Клеточные технологии в травматологии и ортопедии

Кости и костный мозг человека: основные заболевания и восспалительные процессы

Кость представляет собой живую, высоко васкуляризованную соединительную ткань, выполняющую ряд ключевых функций в организме. Она обеспечивает структурную поддержку и защиту внутренних органов, участвует в метаболизме минеральных веществ, образует пространства для кроветворной ткани (костный мозг) и обладает способностью к ремоделированию и самовосстановлению.

За последнее время медицина получила большой объем научно-практических сведений о физиологической и репаративной (восстановительной) регенерации скелетных тканей. В настоящее время понимание основ репаративной регенерации в «скелетных тканях» способствует развитию тканевой инженерии в ортопедии. 

Кость – это плотная многокомпонентная материя, состоящая из клеточных элементов, заключенных в матрикс, образованный органическими (коллагеновые волокна, липиды, пептиды, протеины, гликопротеины, полисахариды и цитраты) и неорганическими (фосфат кальция, карбонаты, бикарбонат натрия, магнезия, фториды) соединениями. Она отвечает за поддержание минерального гомеостаза и является источником гематопоэтических стволовых клеток.

С костной тканью ассоциировано большое число клеточных популяций, но наиболее важными являются остеобласты, остеоциты и остеокласты, которые отвечают за образование, поддержание и резорбцию кости.

Клетки, участвующие в остеогенезе, свое происхождение берут из мезенхимальных (стромальных) клеток костного мозга и находятся в эндосте и периосте (надкостнице).

Количество этих клеток регулируется биохимическими сигнальными молекулами в процессе ремоделирования костной ткани и восстановления костных дефектов, местное клеточное микроокружение обуславливает дифференцировку остеогенных клеток в остеобласты или хондробласты. Высокая васкуляризация костной ткани обусловлена необходимостью поступления нутриентов и кислорода, требующихся в большом количестве для нормального роста и развития кости.

Нужно отметить, что костная ткань является уникальной в своей способности к восстановлению путем образования идентичной ткани на месте утраченной. Во всех остальных органах восстановление поврежденного участка происходит посредством замещения дефекта соединительной тканью.

Экспериментально доказано, что молекулярные и клеточные механизмы репарации костной ткани после повреждения схожи с механизмами при формировании костной ткани на стадии эмбриогенеза, что свидетельствует о присутствии аналогичных механизмов, контролирующих формирование костной ткани во взрослом организме и в эмбриональном периоде.

Трансформация скопления примитивных мезенхимальных клеток в костную ткань

В эмбрионе скопление примитивных мезенхимальных клеток может трансформироваться в костную ткань через интрамембранозную или эндохондральную оссификацию.

За последнее время медицина получила большой объем научно-практических сведений о физиологической и репаративной (восстановительной) регенерации скелетных тканей. Физиологическая регенерация активно проявляется в эмбриональных тканях, иногда в тканях новорожденных, но никогда не наблюдается во взрослом организме.

По всей видимости, это связано с высоким содержанием недифференцированных прогениторных клеток в тканях эмбриона и недостаточным их числом во взрослом организме (1 клетка на 10000 мезенхимальных клеток у новорожденного по сравнению с 1 клеткой на 2х10 мезенхимальных клеток у 80-летнего человека). Напротив, репаративная регенерация представляет собой более быстрый по времени процесс, необходимый для выживания индивида.

Процесс репаративной регенерации вовлекает воспалительный клеточный каскад, приводящий к депозиции матрикса и затем к ремоделирующим процессам, которые обуславливают регенерацию поврежденных тканей во взрослом организме. В настоящее время понимание основ репаративной регенерации в «скелетных тканях» способствует развитию тканевой инженерии в ортопедии.

Тканевая инженерия подразумевает использование клеток в комплексе с биологическими или артифициальными матрицами, которые направляют клетки в процессе репарации или регенерации. Эти клетки могут «управляться» при помощи специальных биоактивных молекул, ex-vivo генной трансфекцией или физическими факторами и формировать новые ткани in vitro для последующей реимплантации in vivo.

Кроме того, клетки и специальные матрицы, которые включают в себя биоактивные молекулы, такие как ростовые факторы, могут комбинироваться in vivo для последующего усиления тканевой репарации. Для примера, аутологичные хондроциты, полученные путем артроскопии, могут использоваться для репарации хрящевой ткани сустава.

В последние годы разработаны технологии выделения ростовых факторов, таких как трансформирующий фактор-бета-3 и его аналогов – костных морфогенетических протеинов – bone morphogenic proteins (BMPs)/ BMP-2 [18] и BMP-7 (OP-1), что позволяет использовать данные ростовые факторы в клинической практике для расширения зоны и скорости костной репарации при проведении трансплантации.

Формирование костной ткани: основные этапы, принципы, сохранение целостности

Формирование костной ткани для последующего использования в клинической практике было впервые представлено в 1965 году: были выделены BMPs, которые могли стимулировать мезенхимальные стволовые клетки в клетки предшественники остеогенеза с последующим формированием костной ткани. Человеческая cDNA BMP-7 (OP-1) была клонирована в 1990 г.

Следующим был рекомбинантный человеческий остеогенный протеин-1 (recombinant human osteogenic protein-1 /rhOP-1/), индуцирующий in vivo формирование новой костной ткани, обладая схожей специфической активностью с натуральным остеогенным протеином, стимулируя пролиферацию и дифференцировку остеобластов in vitro; rhOP-1 способен индуцировать образование костной ткани посредством стимуляции мезенхимальных стволовых клеток и их дальнейшей дифференцировки в клетки-предшественники остеогенеза.

Введение рекомбинантного человеческого остеогенного протеина-1 в область дефекта кости и в место перелома привело к полному восстановлению кости через 30 месяцев.

В исследованиях австралийских ученых, проведенных на пациентах с переломами длинных трубчатых костей, использовался рекомбинантный человеческий остеогенный протеин OP-1. У 65% больных наблюдалось полное восстановление дефекта костной ткани. Интраоперационное применение клеточных технологий на основе взрослых стволовых клеток получило широкое распространение при лечении старых и многооскольчатых переломов.

Основанием для применения данного вида терапии являются достоверные данные о содержании клеток – предшественников остеогенеза в костном мозге взрослого человека – 1 клетка на 23 000. Данная манипуляция может проводиться непосредственно у операционного стола, что позволяет незамедлительно использовать полученные клетки.

Теоретически использование взрослых клеток – предшественников остеогенеза в достаточном количестве в комбинации с подходящей матрицей, может быть более результативным, чем применение традиционной аутологичной пересадки костной ткани. Это связано с тем, что остеогенные стволовые клетки могут незамедлительно начать пролиферировать и покрывать костную неоматрицу без необходимости удаления «старой матрицы», присутствующей при традиционной аутологичной пересадки костной ткани.

C.A. Vacanti с соавторами заместили поврежденную дистальную фалангу большого пальца кисти на кость, созданную путем тканевой инженерии, содержащую аутологичные остеогенные клетки-предшественники. Это была первая клиническая попытка успешного использования методов тканевой инженерии для восстановления целой кости.

Результаты обнадеживающие, но, к сожалению, нет данных о функциональных результатах лечения.

Также была предпринята попытка восстановления сухожилий и связок путем применения геля, содержащего коллаген I типа и мезенхимальные стволовые клетки. Установлено, что происходит перестройка крупных коллагеновых волокон в зоне инъекции с увеличением прочности сухожилия.

Таким образом, можно констатировать, что в настоящее время клеточные технологии активно интегрируются в клинику, и в частности в травматологию и ортопедию. Однако нужно учесть, что активность внедрения этих технологий вплотную зависит от взаимодействия специалистов различных клинических и фундаментальных медико-биологических дисциплин (цитологии, гистологии, травматологии и ортопедии, радиологии и др.).

Плодотворное использование творческого потенциала этих специалистов позволит найти новые высокоэффективные методики лечения различных повреждений и заболеваний опорно-двигательной системы человека. К сожалению, несмотря на большую прикладную и социальную значимость, отечественная наука не проявляет к данной проблеме должного интереса.

Ссылки по теме:

• Травматизм
• Нанотехнологии в медицине (в травматологии и ортопедии)
• Новое в травматологии и ортопедии

Автор материала Елена Васильева, врач общей практики специально для Spinet.ru

Также стоит почитать: