Милые кости 3D: гиперэластичный костный материал для пластики дефектов черепа
У нас их примерно 205, суммарно они весят около 5-6 кг и каждые 10 лет полностью обновляются на клеточном уровне. А еще есть идиоматическое выражение, утверждающее, что у всех есть это в шкафу. Речь, конечно, идет о скелете и о костях, его составляющих. Травмы, связанные с повреждением костей, одни из самых распространенных в мире. Порой такие травмы требуют не лечения кости, а ее замену. Трансплантация костей сопряжена с рядом опасностей для пациента, в числе которых последующие боли, инфекции, кровотечения, повреждения сопряженных тканей и т.д.
Некоторые ученые считают, что ключ к успешной костной трансплантологии лежит в применении напечатанных костей, которые будут идеально подходить конкретному пациенту и будут лишены дефектов. Как ученые печатали кости, что для этого было применено и какие результаты показала операция имплантации на крысе? Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы.
Основа исследования
Методы лечения травм костей практически не изменились с самых древних времен. Ученые даже проанализировали 36 скелетов неандертальцев, на которых были признаки переломов. Из них лишь у 11 лечение этих травм можно назвать неудачным.
Однако такая успешность лечения во все времена не касается всех типов переломов. Некоторые травмы удалось успешно и без последствий лечить уже при наличии достаточно современного медицинского оборудования, знаний и методик.
На данный момент в трансплантологии костей часто применяют аутотрасплантаты (фрагменты крупных костей самого пациента) и аллотрансплантаты (фрагменты кости, полученные от донора). Данные методы достаточно продвинуты, но не всемогущи. Черепно-челюстно-лицевые дефекты (врожденные, онкологического или травматического происхождения) достаточно сложны. В таких случаях необходимы имплантаты, специфичные для конкретного пациента. Следовательно, их нельзя взять у донора, а необходимо изготовить. В таких случаях применяется краниопластика, однако имплантат не будет способен регенерировать и расти вместе с другими костями пациента. Также используют губчатое вещество кости, деминерализованную костную матрицу, синтетические костные фрагменты или костные замазки, которыми заполняется участок дефекта. Но эти материалы не пористые и обладают ограниченной связанной пористостью. Из-за этого снижается поверхностная клеточная миграция и васкуляризация (образование сосудов), что может привести к инкапсуляции (образованию капсулы вокруг инородного тела), а не к интеграции тканей. В результате сильно возрастает риск инфекции. Исследователи предлагают использовать трехмерную печать, ибо этот метод позволяет сделать недорогой имплантат, который будет идеально подходить под определенный дефект у конкретного пациента.
Исследователи также отмечают, что в биомедицинской трехмерной печати пока недостает высокоэффективных материалов, которые будут совмещать в себе простоту изготовления и биологическую функциональность. А это значит, что нужно создать свой материал.
Гиперэластичная кость
И имя нового материала – «гиперэластичная кость» (гиперэластичный костный материал). Изготавливается этот остеорегенеративный материал путем экструзии при комнатной температуре смеси гидроксиапатита (твердое вещество, 90% от общей массы) и поли(молочно-гликолевой) кислоты (жидкое вещество, 10% от общей массы) в трехмерные формы без необходимости в спекании, отверждении или других формах физико-химической стабилизации.
Полученный трехмерный напечатанный каркас обладает хорошей эластичностью и высокой абсорбцией. Кроме того, каркас вызывает остеогенную дифференцировку полученных из костного мозга мезенхимальных стволовых клеток человека без добавления остеоиндуцирующих катализаторов. При этом гиперэластичная кость не вызывала отрицательного иммунного ответа, становилась васкуляризованной и интегрировалась с окружающими тканями, поддерживая рост новой кости. Еще одним достижением является возможность переноса трансдуцированных человеческих жировых стволовых клеток посредством напечатанного имплантата.
Далее мы с вами подробнее ознакомимся с результатами практического испытания. Ученые провели сравнительный анализ остеорегенеративной способности гиперэластичной кости и коммерческого варианта (аутологичная кость) при дефектах черепа критических размеров у крыс. Но сначала немного о подготовке к эксперименту и о том, как именно изготавливался испытуемый материал и имплантат.
Изготовление гиперэластичной кости
Как мы уже знаем, каркас гиперэластичной кости был изготовлен из гидроксиапатита и поли (молочно-гликолевой) кислоты.
Принтер BioPlotter
Все образцы были напечатаны с помощью принтера BioPlotter Manufacturing от компании EnvisionTEC. Толщина листов (5х5 см), состоящих из 5 слоев по 120 мкм, составила суммарно 0,6 мм. Далее из листов были выдавлены круглые (8 мм в диаметре) заготовки с помощью стилета для биопсии. Полученные заготовки были промыты и стерилизованы.
Изображение №1: процесс изготовление имплантатов.
Операция по имплантации
В качестве подопытных выступили лабораторные Спрег-Доули крысы – самцы весом примерно 500 граммов каждый.
Во время проведения операции подопытные были под общим наркозом (2% изофлуран / 100% кислород). Между лямбдовидным и венечным швами был сделан сагиттальный надрез (1,5 см) для обнажения черепа. С помощью ручной дрели с трепаном (игла с фрезой или сверлом для формирования отверстий в плотных тканях) был создан искусственный дефект черепа 8 мм в диаметре.
Подопытные были разделены на 4 группы:
7 особей – отрицательно-контрольная группа (без имплантата на дефекте);
6 особей – положительно-контрольная группа (с аутологичной костью в качестве имплантата);
6 особей – исследуемая группа №1 (с каркасом из поли (молочно-гликолевой) кислоты в качестве имплантата);
10 особей – исследуемая группа №2 (с гиперэластичной костью в качестве имплантата).
На изображении №2 приведено фото подопытных во время операции (слабонервным просьба не смотреть, процесс был описан в текстовом виде ранее).
После имплантации (или без ее) надкостницу и кожу закрывали с использованием подвижного рассасывающегося шва, а подопытным вводили обезболивающее. Подопытные содержались в клетках по двое. Доступ к воде и пище был неограничен.
Образцы черепов анализировались посредством конусно-лучевой компьютерной томографии. Интересующие области были вырезаны из кости черепа, помещены в 70% этанол и отсканированы с помощью микро-компьютерного томографа. Далее с помощью программного обеспечения для анализа изображений медицинского характера (Mimics Medical 19.0) ученые более детально исследовали участки черепа, где были внедрены имплантаты.
После проведения микро-компьютерной томографии образцы были разрезаны пополам для гистологического анализа и визуализированы с помощью сканирующей электронной микроскопии. Также была проведена оценка степени регенерации спустя 8 и 12 недель.
А теперь приступим непосредственно к результатам наблюдений.
Результаты исследования
Изображение №3а: серый – с аутологичной костью; черный – без имплантата; синий – с имплантатом из поли (молочно-гликолевой) кислоты; красный – с гиперэластичной костью.
На изображении выше (3а) представлены трехмерные реконструкции конусно-лучевой и микро-компьютерной томографий. Количество регенерированной костной ткани определяли по количеству минерализованной кости как доли от общего объема ткани, представляющего интерес. Объем кости на долю общего объема для гиперэластичной кости, поли (молочно-гликолевой) кислоты и для отрицательно-контрольной группы были нормализованы относительно объема кости на долю общего объема для положительно-контрольной группы (с аутологичной костью). Таким образом проводился сравнительный анализ показателей эффективности работы всех вариантов имплантата.
Изображение №3b
Конусно-лучевая и микро-компьютерная томографии показали увеличение количества минерализованного костного матрикса в дефектах, обработанных гиперэластичными костными имплантами (3b).
По данным конусно-лучевой томографии объем минерализованной кости в случае применения гиперэластичного костного имплантата составил 55,7% на 8 неделе и 57,0% на 12 неделе наблюдений. По данным микро-компьютерной томографии – 36,1% на 8 неделе и 37,1% на 12 неделе наблюдений. Это данные до нормализации.
После была проведена нормализация к показателям объема минерализованной кости в случае аутологичных трансплантатов. Теперь стало видно, что объем регенерации с применением гиперэластичной кости составил 95,6% и 82,0% (8 и 12 неделя наблюдений) от объема положительно-контрольной группы (с аутологичной костью). А микро-компьютерная томография дала следующие результаты: 74.2% и 64.5% (8 и 12 неделя наблюдений).
Применение исключительно поли (молочно-гликолевой) кислоты в качестве материала для имплантации оказалось достаточно неэффективным: 16.6% и 22.5% (8 и 12 неделя наблюдений) от объема положительно-контрольной группы. Малоэффективность этого метода подтверждается еще и тем, что его результаты не сильно отличаются от результатов отрицательно-контрольной группы, у которой вообще не было имплантатов: 10.3% и 13.8% на конусно-лучевой томографии и 14.5% и 19.5% на микро-компьютерной томографии.
Сравнение результатов испытываемого нового материала (гиперэластичной кости) с результатами отрицательно-контрольной группы показало разницу в объеме минерализованной кости в 7,81 раза на 8 неделе и в 5,75 раза на 12 неделе в пользу гиперэластичной кости.
Таким образом, с точки зрения объема регенерации применение гиперэластичной кости практически сопоставимо с применением коммерческих вариантов имплантатов с аутологичной костью.
Изображение №4: стрелки – дефектный край; Ft – фиброзные (волокнистые) ткани; Mc – мембранно-клеточный компонент; Nb – новая кость.
Проведенный гистологический анализ лишь подтвердил данные конусно-лучевой и микро-компьютерной томографий. Учеными были определены края дефектов, а образования новой кости специально были окрашены с помощью эозина для лучшей визуализации.
В случае отрицательно-контрольной группы наблюдалась фиброзная ткань, но образование новой кости было минимальным (верхний ряд на изображении №4). Образцы с поли (молочно-гликолевой) кислотой также не могли похвастаться большим объемом новообразованной кости (третий ряд).
А вот образцы, где была применена гиперэластичная кость, напротив, показали формирование минерализованной костной ткани на поверхности краев дефектов (4 ряд). На 8 неделе наблюдений в местах дефектов проявляется фиброзная ткань и мембранно-клеточные компоненты внутри имплантата, а на 12 неделе начинается образование новой кости вокруг элементов каркаса имплантата.
Изображение №5
И напоследок, анализ РЭМ (растровый электронный микроскоп) снимков образцов с гиперэластичной костью на 12 неделе наблюдений показал образование тесного клеточного контакта тканей с материалом внутри имплантата.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых, опубликованный в журнале Plastic and Reconstructive Surgery (Huang et al., Three-Dimensionally Printed Hyperelastic Bone Scaffolds Accelerate Bone Regeneration in Critical-Size Calvarial Bone Defects).
Эпилог
В данном труде ученые продемонстрировали новый тип остеогенных биоматериалов, которые позволяют создавать имплантаты для лечения дефектов костей. Самыми важными особенностями своего детища ученые называют: простоту имплантации, простоту изготовления, высокую эффективность, низкую стоимость производства и возможность персональной подгонки имплантата под определенного пациента.
Гиперэластичная кость действительно очень эластична и может принимать необходимую форму как в процессе изготовления, так и в момент имплантации, что сильно облегчает этот процесс. Керамические и полимер-керамические имплантаты не могут таким похвастаться.
Но даже не это самое важное достоинство. Высокая степень регенерации кости и приживаемости имплантата – это куда важнее. Уже через 4 недели после имплантации начинается активный процесс минерализации костных тканей.
Ученые также отмечают, что подобная скорость и эффективность крайне важны в случае достаточно больших дефектов (как это было продемонстрировано во время практических опытов).
Использование подобной технологии может очень сильно упростить жизнь как врачам, так и пациентам. Индивидуальность лечения, скорость производства, имплантации и быстрое выздоровление без побочных эффектов – это отличная реклама для новой технологии. В дальнейшем ученые намерены провести еще несколько экспериментов, детальнее изучить процесс регенерации и усовершенствовать свое изобретение.
Dmytro_Kikot, Хабр
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
