Научная статья на тему 'Особенности метаболических процессов в костной ткани при использовании композитных имплантатов из пористого титана с алмазоподобным нанопокрытием'

Особенности метаболических процессов в костной ткани при использовании композитных имплантатов из пористого титана с алмазоподобным нанопокрытием Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

CC BY
129
27
Поделиться
Журнал
Гений ортопедии
Scopus
ВАК
Ключевые слова
ПОРИСТЫЙ ТИТАН / ИМПЛАНТАТЫ / АЛМАЗОПОДОБНОЕ ПОКРЫТИЕ / КОСТЬ / МЕТАБОЛИЗМ

Аннотация научной статьи по биотехнологиям в медицине, автор научной работы — Макарова Эмилия Борисовна, Захаров Юрий Михайлович, Рубштейн Анна Петровна

Эксперимент выполнен на 26 половозрелых кроликах. Изучали активность ферментов костной ткани при внедрении пористых титановых имплантатов (ПТi) и ПТi с алмазоподобными покрытиями (а-С), насыщенных аутогенными прилипающими клетками костного мозга, в зону костных дефектов. Выявили, что особенностями остеоинтеграции при использовании ПTi (aC) является ранняя и более выраженная активация остеогенеза, сопровождающаяся активацией костной фракции щелочной фосфатазы по сравнению с ПТi. Одним из механизмов, обеспечивающих возрастающие энергетические потребности формирующейся костной ткани, является активация аэробных процессов.

Похожие темы научных работ по биотехнологиям в медицине , автор научной работы — Макарова Эмилия Борисовна, Захаров Юрий Михайлович, Рубштейн Анна Петровна

Features of bone metabolic processes when using composite porous titanium implants with diamond-like nanocoating

The experiment was performed in 26 adult rabbits. The enzyme activity of bone tissue in the implementation of porous titanium implants with a diamond-like coatings (a-C) saturated with autologous adherent bone marrow cells, in the area of bone defects have been investigated. When using PTi (a-C) the features of osseointegration consisted in earlier and more pronounced osteogenesis activation, which was accompanied by activation of bone-specific alkaline phosphatase, as compared with PTi. One of the mechanisms that provided the increasing energy needs of the developing bone was the activation of aerobic processes.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Особенности метаболических процессов в костной ткани при использовании композитных имплантатов из пористого титана с алмазоподобным нанопокрытием»

© Группа авторов, 2012

УДК 546.821/.824:616.71-089.843-77:577.121

Особенности метаболических процессов в костной ткани при использовании композитных имплантатов из пористого титана с алмазоподобным нанопокрытием

Features of bone metabolic processes when using composite porous titanium implants with diamond-like nanocoating

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Уральский НИИ травматологии и ортопедии им. В.Д.Чаклина», г Екатеринбург (директор - д.м.н. И. Л. Шлыков) 2Челябинская государственная медицинская академия, г.Челябинск (ректор - член-корреспондент РАМН И.И. Долгушин) 3Институт физики металлов УрО РАН, г. Екатеринбург (директор - академик РАН В.В. Устинов)

Эксперимент выполнен на 26 половозрелых кроликах. Изучали активность ферментов костной ткани при внедрении пористых титановых имплантатов (nTi) и nTi с алмазоподобными покрытиями (а-С), насыщенных аутогенными прилипающими клетками костного мозга, в зону костных дефектов. Выявили, что особенностями остеоинтеграции при использовании nTi (aC) является ранняя и более выраженная активация остеогенеза, сопровождающаяся активацией костной фракции щелочной фосфатазы по сравнению с nTi. Одним из механизмов, обеспечивающих возрастающие энергетические потребности формирующейся костной ткани, является активация аэробных процессов.

Ключевые слова: пористый титан, имплантаты, алмазоподобное покрытие, кость, метаболизм.

The experiment was performed in 26 adult rabbits. The enzyme activity of bone tissue in the implementation of porous titanium implants with a diamond-like coatings (a-C) saturated with autologous adherent bone marrow cells, in the area of bone defects have been investigated. When using PTi (a-C) the features of osseointegration consisted in earlier and more pronounced osteogenesis activation, which was accompanied by activation of bone-specific alkaline phosphatase, as compared with PTi. One of the mechanisms that provided the increasing energy needs of the developing bone was the activation of aerobic processes.

Keywords: porous titanium, implants, diamond-like coating, bone, metabolism.

Э.Б. Макарова1, Ю.М. Захаров2, А.П. Рубштейн3

E.B. Makarova, Yu.M. Zacharov, A.P. Rubshtein

ВВЕДЕНИЕ

В выполненных ранее исследованиях показано, что модификация поверхности титана алмазоподобными пленками (а-С), имеющими структурные особенности в виде пирамидальных выступов, создает лучшие условия для адгезии прилипающих клеток костного мозга, их пролиферации и диффе-ренцировки в остеогенном направлении. Реализация их функциональных возможностей зависит от характера протекания метаболических и синтетиче-

ских процессов [2].

Цель исследования - изучить активность ферментов костной ткани при внедрении в искусственно созданную костную нишу насыщенных аутогенными прилипающими клетками костного мозга пористых титановых имплантатов, а также пористых титановых имплантатов с алмазоподобными покрытиями (а-С).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Эксперимент выполнен на 26 половозрелых 6-10 месячных кроликах массой 2,5-3 кг стадного разведения. В эксперименте использовали два типа имплантатов - ПТ и ПТ (а-С). 1 группу составили 12 кроликов с ПЛ (24 имплантата, насыщенных аутологичными клетками костного мозга), 2 группу - 12 кроликов с ПЛ(а-С) (24 имплантата, насыщенных аутологичными клетками костного мозга), группа сравнения - 8 образцов из аналогичных областей костной ткани интактных кроликов. Костный мозг кроликов получали пункцией из крыла подвздошной кости. Миелокариоциты однократно отмывали избытком полной культуральной среды. После центрифугирования удаляли супернатант с жировым костным мозгом. Доводили кле-

точность суспензии до 5-6х106/мл живых клеток. Имплантаты насыщали прилипающей фракцией клеток аутологичного костного мозга кроликов, внося в лунку стерильных 24-луночных планшетов (SplLifeSciences) с имплантатом (5-6)х106 миелока-риоцитов/мл на 2 часа. Количество клеток увеличивали инкубацией имплантатов с клетками в порах в полной культуральной среде в течение 14 суток при 37 °С, 4 % содержании СО2, абсолютной влажности. Смену 60 % среды осуществляли два раза в неделю. Операции1 по внедрению насыщенных клетками имплантатов кроликам проводили под об-

1 Операции выполняли на базе ФГБУ ГОУ ВПО УГМА младший

научный сотрудник Д. Г. Близнец, кандидат медицинских наук

Э. Б. Макарова, ветеринарный врач К.С. Женыспаев.

щим наркозом. Выделяли костную площадку, сверлом 4 мм формировали дефект с проникновением в костномозговой канал, вход в него раззенковывали сверлом 4,5 мм. С помощью импактора в метади-афиз устанавливали имплантат таким образом, чтобы поверхность торца имплантата сравнялась с плоскостью кости. Положение имплантата контролировали рентгенологически. Через 5-6 часов животные наступали на оперированную конечность. Через 4, 16 и 52 недели после операции животных выводили из эксперимента. Для оценки активности ферментов остеогенных клеток из костей кроликов вырезали костные блоки 15-20 мм высотой, непосредственно прилегающие к внедренному имплантату, помещали в жидкий азот. Дальнейшие

манипуляции проводили на льду. Для разделения цитоплазматической и митохондриальной фракций осуществляли дифференциальное центрифугирование при 0/+4 °С на рефрижераторной высокоскоростной центрифуге Sorval. Изучали активность тартратрезистентной кислой фосфатазы (КФтарт), активность термолабильной щелочной фосфатазы (ЩФтерм), активность малатдегидрогеназы (МДГ) и лактатдегидрогеназы (ЛДГ). Исследования выполнены на биохимическом анализаторе Sapphire 400. Полученные результаты пересчитывали на 1 г ткани. Статистическая обработка результатов выполнена с использованием непараметрического критерия Манна-Уитни с применением программы Statistica Six SigmaRelease 7.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При внедрении в дефект костной ткани пористых титановых имплантатов мы выявили рост активности костного изофермента щелочной фосфатазы в течение 4-16 недель после операции. При использовании nTi (a-C) изменения были значимыми по сравнению с интактной костной тканью (соответственно 242,3 % р = 0,02 и 156 %, р = 0,01). Данный показатель отражал функцию остеобластов и свидетельствовал об активации процесса остеогенеаза. Активность тартратрезистентной кислой фосфата-зы в течение 4-16 недель после операции не претерпевала значимых изменений в группе с nTi (а-С) и значимо возрастала в группе с nTi по сравнению с активностью данного фермента в интактной костной ткани. Возможно, это связано с выявленными при гистологических исследованиях ограниченными небольшими областями некроза костного вещества на краевых участках материнского ложа при использовании nTi имплантатов на ранних сроках наблюдения и отсутствием очагов некроза при использовании имплантатов с модифицированной алмазоподобной пленкой поверхностью. Фосфатаз-ный индекс (ФИ = ЩФтерм/КФтарт) (nTi (а-С)) достигал максимального значения уже через 4 недели после операции (352 %, р = 0,048), а в группе с nTi через 16 недель (400 %, р = 0,03). Полученные результаты согласуются с данными гистологических исследований. Покрытие поверхности титановых имплантатов алмазоподобными пленками приводит к активации процесса остеогенеза, что проявляется восстановлением кортикальной пластинки в зоне сформированного дефекта, уменьшением проявления рарификации и дистрофических изменений в материнском ложе от средне выраженных (nTi) до незначительных (nTi (a-C)).

Малатдегидрогеназа (К.Ф. 1.1.1.37) является полифункциональным ферментным комплексом, участвующим как в синтетических процессах, так и в энергетическом обмене. По современным представлениям, в клетках животных МДГ представлена в димерной и тетрамерной формах. Установлено, что для ткани с активно протекающими аэробными процессами характерно увеличение активности цитоплазматической фракции МДГ, восстанавливающей с помощью НАДН2оксалацетат в малат [1]. Интенсификация анаэробных процессов в тканях характеризуется увеличением глюконеогенеза и снижением активности цитоплазматической МДГ

[4]. Общая активность лактатдегидрогеназы (ЛДГ) связана с экспрессией ее двух полипептидных субъединиц, обозначаемых как "М" и "Н". Субъединицы М-типа ЛДГ функционируют в тканях преимущественно в анаэробных условиях, Н-типа - в хорошо аэрируемых тканях, что объясняется различной стимуляцией их специфической активности, определяемой концентрацией пирувата - низкой в хорошо аэрируемых тканях и высокой - в анаэробных условиях [5]. Данные свойства цитоплазматических МДГ и ЛДГ послужили основанием исследовать их активность для оценки преимущественно аэробной или анаэробной направленности метаболизма в различных тканях [1]. Полученные данные характеризуют активность МДГ в цитоплазме клеток гомогенатов интактной костной ткани, равной 23,7±9,1 МЕ/г ткани, что указывает на меньшую, но значимую активность аэробных процессов в костной ткани по сравнению с клетками интактной печени (49,08 МЕ/г сырой массы) [3]. Соответствие уровня активности цМДГ в костной ткани у группы nTi (a-C) уровню ее активности в интактной кости с одновременным уменьшением общей активности ЛДГ в цитоплазме по сравнению с интактной костной тканью через 4 недели эксперимента указывает, на наш взгляд, на более выраженное протекание аэробных процессов в конечности с имплантатом nTi (a-C), по сравнению с nTi группой, у которой была отмечена тенденция к снижению активности цМДГ и цЛДГ. Аэробная направленность обмена в костной ткани конечности с внедренными nTi (а-С) имплантатами подтверждается значимым отличием (р = 0,033) соотношения активностей цитоплазматических ЛДГ и МДГ по сравнению с группой с пористыми титановыми имплантатами и по сравнению с интактной костной тканью (р = 0,001). Через 16 недель после внедрения ПЛ(а-С) в прилегающей к имплантату костной ткани активность цМДГ выше, а активность цЛДГ ниже, чем в интактной костной ткани. У группы nTi в эти сроки также отмечается тенденция к росту активности цМДГ, но не достигающей уровня, регистрируемого в интактной костной ткани, и сниженный уровень цЛДГ по сравнению как с интактной костной тканью (р = 0,046), так и с группой nTi (а-С) (р = 0,025), что мы расцениваем как следствие усиления процессов аэробного окисления в костной ткани обеих групп опытных животных. Через 12 месяцев уровень значимых

отличий в активности цМДГ и цЛДГ у животных с ПТІ и ПТІ (а-С) по сравнению с интактной костной тканью не выявлено. Однако обращает на себя

внимание сохраняющаяся тенденция к снижению активности цЛДГ в обеих группах животных с введенными имплантатами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный эксперимент показал, что остеоинтеграция пористых титановых имплантатов сопровождалась значимыми изменениями обмена в костной ткани. Характер изменений метаболических реакций зависел от типа применяемого имплантата. Особенностями остеоинтеграции при использовании ПТ1 (а-С) является более ранняя активация остеогенеза по сравнению с применением

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

nTi, на что указывает более ранняя и выраженная активация костной фракции щелочной фосфатазы, увеличение фосфатазного индекса у первой группы животных по сравнению со второй. Одним из механизмов, обеспечивающих возрастающие потребностей костной ткани в макроэргах, является активация метаболизма, характеризуемая увеличением доли аэробного окисления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Захаров Ю. М., Якушев B. C. О влиянии ингибиторов эритропоэза на метаболизм тканей некоторых органов // Физиол. журн. им. И. М. Сеченова. 1976. T 69, № 10. С. 1365-1368.

2. Интеграция костной ткани в пористые титановые имплантаты с алмазоподобными нанопокрытиями // Э. Б.Макарова, Ю. М.Захаров, А. П. Рубштейн, А. И. Исайкин // Гений ортопедии. 2011. № 4. С. 111-116.

3. Михайлова Е. В., Сафонова О. А., Попова T. Н. Применение хроматографических методов для очистки цитоплазматической НАД-зависимой малатдегидрогеназы из печени крыс в норме и при токсическом гепатите // Сорбционные и хроматографические процессы. 2008. T. 8, Вып. 6. С. 1027-1034.

4. Фарис С. А. Особенности физико-химических, кинетических и регуляторных свойств изоформ малатдегидрогеназы из печени крыс при аллоксановом диабете : автореф. дис. канд. биол. наук. Воронеж, 2010. 24 с.

5. Kaplan N.O. Lactate dehydrogenase-structure and function // Brookhaven Sympos. Biol. 1964. No 17. P. 131-153.

Рукопись поступила 25.06.12.

Сведения об авторах:

1. Макарова Эмилия Борисовна - ФГБУ «Уральский НИИ травматологии и ортопедии им. В.Д. Чаклина», г. Екатеринбург, старший научный сотрудник клинико-биохимической лаборатории, к. м. н.

2. Захаров Юрий Михайлович - Челябинская государственная медицинская академия, г. Челябинск, зав. кафедрой нормальной физиологии, академик РАМН.

3. Рубштейн Анна Петровна - Институт физики металлов УрО РАН, г. Екатеринбург, лаборатория неравновесных процессов института физики металлов, старший научный сотрудник, к. ф.-м. н.