интраэласти-новый остеогенез. Процессы перестройки эласти-нового трансплантата и формирование на его месте костных структур представлены на рис. 3.
Обсуждение
Данная работа является продолжением ранее опубликованных исследований [3]. Но если первая статья была посвящена модели локального ограничен-
ного дефекта стенки орбиты (4 мм), то в настоящей работе анализируются процессы репаративной регенерации при более обширной травме верхнего орбитального края и медиальной стенки глазницы (ширина дефекта 7 мм). При этом следует учитывать, что общая протяженность медиальной стенки глазницы лабораторной крысы составляет 10 мм. Создаваемый нами дефект следует рассматривать как модель обширной травмы костной стенки орбиты.
Примечательно, что при локальной травме были выявлены два механизма остеогенеза: эндесмальный и контактный [3]. При обширной травме реализуется целый комплекс механизмов остеоиндукции. К настоящему времени мы располагаем четырьмя типами репарации костной стенки при пересадке эласти-нового биоматериала. Достаточно условно мы распределяем их в прилагаемой последовательности. Первый тип можно рассматривать как индуцированный остеогенез в перифокальной зоне относительно трансплантата. При этом происходит оппозиционный рост костной стенки вне зоны прямого контакта с трансплантатом. Процесс завершается утолщением сохранившихся участков стенки глазницы.
Второй тип регенерации реализуется в зоне прямого контакта биоматериала с поверхностью костного дефекта. Данный процесс можно оценить как краевую регенерацию с формированием ретикуло-фиброзной костной ткани, которая поэтапно замещает трансплантат от периферии к центру [6]. Третий тип окостенения представлен локусами первичного остеогенеза в волокнистой соединительной ткани, окружающей биоматериал. Данный тип регенерации реализуется на фоне сформированной волокнистой ткани, окружающей трансплантат. Особое место в механизмах заместительной регенерации занимают очаги остеоиндукции непосредственно в эластиновом трансплантате. Данный процесс мы определяем как интраэластиновый остеогенез. Природа данного феномена состоит в инвазии остеогенных клеток в трансплантат с их последующей дифференцировкой и синтезом внеклеточного матрикса.
Заключение
Таким образом, эластиновый биоматериал в эксперименте проявляет широкий спектр остеогенных потенций, что позволяет рекомендовать его в реконструктивной хирургии глазницы и в целом в краниофациальной хирургии. Полученные данные расширяют представления о морфогенетических свойствах эластиновых трансплантатов и доказывают возможность их использования в восстановительной хирургии опорных тканей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Anabami N., Mithieux S.M., Camci-Unal G., Dokmeci M.R., Weiss A.S., Khademhosseini A. Elastomeric recombinant protein-based biomaterials // Biochemical Engineering Journal. — 2013. — Vol. 77. — Р. 110-118.
2. Derricks K.E., Rich C.B., Buczek-Thomas J.A., Nugent M.A. Ascorbate enhances elastin synthesis in 3D tissue-engineered pulmonary fibroblasts constructs. Tissue and Cell. — 2013. — Vol. 45. — Р. 253-260.
3. Нигматуллин Р.Т., Кутушев Р.З. Применение эластинового биоматериала в восстановительной хирургии стенок глазницы // Практическая медицина. — 2016. — №6 (98). — С. 119-121.
4. Регенеративная медицина. Биоматериал Аллоплант в офтальмохирургии / под общ. ред. Э.Р. Мулдашева. — Уфа: ГУП «Башкортостан», 2014. — 432 с.
5. Ксеногенный биоматериал для регенеративной хирургии: патент №2440148 / Э.Р. Мулдашев, Р.Т. Нигматуллин, В.У. Гали-мова и др., приоритет 21.12.2009, опублик. 20.01.2012, бюл. №2.
6. Омельяненко Н.П., Слуцкий Л.И. Соединительная ткань (гистофизиология и биохимия). — В 2 т. — Т. II / под ред. академика РАН и РАМН С.П. Миронова. — М.: Известия, 2010. — 600 с.
