CC BY
25
© С.Н. Лунева, О.Л. Гребнева, 2006
Научно-клинические разработки лаборатории биохимии ФГУН РНЦ «ВТО» им. акад. Г.А. Илизарова по оптимизации регенераторных процессов в тканях опорно-двигательной системы
С.Н. Лунева, О.Л. Гребнева
The scientific-and-clinical developments of the biochemical laboratory of FSSI «RISC "RTO"» RHS concerning optimization of the regenerative processes in the tissues of the locomotor system
S.N. Luniova, O.L. Grebneva
Федеральное государственное учреждение науки «Российский научный центр "Восстановительная травматология и ортопедия" им. академика Г. А. Илизарова Росздрава», г. Курган (генеральный директор — заслуженный деятель науки РФ, член-корреспондент РАМН, д.м.н., профессор В.И. Шевцов)
Представлены результаты комплексных экспериментальных и клинических исследований по возможности применения компонентов сыворотки крови и костной ткани при различных состояниях тканей опорно-двигательной системы и их внедрению в практику травматологии и ортопедии. Ключевые слова: кость, хрящ, кровь.
The results of complex experimental and clinical studies are presented on the possibility of using blood serum and bone tissue components for various conditions of the locomotor system tissues, and on their adoption in the practice of traumatology and orthopaedics. Keywords: bone, cartilage, blood.
Изучение возможности воздействия на процессы регенерации опорных тканей является приоритетным направлением работы лаборатории биохимии РНЦ «ВТО». В тесном сотрудничестве с другими подразделениями Центра ведется разработка средств и препаратов, способных стимулировать репаративный остеогенез при дефектах и удлинении костей, а также предупреждать и корректировать дегенеративно-дистрофические изменения суставов.
Одним из разделов исследований является разработка способов ускорения созревания ди-стракционного регенерата с использованием компонентов аутоплазмы крови пациентов. В лаборатории биохимии ФГУН РНЦ «ВТО» была разработана технология выделения из костной ткани животных неколлагеновых белков, активных в отношении гемопоэза и репаративного остеогенеза у их реципиентов. Было обнаружено, что костные белки по ряду физико-химических и биологических свойств аналогичны костным факторам роста. Известно, что последние циркулируют в крови при физиологических условиях, а при активном течении репаративного остеогенеза обнаруживаются в гуморальном русле в концентрациях, превышающих физиологический диапазон. Возможно, именно эти компоненты обусловливают известный феномен наличия остеопоэтических свойств сыво-
ротки крови у людей и животных после травм и операций на скелете. Это предположение было подтверждено при тестировании компонентов плазмы крови с физико-химическими свойствами костных неколлагеновых белков, стимулирующих костеобразование. Их введение в начале фиксации в соединительнотканную прослойку дистракционного регенерата вызывало более быстрое созревание последнего.
После исследований в эксперименте этот феномен был апробирован в клинических условиях при удлинении трубчатых костей. На рисунке 1 приведен клинический случай, где в прослойку дистального регенерата были введены компоненты аутоплазмы крови больного, взятой на этапе дистракции. Известно, что при двухуровневом остеосинтезе оссификация дистального регенерата происходит более медленно. У пациента после инъекции дистальный регенерат по рентгенплот-ности даже обгонял проксимальный. Предлагаемая технология была применена у 35 больных в соответствии с указанными показаниями. Ускорение созревания дистракционного регенерата различной степени выраженности было отмечено в 32 случаях (91,4 %) и заключалось в интенсификации процессов органотипической перестройки и усилении минерализации.
Mfiti
lilf t ir ж m I
а б в г
Рис. 1. Влияние компонентов из плазмы крови на созревание дистракционнош регенерата: а - перед введением компонентов; 6-1 неделя после введения; в - 2 месяца фиксации; г - после снятия аппарата
Таким образом, в экспериментальных и клинических условиях доказано ускорение минерализации соединительнотканной прослойки ди-стракционного регенерата после введения в нее компонентов аутоплазмы крови. Мы полагаем, что этот эффект обусловлен действием выделенных из плазмы крови факторов роста и/или их регуляторов, которые поступают в циркуля-торное русло из своих депо в условиях интенсификации обменных процессов при дистрак-ции. Результаты исследований являются убедительным основанием для дальнейшего применения компонентов аутоплазмы крови в практике травматологии и ортопедии.
Одной из актуальных проблем современного здравоохранения является проблема восстановления и замены поврежденной костной ткани. В настоящее время для пластики костных полостей используются биоматериалы естественного происхождения и искусственные биоматериалы. Обязательным для всех имплантатов является требование биосовместимости с физиологическим окружением. Современное развитие оперативной техники требует создание материалов, обладающих высокой остеогенной потенцией, способностью к биодеградации и замещению новообразованной костной тканью.
Из костной ткани крупного рогатого скота с использованием различных технологий были выделены кальцийфосфатные соединения (КФС) I, II и III. Они были использованы в составе композиций с компонентами сыворотки крови (СБ) и органическим матриксом (ОМ) костной ткани в экспериментах по замещению дырчатых дефектов в виде усеченных конусов диаметром 5 мм и высотой 7 мм в проксимальном метафизе большебер-цовой кости и плеча у 32 взрослых беспородных собак в возрасте от 1 до 3 лет.
К 6-й неделе эксперимента в контрольной группе края дефектов были сглажены, полости дефектов перекрывали тени, оптическая плотность которых приближалась к плотности мягких тканей (рис. 2). При применении КФС I края
дефектов были сглажены, полости дефектов перекрывали гомогенные тени, оптическая плотность которых приближалась к плотности неповрежденных близлежащих участков мета-физа. При применении КФС II оптическая плотность теней, перекрывающих область дефекта, приближалась к плотности неповрежденных близлежащих участков метафиза. При применении КФС III к этому сроку эксперимента контуры дефектов становились неровными. В полости дефектов определяли тени, оптическая плотность которых была равна плотности мягких тканей в проксимальной части сегмента.
а б в г
Рис. 2. Рентгенограммы экспериментальных животных через 6 недель после операции: а - контрольная группа (без заполнения дефекта); б - с использованием композиции КФС1+СБ+ОМ; в - с использованием композиции КФСП+СБ+ОМ; г - с использованием композиции КФСШ+СБ+ОМ
Эти результаты в совокупности с данными морфологических, гематологических и биохимических исследований дают основание предполагать, что для благоприятного течения репаратив-ных процессов при возмещении костных дефектов наиболее оптимальными являются имплантацион-ные биокомпозиции, в состав которых в качестве минеральной составляющей входит КФС I.
Элементное картирование с использованием метода рентгеновского электронно-зондового микроанализа выявило однородное распределение анализируемых остеотропных элементов в составе порошкообразной и гранулярной частей у всех трех КФС. Установлено, что концентрации остео-тропных элементов кальция, фосфора и магния максимальны в образце I, то есть этот материал наиболее близок по своему составу к минеральному костному матриксу. При использовании для выделения кальцийфосфатных соединений более концентрированной соляной кислоты и раствора карбамида (при выделении КФС II и III) происходила потеря серы и части фосфора. Возможно, именно этим объясняется обнаруженное в эксперименте преимущество КФС I.
Таким образом, результатом проведенного исследования является регламент получения резорбируемого биосовместимого имплантаци-онного материала на основе кальцийфосфатного
соединения, выделенного из костной ткани сельскохозяйственных животных, обладающего остеоиндуктивными свойствами. Предложенная схема получения имплантационного материала может быть использована при его промышленном производстве для применения в травматологии, ортопедии и стоматологии.
На основании свойств минерального компонента костной ткани сотрудниками лаборатории была разработана пищевая добавка «Пектибон». Эффективность ее применения оценивали у практически здоровых людей с целью профилактики остеопороза, а также в следующих группах пациентов: 1) в группе травматологических больных; 2) в группе с односторонним коксар-трозом II-III стадии, сопровождающимся кистоз-ным поражением головки бедренной кости.
В группе практически здоровых людей (35 человек в возрасте от 22 до 65 лет) пищевая добавка рекомендовалась с целью профилактики остеопо-роза в дозе от 2 до 5 г в сутки в течение 1 месяца.
В биохимических показателях сыворотки крови было обнаружено достоверное изменение концентраций маркеров белкового обмена и обмена костной ткани. Из показателей обмена костной ткани наибольшие изменения отмечены в содержании в сыворотке крови фосфата неорганического и магния; уменьшение концентраций этих электролитов свидетельствовало о преобладании биосинтетических процессов в костной ткани, что также подтверждается значениями активности кислой и щелочной фосфатаз. Определение в сыворотке крови концентраций ами-нотрасфераз показало стабилизирующее действие «Пектибона» на паренхиму печени и обмен в сердечной мышце. При этом изменение данных показателей происходило в направлении от пограничных в сторону средних значений диапазона нормы. Изменения показателей обмена костной ткани в суточной моче подтверждают наличие усиления анаболических реакций в соединительной ткани организма испытуемых.
Изменение лейкоцитарной формулы после приема пищевой добавки «Пектибон» происходило в сторону уменьшения сегментоядерных лейкоцитов за счет увеличения количества лимфоцитов. С полученными данными согласуются результаты, полученные при изучении активности иммунокомпетентных клеток испытуемых до и после применения оригинальной пищевой добавки «Пектибон». Количество розеткообра-зующих клеток увеличилось как по относительным, так и по абсолютным значениям. Данные результаты свидетельствуют о стимулирующем влиянии пищевой добавки «Пектибон» на функциональную активность иммунокомпе-тентных клеток.
Группа травматологических больных, принимающих «Пектибон», состояла из 81 пациента в возрасте от 51 года до 76 лет. У пациентов были переломы хирургической шейки и чрез-мыщелковые переломы плечевой кости, костей предплечья, чрезвертельные переломы бедренной кости. Операции проводились в день поступления, послеоперационный период протекал без осложнений. Прием пищевой добавки «Пек-тибон» осуществляли по 5 г в сухом виде после еды дважды в день в течение месяца.
Было отмечено, что сроки фиксации отломков в аппарате Илизарова у больных, принимавших пищевую добавку «Пектибон» были значительно меньше, чем сроки консолидации у больных аналогичной группы, принятой за контроль. Так, при переломах хирургической шейки плеча сращение было достигнуто за 28 суток, чрезмьпцелковом переломе плеча - за 42, костей предплечья - за 54, чрезвертельном переломе бедра - за 76 суток. У всех больных было достигнуто сращение костных отломков с хорошим анатомо-функциональным результатом (рис. 3).
а б
Рис. 3. Множественные переломы предплечья. Рентгенограммы: а - до лечения; б - после лечения с применением пищевой добавки «Пектибон»
После применения пищевой добавки «Пектибон» у больных с переломами трубчатых костей достоверно увеличились концентрация кальция и магния в сыворотке крови. Одновременно с этим в крови происходило уменьшение маркеров резорбции костной ткани - неорганической его компоненты - фосфора и кислой фосфатазы, органической компоненты - общего и свободного гидроксипролина и щелочной фосфатазы. В моче отмечали увеличение концентрации свободного гидроксипролина с одновременным снижением содержания неорганического фосфата, магния и кальция.
Эффективность применения пищевой добавки «Пектибон» также была изучена в группе больных с коксартрозом, которая состояла из 56 пациентов молодого и среднего возраста с наиболее тяжелым односторонним коксартрозом П-Ш стадии, сопровождающимся кистозным поражением головки бедренной кости. Всем пациентам в комплексе с проведением щадящего оперативного лечения (туннелизация, остеоперфорация кис-тозных образований) был назначен прием пищевой добавки "Пектибон" по 5 г в сухом виде после еды, дважды в день в течение месяца.
По данным рентгенографии, в срок 1 месяц после начала приема препарата отмечалось улучшение костной структуры головки бедренной кости и увеличение рентгенологической плотности кист, что свидетельствовало об их перестройке и заполнении костной тканью. В срок 6 месяцев после операции после приема пищевых добавок кисты на рентгенограммах
практически не дифференцировались в сравнении с окружающей «здоровой» костной тканью головки бедра (рис. 4). Краевые остеофиты не увеличились. Высота суставной щели оставалась сниженной, но зона склероза сочленяемых поверхностей уменьшилась. Все пациенты отмечают отсутствие болей в тазобедренном суставе после лечения, восстановление полной и безболезненной амплитуды движений в суставе.
а б
Рис. 4. Рентгенограммы правого тазобедренного сустава: а - до лечения; б - после лечения с применением пищевой добавки «Пектибон»
Таким образом, изучение клинико-рентгенологических результатов применения оригинальной пищевой добавки «Пектибон» больными с кистозной формой коксартроза свидетельствует о положительном эффекте применения данной пищевой добавки в комплексе со щадящим хирургическим лечением уже в ближайшие сроки. Оптимизация процессов репара-тивной регенерации костной ткани головки бедра является фактором стабилизации патологического процесса в синовиальной среде сустава. Улучшение структуры субхондральной кости (заполнение кист костной тканью) обеспечивает условия для регенерации суставного хряща и восстановления его биомеханических характеристик (эластичность, прочность).
После применения пищевой добавки изменились показатели обмена костной ткани у больных, получавших препарат. Отмечено наступление метаболических изменений, характеризующих сдвиг баланса между резорбцией и костеобразованием в сторону преобладания последнего.
В обеих наблюдаемых группах пациентов результаты определения показателей красной крови не отличались от контрольных. Общее количество лейкоцитов уменьшалось, оценка лейкоцитарной формулы показала перераспределение количества клеток в сторону увеличения процента лимфоцитов и уменьшения сег-ментоядерных нейтрофилов.
Таким образом, наблюдения показали, что применение пищевой биологически активной
Рукопись поступила 15.10.06.
добавки «Пектибон» (ОАО «Деметра», Москва) у здоровых людей положительно влияет на активность иммунокомпетентных клеток, паренхимы печени, активизирует биосинтетические процессы в костной ткани и может быть рекомендована с целью профилактики потери костной массы, особенно лицам пожилого и старческого возраста. У больных с дегенеративными нарушениями суставов при их щадящем оперативном лечении (туннелизация и т.д.) добавка способствует улучшению структур субхонд-ральной кости, регенерации суставного хряща. В травматологической практике у всех больных, принимавших «Пектибон», было достигнуто сращение переломов с хорошими анатомо-функциональными результатами. Осложнений не наблюдалось. Сроки фиксации костных отломков были меньше средних сроков сращения переломов у больных аналогичной возрастной группы. Клинический анализ крови у обеих групп пациентов, принимавших добавку «Пек-тибон», свидетельствовал об адаптогенном характере воздействия оригинальной пищевой добавки. Результаты наблюдений убедительно доказывают, что применение пищевой биологически активной добавки «Пектибон» может быть рекомендовано для применения в практике травматологии и ортопедии.
На основании результатов исследований сотрудников лаборатории биохимии РНЦ «ВТО» были поданы следующие заявки на изобретения и разработаны методические рекомендации:
1. Патент 2193868 РФ, МПК 7 А 61 В 17/56, А 61 Р 5/50 Способ стимуляции репаративного остеогенеза / Десятниченко К.С., Ларионов А.А., Гребнева О.Л., Ерофеев С.А., Ковинька М.А., РНЦ «ВТО» им. акад. Г.А. Илизарова (РФ). - № 98105940/14; Заявл. 26.03.1998, Опубл. 10.12.2002, Бюл. 34.
2. Заявка № 2005200254 000267 РФ, МПК7 А 61 К 6/033; 35/32; 37/00 (РФ). Биоимплантат для возмещения дефектов минерализованных тканей и способ его получения / Шевцов В.И., Та-лашова И.А., Лунева С.Н., Ковинька М.А. - За-явл. 11.01.2005.
3. Заявка № 2001101266 РФ, МПК 7 А 23 L 1/30, А 61 К 35/32 Пищевая добавка "Пектибон", способ ее получения и применения / Шевцов В.И., Десятниченко К.С., Лунева С.Н., Гнеушев В.Г., Канджа С.Н., РНЦ «ВТО» им.акад. Г. А. Илизарова (РФ). - Заявл. 12.01.2001.
4. «Метод получения биологически активных веществ из крови, обладающих остеопотенци-рующими свойствами». Медицинская технология. М.А. Ковинька, О.Л. Гребнева, И.А. Талашова.
5. «Использование биологически активной пищевой добавки «Пектибон» в ортопедо-травматологической практике». Методические рекомендации. В.И.Шевцов, С.Н. Лунева, Е.А. Волокитина, Л.С. Кузнецова, С.И. Новичков.
