Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

Заживление суставного хряща при имплантации минерального компонента костного матрикса

Ирьянов Ю.М. 1 Дюрягина О.В. 1
1 ФГБУ «РНЦ «Восстановительная травматология и ортопедия» им. акад. Г.А. Илизарова»
В эксперименте на половозрелых крысах Wistar исследованы особенности регенерации суставного хряща коленного сустава после имплантации в зону повреждения гранулированного минерального компонента костного матрикса (МККМ), полученного по оригинальной технологии. Установлено, что МККМ имеет упорядоченную высокопористую структуру, близкую к естественной архитектонике костного матрикса и химический состав, соответствующий минеральному составу кости. МККМ обладает выраженными хондро- и остеиндуктивными свойствами, обеспечивает пролонгированную активизацию репаративного процесса, ускоренное органотипическое ремоделирование и восстановление поврежденного суставного хряща.
суставной хрящ
репаративная регенерация
имплантация
минеральный компонент костного матрикса
1. Деев Р.В., Исаев А.А., Кочиш А.Ю., Тихилов P.М. Пути развития клеточных технологий в костной хирургии // Травматология и ортопедия России. – 2008. – № 1(47). – С. 65–74.
2. Европейская конвенция по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей // Вопр. реконструктивной и пластической хирургии. – 2003. – № 4. – С. 34–36.
3. Ирьянов Ю.М., Ирьянова Т.Ю. Влияние гамма-излучения на минерализацию длинных трубчатых костей у крыс // Морфологические ведомости. – 2005. – № 3–4. С. – 38–40.
4. Ирьянов Ю.М., Ирьянова Т.Ю. Биоматериал для замещения дефекта кости и способ его получения. Заявка РФ № 2011147604. 23.11.2011. Положительное решение 30.11.2012.
5. Ирьянов Ю.М., Ирьянова Т.Ю. Рентгеновский электронно-зондовый микроанализ в количественной гистохимии // Морфологические ведомости. –2010. – № 3. – С. 77–81.
6. Лысенок Л.Н. Биоматериаловедение: вклад в прогресс современных медицинских технологий // Клеточная трансплантология и тканевая инженерия. – 2005. – № 2. – С. 56–61.
7. Шишацкая Е.И. Клеточные матриксы из резорбируемых полигидроксиалканоатов // Клеточная трансплантология и тканевая инженерия. – 2007. – Т. 2, № 2. С. – 68–75.
8. Duguy N., Petite А., Arnaud Е. Biomaterials and osseous regeneration // Ann. Chir. Plast. Esthet. – 2000. – Vоl. 45. – № 3. – Р. 364–376.
9. Eberli D., Atala А. Tissue engineering using adult stem cells // Methods In Enzymology. – 2006. – Vol. 420. – P. 287–302.

Разработка, научное обоснование и экспериментально-морфологическая апробация применения биоматериалов с хондропластической эффективностью – одна из наиболее актуальных проблем современной ортопедии и травматологии [1]. Наиболее часто используемыми имплантационными материалами в настоящее время являются: деминерализованный костный матрикс, матрицы из полимолочных и полигликолевых кислот, коллагеновые криогели, стеклокристаллические материалы, аналоги костного минерала, полисахариды природного происхождения [8]. Недостатками этих имплантатов являются: сложность изготовления, низкая пластическая эффективность, отсутствие хондрогенной активности, ограниченная биосовместимость. При их получении используют термическую обработку и деминерализующие вещества, что отрицательно сказывается на клинических результатах [1, 7].

Цель работы – морфологический анализ репаративного хондрогенеза при имплантации в зону повреждения коленного сустава минерального компонента костного матрикса (МККМ), полученного по оригинальной технологии без применения термической и деминерализующей обработки [4].

Материал и методы исследования

Эксперименты выполнены на 20 половозрелых крысах линии Wistar массой 340–390 г в условиях операционной с применением общей анестезии (рометар 8 мг и золетил 4 мг на 1000 г массы тела внутримышечно). Использовали также 5 интактных животных. Содержание, эксперименты и эвтаназию животных выполняли в соответствии с нормативными документами [2]. На пателлярной поверхности дистального конца левой и правой бедренной кости зубным бором моделировали несквозные окончатые дефекты диаметром 2,5–3 мм до проникновения в субхондральную кость. В область дефекта правой кости вводили гранулированный МККМ массой 2–3 мг, зону дефекта левой кости не подвергали никакому воздействию и использовали в качестве контроля. МККМ получали из аллогенных трубчатых костей с последующим измельчением до порошкообразного состояния [4]. Через 7, 15, 30 и 60 суток после операции животных выводили из эксперимента (использовали по 5 животных на каждый срок). Бедренные кости фиксировали в 2 % растворе параформальдегида и глутаральдегида и заливали в парафин (после декальцинации) и в аралдит (без декальцинации). Парафиновые срезы окрашивали гематоксилином и эозином, пикрофуксином по Ван-Гизону и альциановым синим при рН 2,5 и 1,0. Концентрацию альцианового синего, отражающую содержание гликозаминогликанов, и химический (элементный) состав МККМ определяли при помощи энергодисперсионного рентгеновского спектрометра (рентгеновского электронно-зондового микроанализатора) INCA-200 Energy (Oxford instruments, Англия) [5]. Структуру МККМ и регенератов исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-840 (Jeol, Япония). Результаты количественных исследований обрабатывали методами вариационной статистики. Достоверность различий сравниваемых параметров рассчитывали с использованием критерия Стьюдента. Различия считали значимыми при уровне значимости Р < 0,05.

Результаты исследования и их обсуждение

Имплантируемые гранулы МККМ имеют размер 50–200 мкм в поперечнике и упорядоченную высокопористую структуру, строение их поверхности характеризуется резко выраженной шероховатостью и фрактальностью с размером зерна в нанодиапазоне. Они обладают множеством взаимосвязанных макро- и микропор неправильной формы размером 10–20 мкм, некоторые из которых имеют размеры менее 100 нм. Поры соответствуют местам локализации остеоцитарных лакун и костных канальцев, из которых клетки и другие органические компоненты были удалены при получении имплантата (рис. 1).

pic_8.tif pic_9.tif

Рис. 1. Гранулы МККМ. Сканирующая электронная микроскопия

Микроархитектоника гранул МККМ близка к естественной архитектонике костного матрикса. Химический состав МККМ (табл. 1) соответствует минеральному составу коркового слоя диафиза большеберцовой кости интактных взрослых крыс [3].

Таблица 1

Содержание элементов в составе имплантируемых гранул МККМ (%, М ± m)

Химические элементы

Натрий

Магний

Фосфор

Сера

Кальций

Массовые проценты

0,44 ± 0,02

0,35 ± 0,01

13,59 ± 0,65

0,28 ± 0,01

26,76 ± 1,33

Величина коэффицента Са/Р, отражающая качественный состав апатита в гранулах МККМ, составляет 1,97 ± 0,11, что меньше чем у кристаллического гидроксилапатита. Это свидетельствует, по литературным данным [8, 9], о том, что МККМ не является аналогом стехиометрического гидроксилапатита – Са10[РО4]6[OH]2, а представляет собой даллит – карбоксигидроксилапатит – Са5[РО4]∙[СO3]3ОН с лабильной структурой поверхностного слоя аморфного карбонатапатита, обладающего более выраженной, по сравнению с натуральной костью, интенсивностью обмена ионов.

Проведенные исследования показали, что через 7 суток после операции в левой и правой конечности суставная капсула гиперемирована и отечна. Хрящевое покрытие приобретает матовый оттенок. В зоне повреждения выявляются признаки воспалительной реакции и альтеративно-деструктивные преобразования, затрагивающие все компоненты метаэпифиза. Обнаруживаются очаги организованной гематомы, инфильтрированной сгустками фибрина, малодифференцированными клеточными элементами, нейтрофильными гранулоцитами, макрофагами, тучными клетками, экстравазальными эритроцитами и лимфоцитами. Выявляются лейкоцитарно-некротические массы, содержащие лизированные клетки и пласты фибрина. Суставной хрящ скарифицирован. Зона дефекта частично восполняется грануляционной и малодифференцированной рыхлой соединительной тканью с признаками отека и немногочисленными сосудами. В правой (опытной) кости в зоне повреждения субхондральной кости наблюдаются единичные костно-остеоидные очаги репаративного костеобразования по типу интрамембраного остеогенеза и единичные тонкие трабекулы. Достоверных отличий в содержании гликозаминогликанов в зоне повреждения суставного хряща на этом этапе эксперимента в контроле и опыте не выявлено (табл. 2).

Таблица 2

Содержание гиалуроновой кислоты и сульфатированных гликозаминогликанов в зоне повреждения суставного хряща (у.е., М ± m)

Период исследования, сутки

До операции

7

15

30

60

Контроль:

гиалуроновая кислота

сульфатированные гликозаминогликаны

0,59 ± 0,03

0,68 ± 0,03

0,18 ± 0,01

0,11 ± 0,01

0,19 ± 0,01

0,12 ± 0,01

0,21 ± 0,01

0,16 ± 0,01

0,22 ± 0,01

0,24 ± 0,01

Опыт:

гиалуроновая кислота

сульфатированные гликозаминогликаны

0,58 ± 0,03

0,69 ± 0,03

0,20 ± 0,01

0,12 ± 0,01

0,49 ± 0,01*

0,26 ± 0,01*

0,56 ± 0,02*

0,54 ± 0,01*

0,59 ± 0,03*

0,70 ± 0,01*

Примечание. * – достоверные отличия по сравнению с контрольными показателями.

Через 15 суток после операции в контрольной кости в центральной зоне дефекта выявляются многочисленные лейкоциты, фибробластические элементы, пучки коллагеновых волокон, грануляционная ткань и значительное количество расширенных и заполненных кровью сосудов. В правой (опытной) кости клеточно-волокнистые элементы воспаления не выявляются, репаративное костеобразование происходит не только по типу интрамембраного, но и энхондрального остеогенеза. В зоне повреждения субхондральной кости формируется обширная мелкопетлистая сеть утолщенных трабекул, покрытых рядами многочисленных крупных остеобластов, образующих губчатую кость, тесно спаянную с поверхностью подлежащей кости. Вокруг и внутри имплантируемых гранул МККМ, имеющих вид кистозных полостей, которые образовались вследствие биодеструкции и декальцинации образца, располагаются фукционально активные остеокласты с многочисленными ядрам и щеточной каемкой (рис. 2).

pic_10.tif

Рис. 2. Зона дефекта суставного хряща. 15 суток после операции. Остеокласт внутри имплантируемой гранулы МККМ. Многочисленные синусоиды окружены пролиферирующими периваскуляроцитами. Гематоксилин-эозин. Объектив 40, окуляр 10

В этих участках отсутствуют геморрагии и очаги деструкции, отмечается активная пролиферация фибробластов, интенсивный неоангиогенез, на поверхности гранул располагаются слои остео-хондрогенных клеток на различных этапах дифференцировки. Зона дефекта суставного хряща частично заполнятся новообразованным гиалиновым хрящом, межклеточное вещество которого содержит преимущественно несульфатированные гликозаминогликаны (табл. 2) и сливается с краями «материнского» суставного хряща, где выявляются клеточные гнезда с изогенными группами. Наличие последних свидетельствует о пролиферативной активности части хондроцитов, являющихся одним из источников хрящевой ткани, заполняющей дефект. Вторым источником являются хондроциты, располагающиеся вокруг гранул МККМ и третьим – хондроциты в зоне энхондрального остеогенеза при заживлении перелома субхондральной кости. Концентрация гликозаминогликанов в зоне дефекта в опыте более чем в 2 раза превосходит контрольные значения (табл. 2). Свойства хондро- и остеоиндуктора имплантационным гранулам МККМ обеспечивают локализованные в них факторы роста и костные морфогенетические белки, которые располагаются в минерализованном матриксе костной ткани и выделяются при остеокластической резорбции [1, 8].

Через 30 и 60 суток после операции в контрольной кости значительный объем зоны дефекта заполнен рыхлой или плотной соединительной тканью (рис. 3, 4). Новообразованная хрящевая ткань формируется лишь в области субхондральной кости в результате ее повреждения и лентовидными структурами отрастает от краев дефекта. В опытной кости дефект суставного хряща почти полностью заполнен новообразованным гиалиновым хрящом с гладкой поверхностью, который отрастает не только от субхондральной кости, но и главным образом от краев дефекта, где располагаются клеточные гнезда, свидетельствующие о пролиферативной активности хондроцитов.

pic_11.tif pic_12.tif

Рис. 3. Зона дефекта суставного хряща. 30 суток после операции. Слева – контроль, справа – опыт. Альциановый синий, рН 2,5. Объектив: слева – 10, справа – 20, окуляр 10

pic_13.tif pic_14.tif

Рис. 4. Зона дефекта суставного хряща коленного сустава. 60 суток после операции. Слева – контроль, справа – опыт. Гематоксилин-эозин. Объектив 20, окуляр 10

Поверхность новообразованного гиалинового хряща приобретает свойственный суставному хрящу интактных животных блеск. Клеточная популяция хрящевого регенерата представлена дифференцированными и пролиферирующими формами хондроцитов с преобладанием последних. Строение регенерата еще не имеет характерной для суставного хряща специфичности. Содержание не сульфатированных и сульфатированных форм гликозаминогликанов через 30 суток после операции в дефекте опытной кости более чем в 2 раза превосходит контрольные показатели, но между собой достоверно не отличается, тогда как через 60 суток сульфатированные формы преобладают, что свидетельствует о более высокой степени зрелости новообразованной хрящевой ткани (табл. 2), приближающейся к степени зрелости, свойственной суставному хрящу интактных животных. Клинические наблюдения показали, что в этот период сгибание и разгибание коленного сустава опытной конечности происходили в полном объеме.

Заключение

Установлено, что гранулы МККМ при имплантации в зону дефекта суставного хряща коленного сустава выявляются на всех сроках последующего наблюдения, оказывают выраженное хондромодулирующее действие, пролонгировано активизируют репаративный хондро- и остеогенез. В зоне повреждения суставного хряща в ранние сроки формируется регенерат, приобретающий клеточную специфику гиалиновой хрящевой ткани, образуется целостное хрящевое покрытие, постепенно выравниваются нарушенные контуры суставной поверхности, что приводит к полному или частичному восстановлению функциональной активности сустава. Таким образом, применение имплантата из МККМ в качестве стимулятора хондро- и остеогенеза представляется теоретически обоснованным и перспективным для коррекции деструктивных нарушений в хрящевой и костной тканях.


Библиографическая ссылка

Ирьянов Ю.М., Дюрягина О.В. Заживление суставного хряща при имплантации минерального компонента костного матрикса // Успехи современного естествознания. – 2013. – № 4. – С. 20-24;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=31637 (дата обращения: 26.11.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074