CC BY
106
Оригинальные исследования
41
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПЛАНТАТОВ ИЗ НИКЕЛИДА ТИТАНА ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ НИЖНЕЙ ЧЕЛЮСТИ
Н.М. Дюрягин 1, С.С. Степанов 1, В.В. Семченко 2, Е.Н. Дюрягина 1 10мская государственная медицинская академия, Омск, Россия
2 Институт ветеринарной медицины и биотехнологий Омского государственного аграрного университета, Омск, Россия
Experimental studyof titanium nickelideimplantsfor mandibula reconstruction
N.M. Dyuryagin 1, S.S. Stepanov1, V.VSemchenko 2, Ye.N. Dyuryagina 1
1 Omsk State Medical Academy, Omsk, Russia
2 Institute of Veterinary Medicineand Biotechnology of Omsk State Agrarian University, Omsk, Russia
При реконструкции резецированных фрагментов нижней челюсти кроликов имплантатом из никелида титана восстановление целостности кости происходит в 4 раза быстрее, чем в условиях естественного репаративного процесса при равнозначном результате. При этом, для минимизации влияния имплантата на репаративный процесс во втором случае изделие устанавливалось в позиции передней дислокации, то есть кпереди от проекции резецированной ветви. Долгосрочный функциональный эффект (62—65 мес.) во всех случаях наблюдений обосновывает перспективность разработанного медицинского изделия для клинического применения.
Ключевые слова: никелид титана, резекция нижней челюсти, репаративная регенерация.
Проблема реконструкции нижней челюсти и височно-нижнечелюстного сустава имеет ряд способов решения методами костной пластики и эндопротезирования [1]. Однако существующие технологические сложности в их применения, выполнимость не в каждой клинической ситуации, наличие противопоказаний, случаи не вполне удовлетворительных результатов лечения актуализируют проблему поиска новых, более эффективных средств и методов лечения [2, 3]. Одним из подходов, в рамках которого создаются перспективные для решения данной проблемы разработки, является тканеинженерный.
Современные тканеинженерные технологии, направленные на создание эквивалентов костной ткани, построены по известным принципам: основу тканеинженерных конструкций составляют носители с заданными свойствами, а «функционирующими единицами» являются экзогенные клетки, например, мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки (ММСК) костного мозга, пуповинной крови, жировой ткани, в том числе преддифференцированные в остеобластическом направлении [4—7]. После трансплантации в область костного дефекта тканеинженерный эквивалент вступает во взаимодействие с компонентами, реализующими естественный репаративный процесс как компенсаторно-адаптационную реакцию организма в ответ на повреждение. Для реконструктивной хирургии проблема оптимизации их позитивного взаимодействия является очень важной и актуальной [8]. В этой связи, углубленное изучение особенностей биомеханики и эффективности репаративного остеогистогенеза в посттравматическом периоде является фундаментальной основой разработки тканеинженерных технологий.
Reconstruction of the resectedmandiblefragmentsof rabbitsby NiTi implant leaded to bone restoration that occurred 4 times fasterthanunder naturalreparative processwithequal results. To minimize the effectof the implantonreparative processin the second casethe construction was
fixedinpositionof the frontaldislocation, i.e.anteriorlyto the resectedbranchprojection. Long-termfunctional effect (62—65 months) in all casesjustifys the prospectsof medical devicefor clinical application.
Key words: NiTi, mandibleresection, reparative
regeneration.
Цель исследования: оценить динамику репаративного процесса при адекватной и неадекватной реконструкции нижней челюсти имплантатом из ни-келида титана.
Материал и методы
Экспериментальное исследование проведено на кроликах возрастом 6 мес., массой 4,8—5,0 кг в соответствии с приказами МЗ СССР № 755 от 12.08.77 и № 701 от 27.07.78 об обеспечении принципов гуманного обращения с животными [9]. Кролики содержались в условиях вивария, регламентированных приказом МЗ СССР № 1179 от 10.10.1983 г.
Животные (n = 20) были разделены на две равные группы, в каждой из которых выполнялась резекция правой ветви нижней челюсти с экзартику-ляцией как модель критического пострезекционного дефекта [9, 10] и реконструкция титановым имплантатом из никелида титана.
Для животных обеих экспериментальных групп имплантаты из никелида титана создавали в соответствии с принципами биомеханического разделения структур опорно-двигательного аппарата на пассивные и активные (рис. 1) [9, 11, 12]. Изготовленные изделия моделировались на скелетных прототипах и имплантировались животным из поднижнечелюстного оперативного доступа: имплантаты из никелида титана устанавливались и фиксировались к костным фрагментам, мягкие ткани ушивались послойно.
В группе I воссоздавалась типичная ситуация неадекватной реконструкции или посттравматической деформации нижней челюсти, для чего имплантат из никелида титана устанавливался не в проекции
е-mail: dyuryagin1953@mail.ru
Гены & Клетки Том IX, № 1,2014
42
Оригинальные исследования
резецированной ветви (не в зоне костного дефекта), а в позиции передней сагиттальной дислокации, т.е. часть имплантата, моделирующая мыщелковый отросток, позиционировалась кпереди от суставной ямки (рис. 2).
Животным группы II (n = 10) выполняласьа-декватная реконструкция, при которой имплантат из никелида титана устанавливался в правильном положении, с размещением головки мыщелкового отростка в суставной ямке (рис. 3).
Рис. 1. Компоненты имплантата из никелида титана: А — сетчатое полотно, эквивалент надкостницы; Б — проволочная спираль, эквивалент кортикального вещества кости;
В — твердый пористый никелид титана, эквивалент губчатого вещества кости
Рис. 2.Фиксация имплантата в группе I. Вариант неадекватной реконструкции или посттравматической деформации нижней челюсти: А — схема установки имплантата, Б — 3D-реконструкция черепа кролика; d — расстояние от головки мыщелкового отростка имплантата до суставной впадины (или ее проекции), дислокация кпереди
Рис. 3. Фиксация имплантата в группе II. Вариант адекватной реконструкции нижней челюсти: А — схема установки имплантата; Б — скелетная модель реконструкции с размещением головки имплантата в суставной ямке
Гены & Клетки Том IX, № 1,2014
Оригинальные исследования
43
Рентгенологические методы исследования
В течение последующих 1,2, 3, 4 и 5 лет наблюдений животным обеих групп проводилась мультиспиральная компьютерная томография (МСКТ). Рентгенологические исследования выполняли на установке Philips Brilliance CT 6-Slice с построением 3й-изображений и использованием программы eFilm Workstation 2.1 для верификации рентгенологической плотности участков костной ткани в единицах Хаунсфилда (HU) [13].
По компьютерным томограммам определяли: 1) биотопометрические показатели реконструированных нижних челюстей; 2) показатели плотности и динамику их изменений в костном регенерате, сформировавшемся в отдалении от имплантата из никелида титана, установленного с передней сагиттальной дислокацией, а также в тканевых структурах, сформировавшихся в его проекции (группа I);
3) показатели и динамику изменения плотности костного регенерата, образовавшегося в условиях адекватной реконструкции в проекции установленного имплантата из никелида титана (группа II);
4) аналогичные показатели в костной ткани интактных фрагментов челюстей; 5) рентгенологические показатели состоятельности зубов и прикуса. Показатели плотности регенерата получали из одного точечного региона, визуализированного в 4 плоскостях (MPR0, MPR1, MPR2, MPR3), что для каждого животного составляло 16 значений за одно исследование [10, 18].
Гистологический анализ
Материал для гистологического исследования в группе I забирали после естественной смерти животных (через 62—65 мес.), а в группе II — выполняли биопсии (2x2x2 мм) через 30, 130, 250 и 365 сут. после введения в эксперимент, а также забирали материал после смерти животных [14].
Материалы фиксировали в 10% растворе нейтрального формалина на фосфатном буфере фирмы (Биовитрум, Санкт-Петербург), проводили декальцинацию. Затем извлекали фрагменты нитей никелида титана (группа I), а блоки заливали в парафин [15]. На ротационном микротоме LaboCut 4055 (фирма Slee, Германия) изготавливали срезы толщиной 5 мкм. Часть срезов окрашивали обзорными кра-
сителями: гематоксилином и эозином, по методу Ван Гизона [15]. Другую часть препаратов использовали для иммуногистохимического исследования с моноклональными антителами к следующим белкам: CD68 (маркер макрофагов), CD34 (эндотелиальные клетки сосудов), Col-4 (базальная мембрана эпителия) и Ki-67 (маркер пролиферирующих клеток). Постановку иммуногистохимических реакций осуществляли согласно рекомендациям фирмы-производителя. Визуализацию результатов проводили с использованием системы детекции Ultra Vision ONE DetectionSystem HRP Polymer, инкубировали с хромогеном — DAV PlusSubstrateSystem, срезы докрашивали гематоксилином Майера и заключали в БиоМаунт-среду. Для оценки качества реакции использовали стекла с позитивным контролем для каждого из антител (фирма Labvision, США). Характер иммуногистохимических реакций оценивали визуально в баллах с учетом интенсивности окраски и процента позитивных клеток.
Микрофотосъемку полученных препаратов проводили на микроскопе AxioScope 40 и AxioStar (Carl Zeiss, Германия) с встроенным TV-адаптером и цифровой видеокамерой CarlZeissImager. Морфометрический анализ регенерата выполняли с использованием компьютерной программы ImageJ 1.41 [16].
Проверку статистических гипотез при анализе количественных данных осуществляли с помощью компьютерной программы Statistica 8.0. Использовали однофакторный (ANOVA) ранговый дисперсионный анализ Фридмана (для зависимых выборок) и Краскела — Уоллиса (для независимых выборок), а также парный сравнительный анализ для зависимых и независимых выборок (критерии Вилкоксона и Манна — Уитни, соответственно). Учитывая непараметрическое распределение количественных признаков результаты представляли с использованием медианы, верхних и нижних квартилей. Нулевая гипотеза отвергалась при р<0,05 [17].
Результаты и обсуждение
У животных группы I в течение первых 6 мес. наблюдений при объективном обследовании определялось незначительное смещение средней линии нижней челюсти влево — в сторону, противоположную поврежденной (рис. 4).
Рис. 4. Анатомо-топометрические результаты восстановления нижней челюсти у животных группы I, 6 мес. после операции: А — смещение центра нижней челюсти влево;
Б — формирование костного регенерата в виде новых ветвей с мыщелковым отростком нижней челюсти
Гены & Клетки Том IX, № 1,2014
44
Оригинальные исследования
Через 12 мес. наблюдений прикус приходил к норме, средняя линия выравнивалась, что сохранялось до конца эксперимента. По его завершению макропрепараты эксплантированных нижних челюстей были исследованы топометрически. Интересно, что в результате или несмотря на неадекватную коррекцию процессов восстановления нижней челюсти имплантатом с сагиттальной дислокацией, у животных группы I в проекции резецированной ветви нижней челюсти, т.е. в отдалении от имплантата, «самостоятельно» формировался костный регенерат с надкостницей в виде новой ветви с мыщелковым отростком нижней челюсти. Регенерат располагался позади имплантата, практически полностью восстанавливая индивидуальную конфигурацию, биомеханическую симметрию правой и левой половин челюсти (рис. 4Б). При этом, фрагменты височной, латеральной крыловидной и жевательной мышц соединялись с восстановленными костными образованиями в типичных местах, что свидетельствовало о полной функциональной реконструкции [18]. Дислоцированные части имплантатов были заполнены преимущественно мягкими тканями и не объединялись с мышцами.
У животных группы II в условиях адекватной реконструкции дислокации ветвей челюстей, смещения центра нижней челюсти, изменений прикуса не отмечалось (рис. 5).
Установленные изделия не препятствовали репаративному процессу, дефекты челюстей замещались полноценными костными регенератами, во внутренней части которых располагались элементы имплантатов из никелида титана, а наружная их поверхность была оптимально интегрирована с соответствующими сухожильно-мышечными структурами, что определяло полное восстановление. Оптимальная функциональная активность нижних челюстей у животных этой группы отмечалась уже через 3 мес. после операции [19].
Таким образом, в группе I по истечении 12 мес. наблюдения были получены результаты оптимальной реконструкции резецированных фрагментов и полная ликвидация биомеханических дефектов челюстей. В группе II, в условиях адекватной реконструкции, уже по истечении 3 мес. наблюдений были получены результаты оптимальной реконструкции резецированных фрагментов и полная ликвидация биомеханических дефектов челюстей.
По данным МСКТ и расчету биотопометрических показателей у животных группы I в проекции резецированных ветвей нижних челюстей через 12 мес. после операции четко определялись регенераты, соответствующие по своей структуре и плотности зрелой костной ткани. В дальнейшем плотность статистически значимо не менялась (табл. 1). Части имплантатов, моделирующие мыщелковые отростки, оставались в позиции передней сагиттальной дислокации (рис. 6). При этом, плотность тканей, образовавшихся вокруг дислоцированных элементов имплантатов, была низкой и в динамике убывающей, вероятно, за счет их расположения вне зоны активной костной регенерации (табл. 1).
У животных группы II через 12 мес. после операции, по данным рентгенологических методов исследования, имплантированное изделие, инкрустированное в регенерат по плотности и структуре, соответствовавший костной ткани, находилось в первоначальном положении, с головкой, расположенной в суставной ямке (рис. 7). Плотность регенерата в последующих сроках наблюдения не менялась.
Показатели плотности интактных фрагментов челюстей оставались стабильными на всех сроках наблюдения. Рентгенологические показатели функциональной состоятельности зубов и прикуса, кроме временных изменений в I группе в течение первых 6 мес. после операции, оставались стабильными.
Рис. 5. Положение нижней челюсти у животных группы I через 12 мес. после операции. Возвращение к норме
Гены & Клетки Том IX, № 1,2014
Оригинальные исследования
45
По данным гистологического исследования, в группе II было установлено, что через 30 сут. после операции дислоцированные компоненты имплантата из никелида титана были окружены рыхлой волокнистой соединительной тканью (рис. 8) с большим количеством вновь образованных сосудов гемомикроциркуляторного русла (рис. 9А). При этом отмечался высокий уровень пролиферативной
активности клеток соединительнотканного регенерата (рис. 9Б). Моноцитарно-гистиоцитарный дифферон был представлен небольшим количеством макрофагов. В условиях раневого гистогенеза вокруг сетчатых элементов имплантата формировались ретику-лофиброзная костная ткань и гиалиновая хрящевая ткань как провизорный субстрат регенерирующей кости.
Таблица 1. Плотность костных регенератов и интактной кости в группе I в единицах Хаунсфилда (HU). Данные представлены какMe (Ql; Qh)
Срок наблюдения Зоны измерений
Интактная кость (контроль) Костный регенерат, отдельный от имплантата Регенерат в структуре имплантата
1 год 823,0 (584,5; 1111,5) 510,0 (365,0; 789,5) p = 0,001* 418,5 (273,0; 530,5) p = 0,0000* p = 0,051 +
2 года 866,5 (529,5; 1204,0) 610,0 (379,0; 943,5) p = 0,047* 409,5 (254,0; 627,0) p = 0,0000* p = 0,013+
3 года 900,0 (526,5; 1004,0) 792,5 (532,0; 1064,5) p = 0,89* 500,5 (400,5; 676,5) p = 0,0003* p = 0,0003+
4 года 786,0 (529,5; 1007,0) 651,0 (427,5; 1041,0) p = 0,036* 487,0 (366,5; 585,5) p = 0,640* p = 0,018+
5 лет 975,0 (472,5; 1168,0) 696,0 (397,0; 762,5) p = 0,011* 328,0 (253,0; 726,5) p = 0,0000* p = 0,026+
Сравнение показателя в группе в динамике p = 0,400 p = 0,052 p = 0,500
* — при сравнении с контролем различия статистически значимы, p<0,05; « + » — при сравнении с костным регенератом, отдельным от имплантата, различия статистически значимы, p<0,05.
Рис. 6. Череп кролика группы I через 12 мес. после операции.
Стрелки — новообразованная ветвь нижней челюсти позади дислоцированного имплантата. Мультиспиральная компьютерная томография
Гены & Клетки Том IX, № 1,2014
46
Оригинальные исследования
Рис. 7. Череп кролика группы II через 12 мес. после операции. Стрелкой обозначена головка имплантата в проекции суставной впадины. Мультиспиральная компьютерная томография
Рис. 8.
Регенерат из рыхлой волокнистой соединительной ткани вокруг сетчатых элементов эндопротеза (стрелка),
30 сут. после операции.
Окр.: гематоксилин и эозин.
Ув. х100
Рис. 9. Регенерат, сформировавшийся в зоне имплантации конструкции из никелида титана:
А — экспрессия CD34; Б — экспрессия Ki-67. Иммуногистохимическая реакция, докраска гематоксилином Майера. Ув. х400
Гены & Клетки Том IX, № 1,2014
Оригинальные исследования
47
Таблица 2. Численность клеток в 1 мм2 плоскости среза регенерата в группе I в различные периоды посттравматического репаративного остеогенеза. данные представлены как Me (Ql; Qh)
Клетки Время после операции, сут. Критерий Фридмана
30 130-140 213-275 365
Фибробласты 9,8 (7,5; 10,2) 6,3 (4,2; 7,0)* 4,1 (3,4; 4,8) + 2,8 (1,7; 3,2) *+ С2 = 15,5; p = 0,001#
Хондробласты 2,7 (2,3; 3,1) 2,2 (1,7; 2,3) * 1,4(1,1;1,6) *+ 1,1 (0,8; 1,2) + С2 = 9,9; p = 0,01#
Остеобласты 1,8 (1,5; 1,9) 4,7 (3,9; 5,1)* 4,9 (4,5; 6,6) + 2,5 (2,2; 4,1) *+ С2 = 12,3; p = 0,001#
* — различия статистически значимы в сравнении с предыдущим сроком, p<0,05; « + » — различия статистически значимы в сравнении с 30 сут., p<0,05; # — изменения показателя в течение 365 сут. наблюдения статистически значимы.
По данным морфометрического анализа, через 30 сут. после операции превалировали клетки фи-бробластического дифферона (табл. 2). В последующем динамика морфометрических изменений сводилась к прогрессивному снижению содержания фибробластов и хондробластов при увеличении содержания остеобластов и количества очагов остеогенеза. У животных второй группы полная реорганизация провизорного субстрата в дефинитивную костную ткань и ее интеграция с искусственным матриксом завершалась через 275—365 сут. [14, 16].
Интересно, что даже в группе I, в условиях, когда реконструкция нижней челюсти была выполнена таким образом, чтобы лишь создать условия для реализации естественного репаративного процесса (сохранение функции нижней челюсти после частичной резекции) без оптимизации его хода за счет введенных конструкций, наблюдалось формирование костного регенерата в проекции резецированной ветви нижней челюсти. Такие данные можно считать иллюстрацией описанного ранее в литературе положения о «памяти формы», характерной для костей скелета,
ЛИТЕРАТУРА:
1. Брусова Л.А. Эндопротезирование лица. В кн.: А.А. Кулаков, Т.Г. Робустова, А.И. Неробеев, редакторы. Хирургическая стоматология и челюстно-лицевая хирургия. Национальное руководство. Москва: «Геотар-Медиа»; 2010. С. 834—6.
2. Неробеев А.И. Принципы устранения дефектов тканей лица. В кн.: А.А. Кулаков, Т.Г. Робустова, А.И. Неробеев, редакторы. Хирургическая стоматология и челюстно-лицевая хирургия. Национальное руководство. Москва: «Геотар-Медиа»; 2010. С. 636—657.
3. Решетов И.В., Штанский Д.В., Левашов Е.А. и др. Проведение экспериментальных испытаний титановых имплантатов с многофункциональными биоактивными наноструктурированными покрытиями для реконструктивной черепно-челюстно-лицевой хирургии и онкологии. Анналы пластической, реконструктивной и эстетической хирургии 2010; 3: 63-71.
4. Шишацкая Е.И. Клеточные матриксы из резорбируемых по-лигидроксиалкаонатов. Клеточная трансплантология и тканевая инженерия 2007; 2 (2): 68-76.
5. Grayson W. Chao P.H., Marolt D. et al. Engineering, custom-designed osteochondral tissue grafts. Trends Biotechnol. 2008; 26 (4): 181-9.
6. Grayson L.W., Frohlich M., Yeager K. et al. Regenerative medicine special feature: engineering anatomically shaped human bone grafts. PNAS USA 2010; 107(8): 3299-304.
7. Кулаков А.А., Гольдштейн Д.В., Алексеева И.С. и др. Клиническое исследование применения комбинированного клеточного трансплантата у пациентов с выраженным дефицитом костной ткани. Тезисы докладов Всероссийской и международной научной конференции «Стволовые клетки и перспектива их использования в здравоохранении», Москва, 30-31 мая 2007. http://www.cmbt.su/ rus/science/science282.html.
8. Bhumiratana S., Vunjak-Novakovic G. Concise review: personalized human bone grafts for reconstructing head and face. StemCellsTranslMed. 2012; 1(1): 64-9.
9. Дюрягин Н.М., Сысолятин П.Г., Тазин И.Д. Биометрические и технологические аспекты экспериментальных технологий эндопротезирования нижней челюсти композитными эндопротезами из никелида титана. Бюллетень сибирской медицины 2011; 1: 18-24.
за счет которой возможно полное восстановление первоначальной формы органа [20].
заключение
Таким образом, в результате экспериментального исследования показаны высокие, генетически детерминированные возможности костной «органорегенерации» у кроликов с реализацией «памяти формы» даже в случае протяженных дефектов. Так, в группе I наблюдалось естественное восстановление резецированной ветви нижней челюсти с возвращением биомеханических показателей к дооперационным через 12 мес. При этом, имплантаты из никелида титана, корректно смоделированные для замещения ветви нижней челюсти с мыщелковым отростком, уже через 3 мес. обеспечивают нормализацию биомеханических параметров нижней челюсти. Структурно-функциональный результат выполненной реконструкции в обеих группах был одинаковым, однако в группе II был достигнут за в 4 раза меньший срок (3 мес. против 12 мес.).
10. Дюрягин Н.М. Создание биологических моделей гистерезисных живых систем костной ткани и надкостницы. Биофизика 2012; 57(2): 377-382.
11. Гюнтер В.Э. Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы. Т.1. Томск: МИЦ; 2011.
12. Дюрягин Н.М. Новая методология и технологии реконструкции нижней челюсти и височно-нижнечелюстного сустава эндопротезами из материалов никелида титана. Омский научный вестник. Сер. Ресурсы Земли. Человек. 2011; 1 (94): 45—49.
13. Хофер М. Компьютерная томография. Базовое руководство. Москва: Мед. лит.; 2008.
14. Дюрягин Н.М., Семченко В.В., Степанов С.С. и др. Морфофункциональная характеристика гистерезисных имплантационно-тканевых композитов биологических моделей нижней челюсти, формирующихся в сопоставимых и несопоставимых биометрических условиях. Вестник новых медицинских технологий 2012; 19 (2): 334-8.
15. Саркисов Д.С., Перов Ю.Л. Микроскопическая техника. Москва: Медицина; 1996.
16. Семченко В.В., Дюрягин Н.М., Степанов С.С. и др. Репаративный гистогенез костной ткани нижней челюсти при использовании гистерезисных имплантационно-тканевых композитов в составе сопоставимых биометрических условий эксперимента. Морфологические ведомости 2012; 1: 55-9.
17. Реброва О.Ю. Статистический анализ медицинских данных. Применение пакета прикладных программ STATISTICA. Москва: МедиаСфера; 2002.
18. Dyuryagin N.M. Effect of reparative organogenesis of mandible branch in conditions. International conference on European Science and technology, materials of the IV Internationals research and Practice conference. Germany, Munich; 2013. p. 450-6.
19. Dyuryagin N.M. Creation principles of experimental hysteresis in mandibular bone tissue and periosteum living systems. International conference on European Science and technology, materials of the IV Internationals research and Practice conference. Germany, Munich; 2013. p. 457-464.
20. Зацепин С.Т. Костная патология взрослых. Руководство для врачей. М.: Медицина, 2001.
Поступила 20.06.2013
Гены & Клетки Том IX, № 1,2014
