CC BY
28
Лкарю
To
General Practitioner
, що практикуе
Травма
УДК 616.718.42-001.5-089.227
DOI: 10.22141/1608-1706.3.21.2020.208421
Заз'рний 1.М.1, Семенв 1.П.1, Климовицький В.Г.2, Андреев А.3 1Кл1И1чналкарня «феофаня» ДУС, м. КиТв, Украина
2Донецький науково-дослдний 1нститут травматологи та ортопедн, м. Лиман, УкраТна 3Ун1верситетська багатопрофльналкарня активного л1кування «Свята Анна», м. Соф!я, Болгария
Резюме. Асептичний некроз головки стегновоi юстки (АНГСК) — це патолопчний стан, що виникае в результат клтинного порушення, викликаного зниженням активност остеобласт i мсцево! популяцИ мезен^мальних стовбурових клтин (МСК). ^тинна терапя могла б допомогти в лiкуваннi такого стану за допомогою стовбурових та нших клтин-попередниюв, що потенцйно можуть покращувати мсцеве Ытинне середовище в ураженому кульшовому суглоб'1. У рамках лiкування АНГСК було науково обгрунтовано застосування клтинноi' терапИ, а також описано методики iмплантацИавтогенного юстково-мозкового концентрату. Хоча ет'юлог'я асептичного некрозу головки стегновоi кстки до юнця не вивчена, була висунута ппотеза про те, що захворювання мае клтинне походження. Проблеми, як зменшують юльюсть або змнюють функцю юсткових клтин-попередниюв, можуть призвести до дисбалансу м'ж утво-ренням остеобласт i некрозом, що може викликати розвиток АНГСК, якщо баланс не буде вдновлено. З огляду на гпотезу про те, що АНГСК мае клтинне походження, вважають, що методи лiкування на основ'1 клтинноi терапИ (цитотерапИ) мають значний потенщал. Також цитотерапя може допомогти уник-нути тотального ендопротезування серед молодих пац^енш Для лiкування АНГСК була запропонована трансплантация автогенноi губчатоi юстковоi тканини (ГКТ), що давало позитивн результати. Ефективнсть мононуклеарних клШн ГКТ може бути пов'язана з локальною популя^ею дорослих стовбурових клтин у ГКТ, над^лених остеогенними властивостями. iмплантацiя ГКТ у вогнище асептичного некрозу головки призводить до локалiзованого збльшення юлькост цих клтин у некротичнй головц стегновоi кстки. iншим можливим поясненням терапевтичного ефекту iмплантацИ ГКТ е те, що при таюй процедур'1 вводяться стромальн клтини, якi секретують ангiогеннi цитоюни, що призводить до посилення анг'югенезу й по-дальшого покращання остеогенезу. З урахуванням того, що середнй юстковий матрикс складаеться на 33 % !з ГКТ, юльюсть остеоцит в 1 см3 губчастоi юстки можна ощнити в межах 20 млн. З огляду на юльюсть попередниюв у межах 2500 на 1 мл п'дготовлено! сумш МСК кожен попередник повинен був роздлитися м'н'мум 12 або 14 раз'в для отримання 1 мл новоi юстки, якщо припускати, що всi клтини-попередники збергають при цьому здатнсть виробляти трабекулярну юстку (2500 х 214 = 20 млн остеобласт). Ц розрахунки припускають, що всi введен Ытини залишаються на мсцi й жодних остеогенних клтин не вводили в зону патологи. Тканинна iнженерiя може поеднувати мезенхiмальнi стовбуров'1 клтини ГКТ, синтетичн скафолди й молекулярн сигнали (фактори росту) для формування пбридних конструкцй. У класичному п!дходi iнженерiя юстково! тканини передбачае зб'р ГКТ у патента, видiлення МСК шляхом '¡х приеднання до пластинки тканинноi культури, розширення й диферен^ювання цих клтин у культурi, а пот'м пост ¡х на в'1дпов'1дний синтетичний скафолд перед iмплантацiею тому самому патенту. Автогенний пдхд до видiлення й остеогенного диферен^ювання МСК е досить вимогливим щодо лопстики, вироб-ництва й безпеки умов культивування, що визначае високу вартсть терапевтичноi'процедури. Поеднання бiоматерiалiв !з клтинами остеопопередниюв пов'язане з технчними (джерело клтин, тип, дози, строки) i регуляторними проблемами (поеднання пристрош i л!к!в).
Ключовi слова: головка стегновоi' юстки; асептичний некроз; клтинна терап'я; мезен^мальн стовбуров'1 кятини
© «Травма» / «Травма» / «Trauma» («Travma»), 2020
© Видавець Заславський О.Ю. / Издатель Заславский А.Ю. / Publisher Zaslavsky O.Yu., 2020
Для кореспонденци: Заз1рний 1.М., КлЫчна л1карня «Феофашя» Державного управлшня справами, вул. Академ1ка Заболотного, 21, м. КиТв, 03680, УкраТна; e-mail: zazirny@ukr.net For correspondence: I.M. Zazirnyi, Clinical Hospital "Feofaniya"of the Agency of State Affairs, Academic Zabolotny st., 21, Kyiv, 03680, Ukraine; e-mail: zazirny@ukr.net
Застосування клггинних технолопи у лкуванш асептичного некрозу головки
стегновоТ юстки
Вступ
Ця стаття е продовженням наших попереднiх публiкацiй у виглядi оглядiв лiтератури в даному виданш, присвячених TeMi асептичного некрозу головки стегново! кiстки (АНГСК), у яких ми роз-глянули сучасш погляди на eтiологiю i патогенез, а також сучасш класифГкацГ! i методи дiагностики [1, 2]. У данш публГкацп ми хотiли б познайомити читача з бюлопчним пгдходом до лiкування ще! ор-топедично! патологи, а саме iз застосуванням кль тинних тeхнологiй.
Хоча етюлопя асептичного некрозу головки стегново! ыстки до кгнця не вивчена, була висунута гшоте-за про те, що захворювання мае клггинне походження [3—5]. Проблеми, як зменшують кiлькiсть або змшю-ють функцш кгсткових клiтин-попeрeдникiв, можуть призвести до дисбалансу мiж утворенням остeобластiв i некрозом, що може викликати розвиток АНГСК, якщо баланс не буде вiдновлeно [6—8]. З огляду на гiпотeзу про те, що АНГСК мае клгтинне походження, вважа-ють, що методи лГкування на основi кштинно! терапи (цитотерапи) мають значний потeнцiал [4, 5, 7, 9, 11]. Також цитотератя може допомогти уникнути артро-пластики в молодих пацiентiв [12].
У щй роботi ми наведемо даш лiтeратури щодо об-Грунтування застосування трансплантаци автогенного концентрату губчато! ыстково! тканини (ГКТ) при АНГСК; опишемо iснуючi методики лшування АНГСК мeзeнхiмальними стовбуровими клiтинами (МСК), отриманими з автогенно! ГКТ; наведемо даш лгтератури щодо рeзультатiв i мeханiзмiв лiкування АНГСК iз використанням клгган-попередниыв; зу-пинимось на питанш достатностi певно! кiлькостi клiтин, необхгдних для репараци головки стегново! ыстки; покажемо, як проблеми й перспективи цитотерапи при лiкуваннi АНГСК розглядаються сьогоднi в лiтeратурi.
1. ОбГрунтування застосування трансплантацiT автогенного KicTKOBoro мозку при асептичному некрoзi головки стегновоТ кicтки
Взаемозв'язок мiж губчатою кгстковою тканиною i АНГСК доволi складний [3, 5, 13—15]. Змши сигналу кiсткового мозку були помiчeнi на магштно-резонанс-нiй томографи (МРТ) пащенпв з АНГСК. Спостерь гаеться збгльшення кiлькостi жирово! тканини в мГж-вeртлюжнiй частинi стегна при АНГСК [5]. Крiм того, у деяких пащентав з АНГСК у ГКТ спостерГгалися ано-малГ! остеогенних стовбурових клiтин [14].
Лiкування кортикостеро!дами в деяких пацiентiв призводить до остеонекрозу. У пашеипв з АНГСК шсля кортикостеро!'дно! терапи були вгдмГчеш ано-мали в ГКТ гребеня клубово! кiстки, у тому числГ зниження загально! кiлькостi наявних стовбурових клгтин [5]. Також було виявлено, що стеро!ди ви-робляють адипогенез i стимулюють жир-спeцифiчнi гени клонованих клiтин кiсткового мозку в культурi in vitro [12].
Розподiл кровотворних кштин у ГКТ проксимального вГддту стегново! кустки залежить вгд багатьох факторiв. МРТ-дослiджeння показали, що в деяких пащенпв з аваскулярним некрозом у верхнш частинi стегново! кiстки передчасно вiдбуваеться перетворен-ня ГКТ на жирову тканину [5]. Як наслгдок, змшюеть-ся штрамедулярна васкулярнiсть, що може спричиняти в пащента розвиток остеонекрозу, оскiльки так змiни в ГКТ можуть бути пов'язаш з ремоделюванням ыстково! тканини. Ще одним потeнцiйним наслгдком пе-ретворення ГКТ на жирову тканину е зниження рiвня остеогенних клгтин. Втрата остеогенних клiтин може викликати два рГзш явища в патогeнeзi остеонекрозу: виникнення самого остеонекрозу й вгдновлення ыст-ки, яке вгдбуваеться шсля остеонекрозу.
Зниження рГвня остеогенних стовбурових кштин у головщ стегново! кустки спостeрiгалося пгд секвестром i в мiжвeртлюжнiй дглянщ [5]. Це було шдтверджено наявнiстю значно! кглькостГ омeртвiлих остeоцитiв у проксимальному вгддш стегново! ыстки, що спо-стeрiгаеться в пацiентiв, яким проводилось тотальне ендопротезування кульшового суглоба при АНГСК. Реконструкщя й вiдновлeння спостерГгалися шсля де-компресГ! головки стегново! ыстки, але вони зазвичай були неповними.
Одним Гз пояснень неефективного замiщeння й ре-моделювання ново! ыстки при АНГСК може бути не-достатня ыльысть клГтин-попередниыв, наявних у не-кротизованш головщ стегново! ыстки. A.J. Fridenstein et al. [17] довели, що нова ыстка формуеться проль феративними фГбробластоподГбними клгтинами губчато! ыстково! тканини, як зберГгаються in vitro шсля загибелГ кровотворних клгтин. Кльысть кштин, здат-них швидко пролГферувати, можна було б контролю-вати шляхом пгдрахунку кшькостГ колошеутворюючих одиниць фГбробластав (КУО-Ф) у зразках ысткового мозку.
Проведено оцшку активност клгтин-попередниыв (КУО-Ф) губчато! ыстково! тканини в проксимальному вгддш стегново! ыстки в пащенпв Гз АНГСК, шдукованим кортикостеро!дами, i порГвняння l! з по-казниками контрольно! групи пашентав без АНГСК [5]. Зниження кшькосп КУО-Ф було виявлено поза зоною АНГСК у пащенпв з АНГСК, шдукованим кор-тикостеро!дами. В шшому дослгдженш K.T. Suh et al. [15] проаналГзували диференцшвання мезенхГмальних стовбурових клгтин Гз проксимального вГддту стегново! ыстки в 33 пашеипв з АНГСК, викликаним алко-голГзмом. Вони вгдзначили, що МСК демонструють знижений потенщал диференцшвання, i припустили, що зниження регуляцГ! остеогенного потенщалу може призвести до виникнення АНГСК.
Чи е зниження остеогенного потеншалу або рГвня остеогенних клГтин причиною або наслГдком некрозу, невгдомо. Однак було б лопчно припустити, що лГкування, при якому автогенш клГтини вводяться в некротичну дшянку, що безпосередньо збГльшуе рГвень клГтин-попередникГв, покращило б ремоде-лювання ыстки шляхом поступового замГщення,
тим самим зберГгаючи цшсшсть головки стегново! кГстки. ЛГкування з використанням клгтин-поперед-никГв може забезпечити вгдновлення остеогенного потенцГалу в головщ стегново! кГстки. Отже, застосу-вання клгганно! аугментацГ! при стандартному хГрур-гГчному лiкуваннi (дeкомпрeсiя ядра) при АНГСК е доцшьним.
Для лкування АНГСК була запропонована транс-плантащя автогенно! губчато! истково! тканини, що давало до6рГ результати [7, 9]. Ефективнють монону-клеарних клГтин ГКТ може бути пов'язана з локальною популящею дорослих стовбурових клгган у ГКТ, надГлених остеогенними властивостями. 1мплантац!я ГКТ у вогнище асептичного некрозу головки при-зводить до локалiзованого збiльшeння кГлькостГ цих клгган у нeкротичнiй головцГ стегново! кГстки. 1ншим можливим поясненням терапевтичного ефекту Гмп-лантацГ! ГКТ е те, що при такш процедурГ вводяться стромальнГ клГтини, якГ секретують ангюгенш цито-кГни, що призводить до посилення анпогенезу й по-дальшого покращання остеогенезу. ЦГкаво, що Y. Feng et al. [16] порГвнювали кГльисть ендотелГальних про-генГторних клГтин (ЕПК) у периферичному кровообь гу в 54 пащенпв Гз нетравматичним АНГСК та Гншими подГбними хворобами. Виявилось, що кГльисть ЕПК у пащенпв з АНГСК була явно знижена. Це зниження може призвести до зниження анпогенезу й у кшцево-му тдсумку спричинити розвиток АНГСК. Хоча роль клГган-попередникГв у мехашзмах АНГСК до кшця не з'ясована, було виявлено, що деяы фактори впли-вають на взаемозв'язок анпогенезу й остеогенезу при остеонекрозГ [18].
Нарешта, мононуклеарнГ клГтини, отримаш з ыст-кового мозку, здатш викликати утворення нових кро-воносних судин завдяки наявносп в концентрата ГКТ попередниыв ендотелГальних клГтин або геманпоблас-тГв [19]. АнгГогенезу може сприяти як тдвищене над-ходження клГтин-попередникГв, так i ангГогеннГ цито-кГни, що продукуються клГтинами ГКТ. Попередники ендотелГю можуть брати активну участь в утворенш судин у тканинах, позбавлених судин, i в неоанпогенезГ з уже юнуючих капГлярГв [22—24]. На додаток до утворення нових капГлярГв зростаючий ендотелш посилюе мобГлГзацГю i зростання мезенхГмальних попередникГв через шлях ангiопоeтин-l/Tie2. Цей шлях генеруе пери -цити й судинш муральнГ клГтини, необхщш для росту й стабшзацГ! нових судин [23]. Було продемонстровано, що периваскулярнГ мезенхГмальнГ стовбуровГ клГтини мають здатнють до мультипотентного диференщю-вання, i було вГдзначено, що щ клГтини беруть участь у репарацГ! сусГднГх тканин як у експериментальних моделях, так i в людини [21, 22]. Також можливо, що шдукований гГпоксГею 1-альфа (HIF-l) фактор, що ви-вГльняеться клГтинами-попередниками у вГдповГдь на локалГзовану ГшемГю, дГе як сигнал i згодом мобГлГзуе циркулюючГ попередники через SDF1-залeжний шлях, тим самим стимулюючи репаращю кровоносних судин i пролГферащю нових клГтин для регенерацГ! ыстково! тканини.
2. Сnосiб лiкування асептичного некрозу головки стегновоТ кiстки з використанням мезенммальних стовбурових клiтин
2.1. Асшращя губчатоУ кiстковоí тканини i в^дфр клiтин
Губчата исткова тканина може бути в1д1брана як 1з передшх, так 1 1з задн1х в!ддшв клубового гребеня. Для лежачого пащента м1сцем в1дбору е передн1й клубо-вий греб1нь. Для пац1ента в б1чному положенн1 таким м1сцем може бути переднш або задн1й гребшь клубо-во! кустки. Якщо пащент перебувае в положенн1 лежачи на живот1, то в1дб1р проводиться 1з заднього в1дд1лу гребеня клубово! кустки. Для пац1ент1в з нормальною вагою доречна пряма пункщя. Якщо пащент страждае в1д ожир1ння, то в мющ збору необх1дно зробити дво-м1л1метровий розр1з.
В1дб1р ысткового мозку з гребеня клубово! истки здшснюеться за допомогою конусно! асшрацшно! голки. Для отримання пунктату ГКТ сл1д викорис-товувати стандартний 10-кубовий шприц. Безпосе-редньо перед введенням голку й асп1рац1йний шприц промивають розчином гепарину. Голку вставляють м1ж внутр1шньою 1 зовн1шньою стшками клубового гребеня на глибину до 5 см. Асшращя починаеться з1 швидкого витягування плунжера. Шприци змшюють, коли вони заповнюються приблизно наполовину, не змшюючи при цьому глибини проникнення голки. П1д час послщовних в1дсмоктувань голка повертаеться на 45°, щоб зм1нити кут, тим самим забезпечуючи зб1р 1з максимально можливо! зони в клубовому гребн1. Шсля одного повного повороту на 360° голку перемщують на 2 см до поверхш через одне 1 те ж мюце введення й виконують посл1довн1 в1дсмоктування. Голка завжжди повертаеться на 45° п1сля кожного вщсмоктування. Пунктат к^сткового мозку мютить б1льше стовбурових кл1тин, коли вш в1дсмоктуеться в невеликих обсягах. Цей метод зменшуе розбавлення з1браних матер1ал1в периферичною кров'ю. Пунктати збирають у пластиков! пакети, що мютять середовище для культивування кл1тин 1 розчин антикоагулянту. Упакован! пунктати фтьтрують для подту кл!тинних накопичень ! жиру, а мононуклеарну фракц!ю вщокремлюють стандартни-ми методами для концентраци кл!тинного препарату перед ¡н'екц!ею. Концентрат ГКТ може бути отрима-ний кшькома комерц!йними системами, спец!ально розробленими для концентрування пунктату ГКТ.
2.2. Внутршньокюткова iн'eкцiя мезенхiмальних стовбурових клiтин
Пац!енти можуть бути пом!щен! на стл ¡з двома п!дсилювачами зображення на С-под!бному важел!. Декомпрес!я проводиться через шыру з використанням трепана д!аметром 3 мм. ГКТ вводиться в головку стегново! истки за допомогою невеликого троакара. 1нструмент вводиться через великий трохантер, як при звичайнш декомпреси ядра. Положення шструмен-ту в гол!вц! стегново! юстки й некротичному сегмент!
контролюеться за допомогою двопроекцшно! флюо-роскопи. Якщо простi радюграми майже не показують ознак некрозу, то передоперацшш МРТ-знiмки можуть бути використаш разом iз пiдсилювачами зображення для визначення мюця ураження. Перед ш'екщею ГКТ можна ввести илька мшшгщв контрастно! речовини. Це дозволить визначити дтянку в головцi стегново! истки, де буде поширюватися введений истковий мо-зок. Встановлено, що контрастна речовина не пошко-джуе клiтини-попередники истково! тканини.
Хоча отвiр троакара невеликий порiвняно з трепанами, яй зазвичай використовуються для декомпреси ядра, вимiрювання тиску в головщ стегново! кустки й вертлюжно! дтянки показали, що навiть невеликий отвiр знижуе внутрiшньокiстковий тиск. Пд час iн'екцi! исткового мозку було виявлено, що тиск у головщ стегново! ыстки тдвищуеться, але нормальний тиск вiдновлюеться тсля завершення iн'екцi!. Саме це й спостериаеться при вимiрюваннi внутршньоист-кового тиску. У наших пащентав гад час анестези не спостерiгалося жодних ускладнень, зокрема не спосте-риалося зниження насичення киснем i змши частоти пульсу або рiвня артерiального тиску.
3. Результати та мехашзм репарацiТ асептичного некрозу головки стегновоТ юстки клггинами-попередниками
Р. Hemigou et al. [9] займалися лшуванням 189 куль-шових суглобiв у 116 пащенпв з аутогенним концентратом ГКТ iз подальшим спостереженням протя-гом 5—10 рокiв. Задовiльнi результати були досягнул в бiльшостi пащентав, що проявилося в покращаннi ощнки кульшового суглоба за шкалою Харрюа, рентге-нологiчно! оцiнки й вщсутносп необхiдностi тотального ендопротезування кульшового суглоба. Прогноз був значною мiрою пов'язаний зi стадiею захворювання й йльистю введених клiтин-попередникiв. Кращi результати спостериалися, коли пацiенти були проопе-рованi до колапсу й отримали бiльшу кiлькiсть iн'екцiй концентрату ГКТ [11]. У 2008 рощ Р. Hemigou et al. [10] провели ретроспективний аналiз 534 кульшових сугло-бiв у 342 пащентав з АНГСК, якi отримували лшуван-ня у виглядi трансплантаци автогенного концентрату ГКТ. Результати були позитивними — зi зменшенням обсягу некрозу з 26 до 12 см3 у 371 пащента при серед-ньому термЩ спостереження 12 роив. Були лише 94 пацiенти, яким було проведено повне ендопротезування кульшового суглоба. Найкращим показанням для цитотерапи АНГСК була передколапсна стадiя, коли захворювання кульшового суглоба було симптоматич-ним. У деяких пащенпв iз хворобою Штейнберга III стад!! успiшний результат лiкування АНГСК може бути отриманий через 5—10 роив.
В шшому звт вiд V. Gangji et al. [7] двом пащен-там з АНГСК була проведена ш'екщя стромальних клiтин ГКТ. Остеопопередники й остеобласти з ГКТ вщокремлювали, культивували in vitro i вводили в зону некрозу тсля диференщювання. Повщомлялося про
зниження болю, зменшення некротичного ураження й функщональне покращання, при цьому спостер!гали-ся лише незначт побiчнi ефекти.
Iншi дослiдники повiдомляли про ефективнiсть комбшацй' цитотерапй' i традицiйноï терапй', включно з декомпресieю головки стегново! истки й автогенною кiстковою пластикою як методом лГкування АНГСК. Наприклад, B.L. Wang et al. [23] лкували АНГСК методом декомпреси' ядра й Гмплантацй' автогенного концентрату ГКТ. ГКТ, вщбрана з гребеня клубово! кiстки, концентрувалася, i концентрат ГКТ було !мп-лантовано в 59 головок стегнових исток у 45 пащентав з АНГСК I—IIA стад!! за класифiкацieю ARCO [2]. Се-реднiй бал за шкалою Харрюа при ощнщ кульшового суглоба покращився з 71 до 83, i тгльки 11,9 % проль кованих пащенпв знадобилося тотальне ендопротезування кульшового суглоба тсля спостереження в се-редньому протягом 27,6 мю.
J.S. Kang et al. [24] повгдомили про результати автогенного л!кування клубово-губчасто! к!стки в по-еднанн! з !мплантац!ею аутогенних клгган ГКТ при АНГСК i продемонстрували добр! кл!н!чн! результати при короткостроковому спостереженш в середньому за 32 мю. Хоча ц! попередн! зв!ти е обнад!йливими, ïx складно перев!рити, i вони потребують подальшого шдтвердження. Залишаеться ще багато питань. Наприклад, незважаючи на значн! успгхи, досягнут! у фунда-ментальних i ктшчних досл!дженнях нетравматичного АНГСК клгганного походження, передчасно робити висновок про те, що е первинним тригером: чи змша числа й природи попередниив призводить до АНГСК, чи гдюпатичний АНГСК !ндукуе б!олог!чн! змши попередниив. За результатами дослгджень на моделях тварин видаеться, що л!кування за допомогою трансплантат! ГКТ i введення стовбурових клгган може по-кращити можливост! л!кування АНГСК.
4. Яка кiлькiсть клпин необидна для вiAновлення тканин
Вивчено вплив к1лькост! кл!тин-попередник1в при лкуванш АНГСК у пац!ент!в, яким було проведено ав-тогенну трансплантац!ю исткового мозку. Попередне досл!дження показало, що загальна к1льк1сть клгган-попередниив у автотрансплантат! головки стегново! истки становить у середньому 1500 одиниць (1000— 3000). Кльисть клгган-попередниив у ГКТ визначали шляхом оц!нки к!лькост! ядровмюних кл!тин i методом анал!зу КУО-Ф. Кльисть кл!тин-попередник1в, розмь щених у трансплантат!, визначали за ильистю КУО-Ф у концентрат! ГКТ тсля центрифугування.
Кльисть клгган-попередниив у ГКТ клубових гребен!в хворих на АНГСК становила приблизно 1 КУО-Ф на 30 000 ядровмюних клгган. Було виявлено, що середня йльисть ядровм!сних клгган в 1 мл становить 18 х 106 клгган. Було виявлено, що асшрат ГКТ, взятий !з гребеня клубово! к1стки, мютить у середньому близько 600 клгган-попередниив на 1 мл. Шсля оброб-ки концентрацгя клгган-попередниив була збгльшена приблизно до 2500 попередник1в на 1 мл. МРТ при ль
куванш АНГСК показала, що вщновлена дiлянка в се-редньому становила 15 см3, при цьому ш'екщя концентрату ГКТ становила 20 мл. З урахуванням середньо! концентраций в кiлькостi 2500 клгган-попередниыв на 1 мл це призводить до того, що в середньому на мюце вщновлення доставляеться загалом 50 000 клгган-по-передникiв.
При ремоделюванш кусток доросло! людини про-цеси кiсткоутворення перебiгають у контекста базис-но! багатоклiтинноï одиницi, описано! A.M. Parfît et al. [25] i H.M. Frost [26]. Остеобласт починае створювати матрикс протягом доби, i синтез матриц збшьшуеть-ся протягом декшькох днiв до максимально! швидко-стi приблизно 1,5 мкм на день на площi приблизно 150 мкм2 на один остеобласт, що призводить до синтезу приблизно 225 мкм3 на день на один остеобласт. Пд-раховано, що обсяг ысткового матриксу, утвореного одним остеобластом, становить приблизно 5000 мкм3. Повщомляеться [27], що щшьшсть остеоцитав стано-вить 0,000047/мкм3 у губчастiй ыстковш тканинi. Було вiдмiчено, що значна кшьысть МСК у трансплантатi ысткового мозку збiльшуе швидкiсть вiдновлення [25]. З урахуванням того, що середнш ыстковий матрикс складаеться на 33 % iз ГКТ, кiлькiсть остеоцитав в 1 см3 губчасто! ыстки можна оцiнити в межах 20 млн. З огля-ду на кшьысть попередниыв у межах 2500 на 1 мл подготовлено! сумiшi МСК кожен попередник повинен був роздшитися мiнiмум 12 або 14 разiв для отримання 1 мл ново! истки, якщо припускати, що вс клггани-попередники збертають при цьому здатнiсть виро-бляти трабекулярну кустку (2500 х 214 = 20 млн остео-бластав). Цi розрахунки припускають, що вш введенi клiтини залишаються на мющ i жодних остеогенних клiтин не вводили в зону патолог!!.
Пстолопчш спостереження показали, що обсяг тра-бекулярно! ыстково! тканини в головш стегново! ыст-ки становить 1 : 3, а решту становлять жиров! й гема-толопчш кл!гани. Це означае, що шд час в!дновлення 15 см3 головки стегново! ыстки третину в!дновлено! тканини становить ыстка, у результат! чого п!д час ль кування вщновлюеться 5 см3 к!стки.
5. Клiтинна терашя асептичного некрозу головки стегновоТ юстки: проблеми й перспективи
5.1. Варiацiï KÏAbKOOTi МСК, що спостерiгаються в патент, можуть накладати деякi обмеження на використання цiеï методики
Зниження КУО-Ф було описано в пашентав з АНГСК, викликаним прийомом кортикостерощв, та АНГСК, викликаним ^когол!змом [6, 28]. Було показано, що кшьысть КУО-Ф е ненормальною при деяких гематолопчних розладах [10] i знижу-еться за шших несприятливих умов, таких як вжи-вання тютюну [31]. Кшьысть клтаин-попередниыв також варшвала залежно в!д в!ку пацiента. У результата цих супутн!х захворювань можуть виник-
нути обмеження в терапевтичному потенцiалi автогенного концентрату МСК Í3 ГКТ пацieнта. Проте в цих випадках стандартна практика полягае в тому, щоб вгдбирати великi обсяги кiсткового мозку перед концентрашею.
5.2. Тканинна ^eHepiq може ефективно вирiшувати проблему забезпечення BiA6opy ефективноТ KiAbKOOTi клiтин для патента
Тканинна iнженерiя [30—32] може поеднувати ме-зенхiмальнi стовбуровi клггини ГКТ, синтетичнi ска-фолди й молекулярш сигнали (фактори росту) для формування пбридних конструкцiй. У класичному пгд-ходi iнженерiя к!стково! тканини передбачае збiр ГКТ у пашента, видiлення МСК шляхом !х приеднання до пластинки тканинно! культури, розширення й дифе-ренцшвання цих клiтин у культур^ а потiм посiв !х на вiдповiдний синтетичний скафолд перед Гмплантащ-ею тому самому пащенту [33—35]. Автогенний пiдхiд до видшення й остеогенного диференцiювання МСК е досить вимогливим щодо логiстики, виробництва й безпеки умов культивування, що призводить до висо-ко! вартоста терапевтично! процедури. Поеднання бю-матерiалiв Í3 клгганами остеопопередниыв пов'язане з технiчними (джерела клiтин, типи, дози, термiни) i регуляторними проблемами (поеднання пристро!в i лк!в).
Z.M. Xiao et al. повгдомили про декiлька методiв збшьшення кiлькостi й ефективностi культивова-них МСК: 1) попередне культивування асшрату ГКТ для збшьшення ылькоста клгган МСК; 2) попередне культивування асшрату ГКТ для збшьшення ылькоста клгган МСК i шдукци остеогенного диферен-цшвання шляхом додавання факторiв росту; 3) ге-нетична модифшацгя введених МСК для збiльшення секреци факторiв росту, таких як ыстковий морфо-генетичний проте!н i фактор зростання судинного ендотелш [34].
5.3. MoAeAi на тваринах
Побудувати модель на основГ двоного! тварини для Гмггаш! АНГСК доволГ складно. Не можна нехтувати похибкою в процеш руйнування й вгдновлення, i метод, який використовуеться для шдукування АНГСК у тваринних моделях, далекий вгд патогенезу в людини, тому значна частина даних залишаеться невгдомою. Т. Asada еt al. [3] провели оцшку ш'екц!! МСК губчато! ыстково! тканини для профшактики АНГСК, шдуко-ваного прийомом кортикостерощв. Частота АНГСК у кролГв, яы отримували тгльки метилпредшзолон у дозГ 20 мг/кг (контрольна група), становила близько 70 %, а в груш, яка отримувала ш'екц!! МСК Гз ГКТ у по-еднанш з метилпредшзолоном, така частота становила 0 %. Автори дшшли висновку, що пряме введення автогенних мезенхГмальних стовбурових клгган ГКТ у головки стегнових ысток може запобшга виник-ненню АНГСК, шдукованого прийомом високих доз кортикостерощв у коротких промГжках. Z. Yan et al. [35] використовували МСК для лГкування АНГСК i
дослгджували стан виживання й диференцшвання. ïx дослгдження показали, що пересаджеш МСК можуть виживати, прол!ферувати й диференцшватися без-посередньо в остеобласти, що може прискорити про-цес вгдновлення. Тваринна модель була шдукована в експеримент! травматично, тому частка МСК, пере-саджених на головку стегново! ыстки, повинна бути аналопчною !х частц! при нетравматичному АНГСК. Z.M. Xiao et al. [34] оцшювали вплив автогенних МСК, посгяних на бюлопчно похгдш субстрати в поеднанш з рекомбшантним морфолопчним бглком 2 ыстково! тканини людини для репарацй' дефекпв АНГСК на модел! кролика. Вони спостер!гали утворення ново! ыстково! тканини. Ц! нов! протоколи лшування вгд-повгдають концепцй' in vivo тканинно! шженер!!, що Грунтуеться на пошвах клгган, скафолдах i цитоынах.
Висновки
Стандартне лшування АНГСК (декомпрешя головки) часто виявляеться недостатшм для стабшзаци' патологй', що призводить до руйнування головки й вимагае тотального ендопротезування кульшового суглоба. У робот! оцшено застосування автогенно! клгганно! терапи у ви-гляд! МСК. 1стотна репарац!я i стабшзащя некротично! головки стегново! ыстки були досягнут! шляхом введения пащенту власних МСК у поеднанш з декомпрешею головки. Вважаеться, що кгльысть i активнють введених клгган вщграють важливу роль у досягненш доброго те-рапевтичного результату. З огляду на притаманну кожному пащенту вар!абельшсть МСК у ГКТ використання метод!в тканинно! шженери' може розширити застосування цитотерапи в лшуванш навпъ найважчих випад-ыв АНГСК. ОскГльки хвор! на АНГСК, вщбраш для цитотерап!!, в основному перебували в стад!! передко-лапсу, а етичш обмеження обумовлюють дефщит висо-кояысних контрольованих дослгджень для пор!вняння, необхщш подальш! дослгдження, щоб диференщювати задовгльний результат цитотерап!! в!д природного пере-б!гу нетравматичного АНГСК. Для пщтвердження цих даних важлив! дослгдження на тваринних моделях.
Конфлжт iHTepeciB. Автори заявляють про вгдсут-шсть конфлшту штерешв i власно! фшансово! защкав-леност! при пгдготовщ дано! статтг
Список лiтератури
1. 3a3ipHuü 1.М., Климовицький В.Т., Семешв 1.П., См 'ячко 6.А. Деяк питання асептичного некрозу головки стегново1 кстки. Травма. 2018. Т. 19. № 6. С. 107-113.
2. Зазiрний 1.М., Климовицький В.Т., Семешв 1.П, Михальченко О.М., Рижков Б.С. Дiагностичнi методи i класифтацн асептичного некрозу головки стегново1 шст-ки. Травма. 2019. Т. 20. № 5. С. 95-104.
3. Asada T., Kushida T., Umeda M. et al. Prevention of corticosteroid-induced osteonecrosis i n rabbits by intra-bone marrow injection of autologous bone marrow cells. Rheunato-logy. (Oxford). 2008. 47. 591-596.
4. Gangji V., Hauzeur J. P., Schoutens A. et al. Abnormalities in the replicative capacity of osteoblastic cells in the proxi-
mal femur ofpatients with osteonecrosis of the femoral head. J. Rheumatol. 2003. 30. 348-351.
5. Hernigou P., Beaujean F., Lambotte J.C. Decrease in the mesenchymal stem cell pool in proximal femur in corticosteroid induced osteonecrosis. J. Bone Joint Surg. 1999. 81(B). 349-355.
6. Chang J.K., Ho M.L., Yeh C.H. et al. Osteogenic gene expression decreases in stromal cells of patients with osteonecrosis. Clin. Orthop. Relat. Res. 2006. 453. 286-292.
7. Gangji V., Hauzeur J.P. Cellular-based therapy for osteonecrosis. Orthop. Clin. N. Am. 2009. 40. 213-221.
8. Jones L.C., Hungerford D.S. The pathogenesis of osteonecrosis. Instr. Course Leet. 2007. 56. 179-196.
9. Hernigou P., Beaujean F. Treatment of osteonecrosis with autologous bone marrow grafting. Clin. Orthop. Relat. Res. 2002. 405. 14-23.
10. Hernigou P., Poignard A, Zilber S. et al. Cell therapy of hip osteonecrosis with autologous bone marrow grafting. Indian J. Orthop. 2008. 43. 40-45.
11. Hernigou P., Zilber S., Filippini P. et al. Bone marrow injection in hip osteonecrosis. Tech. Orthop. 2008. 23. 18-25.
12. Johannson H.R., Zywiel M.G., Marker D.R. et al. Osteonecrosis is not a predictor of poor outcomes in primary total hip arthroplasty: a systemic literature review. Int. Orthop. 2011. 35. 465-473.
13. Lee H.S., Huang G.T., Chiang H. et al. Multipotential mesenchymal stem cells from femoral bone marrow near the site of osteonecrosis. Stem Cells. 2003. 21. 190-199.
14. Lee J.S., Lee J.S., Roh H.L. et al. Alterations in the differentiation ability of mesenchymal stem cells in patients with nontraumatic osteonecrosis of the femoral head: comparative analysis according to the risk factor. J. Orthop. Res. 2006. 24. 604-609.
15. Suh K.T., Kim S.W., Roh H.L. et al. Decreased osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells in alcohol induced osteonecrosis. Clin. Orthop. Relat Res. 2005. 431. 220-225.
16. Feng Y, Yang S.H., Xiao B.J. et al. Decreased in the number and function of circulation endothelial progerutor cells in patients with avascular necrosis of the femoral head. Bone. 2010. 46. 32-40.
17. Friedenstein A.J., Shapiro-Piatetzky I.I., Petrako-va K.V. Osteogenesis intransplants of bone marrow cells. J. Embryo.l. Exper. Morph. 1966. 16. 381-390.
18. Sun Y, Feng Y, Zhang C. The effect of bone marrow mononuclear cells on vascularization and bone regeneration in steroid-induced osteonecrosis of the femoral head. Joint Bone Spine. 2009. 76. 685-690.
19. Roberts N, Jahangiri M., Xu Q. Progenitor cells in vascular disease. J. Cell Mol. Med. 2005. 9. 583-591.
20. Conway E.M., Collen D, Carmeliet P. Molecular mechanisms of blood vessel growth. Cardiovasc. Res. 2001. 49. 507-521.
21. Jain R.K. Molecular regulation of vessel maturation. Nature Medicine. 2003. 9. 685-693.
22. Nehls V., Drenckhahn D. The versatility of microvascular pericytes: from mesenchyme to smooth muscle?Histochemistry. 1993. 99. 1-12.
23. WangB.L., Sun W, Shi Z.C. et al. Treatment of nontraumatic osteonecrosis of the femoral head with the implantation of core decompression and concentrated autologous bone marrow containing mononuclear cells. Arch. Orthop. Trauma Surg. 2010.130. 859-865.
j AiKapro, ^o npaKTUKye / To General Practitioner
24. Kang J.S., Moon K.H., Park S.R. et al. Clinical results of autoiliac cancellous bone graft combined with implantation of autologous bone marrow cells for osteonecrosis of the femoral head. J. Korean Orthop. Assoc. 2008. 43. 1-8.
25. Parfitt A.M., Drezner M.K., Glorieux F.H. et al. Bone histomorphometry: standardization of nomenclature, symbols, and units. Report of the ASBMR histomorphometry nomenclature committee. J. Bone Miner. Res. 1987. 2. 595-610.
26. Frost H.M., ed. Intermediary Organization of the Skeleton. Boca Raton: CRC press, 1986.
27. Muschler G.F., Midura R.J., Nakamoto C. Practical modeling concepts for connective tissue stem cell and progenitor compartment kinetics. J. Biomed. Biotec. 2003. 3. 170-193.
28. Chakkalakal D.A. Alcohol-induced bone loss and deficient bone repair. Alcohol. Clin. Exp. Res. 2005. 29. 2077-2090.
29. Daftari T.K., Whitesides T.E., Goudrich A.C. et al. Nicotine on the revascularization of bone graft. An experimental study in rabbits. Spine. 1994. 19. 904-911.
30. Bianco P., Riminucci M, Gronthos S. et al. Bone marrow stem cells: nature, biology and potential applications. Stem Cells. 2001. 19. 180-192.
31. Derubeis A.R., Cancedda R. Bone marrow stromal cells (BMSCs) in bone engineering: limitations and recentadvances. Ann. Biomed. En. 2004. 32. 60-165.
32. Langer R, Vacanti J. P. Tissue engineering. Science. 1993. 260. 920-926.
33. Tiedeman J.J., Connolly J.F., Strates B.S. et al. Treatment of hip osteonecrosis by percutaneous injection of bone marrow and demineralized bone matrix. An experimental study in dogs. Clin. 0rthop. Rel. Res. 1991. 268. 294-302.
34. Xiao Z.M., Jiang H, Zhan X.L. et al. Treatment of os-teonecrosis of femoral head with BMSCs-seeded bio derived bone materials combined with rhBMP-2 in rabbits. Chin. J. Traumatol. 2008. 11. 165-170.
35. Yan Z, Hang D, Guo C. et al. Fate of mesenchymal stern cells transplanted to osteonecrosis offemoral head. J. Orthop. Res. 2009. 27. 442-446.
OmpuMaHo/Received 28.01.2020 Peu,eH30BaH0/Revised 07.02.2020 npuuHamo do dpyny/Accepted 20.02.2020 ■
Зазирный И.М.1, Семенив И.П.1, Климовицкий В.Г.2, Андреев А.3 Клиническая больница «Феофания» ГУД, г. Киев, Украина
Донецкий научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии, г. Лиман, Украина 3Университетская многопрофильная больница активного лечения «Святая Анна», г. София, Болгария
Использование клеточных технологий в лечении асептического некроза
головки бедренной кости
Резюме. Асептический некроз головки бедренной кости (АНГБК) — это патологическое состояние, возникающее в результате клеточного нарушения, вызванного снижением активности остеобластов и местной популяции мезенхималь-ных стволовых клеток (МСК). Клеточная терапия могла бы помочь в лечении такого состояния с помощью стволовых и других клеток-предшественников, которые могут улучшать местную клеточную среду в пораженном тазобедренном суставе. В рамках лечения АНГБК было научно обосновано применение клеточной терапии, а также описаны методики имплантации аутогенного костно-мозгового концентрата. Хотя этиология асептического некроза головки бедренной кости до конца не изучена, была выдвинута гипотеза о том, что заболевание имеет клеточное происхождение. Проблемы, которые уменьшают количество или изменяют функцию костных клеток-предшественников, могут привести к дисбалансу между образованием остеобластов и некрозом, что может вызвать развитие АНГБК, если баланс не будет восстановлен. Исходя из гипотезы о том, что АНГБК имеет клеточное происхождение, считается, что методы лечения на основе клеточной терапии (цитотерапии) имеют значительный потенциал. Также цитотерапия может помочь избежать тотального эндопротезирования среди молодых пациентов. Для лечения АНГБК была предложена трансплантация аутогенной губчатой костной ткани (ГКТ), что давало положительные результаты. Эффективность мононуклеарных клеток ГКТ может быть связана с локальной популяцией взрослых стволовых клеток в ГКТ, наделенных остеогенными свойствами. Имплантация ГКТ в очаг асептического некроза головки приводит к локализованному увеличению количества этих клеток в некротической головке бедренной кости. Другим возможным объяснением терапевтического эффекта имплантации
ГКТ является то, что при такой процедуре вводятся стромаль-ные клетки, которые секретируют ангиогенные цитокины, что приводит к усилению ангиогенеза и дальнейшему улучшению остеогенеза. С учетом того, что средний костный ма-трикс состоит на 33 % из ГКТ, количество остеоцитов в 1 см3 губчатой кости можно оценить в пределах 20 млн. Исходя из количества предшественников в пределах 2500 на 1 мл подготовленной смеси МСК, каждый предшественник должен был разделиться минимум 12 или 14 раз, чтобы получить 1 мл новой кости, предполагается, что все клетки-предшественники сохраняют при этом способность производить трабеку-лярную кость (2500 х 214 = 20 млн остеобластов). Эти расчеты предполагают, что все введенные клетки остаются на месте и никакие остеогенные клетки не вводились в зону патологии. Тканевая инженерия может сочетать мезенхимальные стволовые клетки ГКТ, синтетические скаффолды и молекулярные сигналы (факторы роста) для формирования гибридных конструкций. При классическом подходе инженерия костной ткани предполагает сбор ГКТ у пациента, выделение МСК путем их присоединения к пластинке тканевой культуры, расширение и дифференцировку этих клеток в культуре, а затем посев их на соответствующий синтетический скаффолд перед имплантацией тому же пациенту. Аутогенный подход к выделению и остеогенной дифференцировке МСК достаточно требователен с точки зрения логистики, производства и безопасности условий культивирования, что определяет высокую стоимость терапевтической процедуры. Сочетание биоматериалов с клетками остеопредшественников связано с техническими (источник клеток, тип, дозы, сроки) и регуля-торными проблемами (сочетание устройств и лекарств). Ключевые слова: головка бедренной кости; асептический некроз; клеточная терапия; мезенхимальные стволовые клетки
AÍKapro, ^q npaKTUKye / To General Practitioner |
I.M. Zazirnyi1, I.P. Semeniv2, V.G. Klymovytsky2, A. Andreev3
Clinical Hospital"Feofaniya" of the Agency of State Affairs, Kyiv, Ukraine
2Scientific and Research Institute of Traumatology and Orthopedics of Donetsk National Medical University, Lyman, Ukraine
3UMBAL "Santa Anna", Sofia, Bulgaria
Application of cellular technologies in the treatment of the femoral head avascular necrosis
Abstract. The femoral head avascular necrosis (FHAN) is a pathological condition that occurs as a result of a cellular disorder caused by decreased activity of osteoblasts and the local population of mesenchymal stem cells (MSCs). Cell therapy could help treat this condition with stem and other progenitor cells that can potentially improve the local cell environment in the affected hip joint. As a part of the treatment for FHAN, the use of cell therapy was scientifically substantiated, as well as the methods for implantation of autogenous bone marrow concentrate were described. Although the etiology of FHAN has not been fully studied, it has been hypothesized that this disease is of cellular origin. Problems that can reduce the number or change the function of osteopro-genitor cells can lead to an imbalance between osteoblast formation and necrosis, which can cause the development of FHAN if the balance is not restored. Based on the hypothesis that FHAN has a cellular origin, it is believed that therapies based on cell therapy (cytotherapy) have significant potential. Cytotherapy can also help avoid total arthroplasty among young patients. For the treatment of FHAN, transplantation of autogenous cancellous bone tissue (ACBT) was proposed, which gave positive results. The efficacy of ACBT mononuclear cells may be related to the local population of adult stem cells in the ACBT, which have osteogenic properties. Implantation of the ACBT in the focus of avascular necrosis of the head leads to a localized increase in the number of these cells in the necrotic head of the femur. Another possible explanation for the therapeutic effect of ACBT implantation is that in this procedure,
stromal cells are introduced that produce angiogenic cytokines, which leads to increased angiogenesis and further improvement of osteogenesis. Based on the average bone matrix, which consists of 33 % of the ACBT, the number of osteocytes in 1 cm3 of cancellous bone can be estimated in the range of 20 million. Given the number of precursors in the range of 2,500 per 1 ml of the prepared mixture of MSCs, each precursor had to divide at least 12 or 14 times to obtain 1 ml of new bone, assuming that all progenitor cells retain the ability to produce trabecular bone (2,500 • 214 = 20 million osteoblasts). These calculations assume that all introduced cells remain in place and that no osteogenic cells have been introduced into the pathology area. Tissue engineering can combine ACBT mesenchymal stem cells, synthetic scaffolds, and molecular signals (growth factors) to form hybrid constructs. In the classical approach, bone engineering consists of collecting the ACBT from a patient, isolating MSCs by attaching them to a tissue culture plate, expanding and differentiating these cells in culture, and then seeding them to a suitable synthetic scaffold before implantation in the same patient. The autogenic approach to the isolation and osteogenic differentiation of MSCs is quite demanding in terms of logistics, production and safety of cultivation conditions, which leads to the high cost of the therapeutic procedure. The combination of biomaterials with osteopro-genitor cells causes technical (i.e. cell sources, types, doses, timing) and regulatory problems (combination of devices and drugs). Keywords: femoral head; avascular necrosis; cell therapy; mesen-chymal stem cells
