CC BY
83
I
Орипнальы дозддження
Original Researches
Травма
УДК 616.7-089.843:615.464:666 DOI: 10.22141/1608-1706.1.20.2019.158670
Бурьянов А.А.1, Чорний В.С.1, Дедух Н.В.2, Дубок В.А.2, Проценко В.В.2, Омельченко Т.Н.1, Вакулич М.В.1, Лянскорунский В.Н.1, Шаповалов В.С.1, Абудейх Удей1 1Национальный медицинский университет им. А.А. Богомольца, г. Киев, Украина 2ГУ «Институт травматологии и ортопедии НАМН Украины», г. Киев, Украина
Особенности регенераторных реакций при заполнении дефектов костной ткани биостеклом в сочетании с аутологической плазмой, обогащенной тромбоцитами
Резюме. Проведен сравнительный морфометрический анализ между показателями фиброретикулярной и костной ткани, сформировавшейся в дефекте кости после имплантации биостекла, а также биостекла с введением аутоплазмы, обогащенной тромбоцитами. В серии исследований с дополнительным введением аутогенной плазмы, обогащенной тромбоцитами, выявлено повышение в дефекте костной ткани на 9 % ^ < 0,001). Биостекло характеризуется остеокондуктивностью и остеоинтеграцией, материал биоактивен, что проявляется формированием на его поверхности активных остеобластов и костной ткани, частичной резорбции остеокластами. Вокруг частиц биостекла отсутствовали воспалительные проявления и аллергическая реакция, материал был совместим с костной тканью и костным мозгом. Деструктивных нарушений костного мозга вокруг частиц биоактивного стекла не зафиксировано. Локальное введение плазмы, обогащенной тромбоцитами, способствовало повышению остеоиндуктивных свойств биостекла в области травматического повреждения.
Ключевые слова: биоактивное стекло; репаративный остеогенез; плазма, обогащенная тромбоцитами
Введение
К типичным представителям биоактивных материалов относятся биостекло (наиболее часто используется следующий состав: 24,5 % №20, 24,5 % СаО, 45,0 % SiO2, 6 % Р205 — варьируя состав, можно изменять его биоактивность и резорбируемость) и материалы на основе гидроксиапатита (ГА) — Са10(РО4)6(ОН)2 (плотная и пористая керамика) [1].
Впервые данные о связывании кости с биоактивным стеклом 45S5 были представлены в 1969 году, а экспериментальные исследования, проведенные в 1971— 1972 гг., показали целесообразность использования этого биоматериала для регенерации кости в условиях заполнения крупных дефектов [2, 3]. Исследования механизмов регенерации кости в условиях использования биостекла продолжаются. Одним из актуальных направлений является использование биостекла с биологически активными веществами.
Прямая связь клеток-предшественников и остеобластов с поверхностью биостекла может быть обеспечена ионами Si и Са, выделяющимися в процессе растворения биостекла, которые, как представлено в литературе, контролируют как прикрепление клеток к поверхности биоматериала, так и клеточные циклы [4].
Известно, что плазма, обогащенная тромбоцитами, стимулирует остеогенез за счет того, что тромбоциты, разрушаясь в костном дефекте, выделяют многочисленные факторы роста, запускающие и активирующие процессы остеогенеза [5, 6].
Данные литературы свидетельствуют о том, что отдельные виды биоматериалов обладают вторичной остеоиндукцией, которую обеспечивают активные белковые макромолекулы, модифицируя поверхность биоматериала, область расположения его в кости и др. [7, 8]. Биостекло и стеклокерамика
© «Травма» / «Травма» / «Trauma» («Travma»), 2019
© Видавець Заславський О.Ю. / Издатель Заславский А.Ю. / Publisher Zaslavsky O.Yu., 2019
Для корреспонденции: Бурьянов Александр Анатольевич, доктор медицинских наук, профессор, Национальный медицинский университет имени А.А. Богомольца, бул. Т. Шевченко, 13, г. Киев, 02000, Украина; e-mail: [email protected]
For correspondence: O. Buryanov, MD, PhD, Professor, Bogomolets National Medical University, T. Shevchenko boulevard, 13, Kyiv, 02000, Ukraine; e-mail: [email protected]
56 Травма, ISSN 1608-1706 (print), ISSN 2307-1397 (online) Том 20, № 1, 2019
(биоситаллы) после имплантации в костный дефект не инкапсулируются, а находятся в прямом контакте с костной тканью. Основным условием для связывания стеклокерамики с костной тканью является образование апатитового слоя на их поверхности в биологической среде [9, 10]. При пластике биостеклом обмен происходит на клеточном уровне, то есть биостекло деградирует за счет макрофагов и остеокластов, а построение новой кости осуществляется остеоцитами и остеобластами [11]. Образовавшийся комплекс прочнее, чем при пластике керамическим материалом на основе ГА и трехкальциевого фосфата, и имеет хаотическую структуру [12].
Цель работы — изучение регенерации кости в условиях заполнения костных дефектов биостеклом с аутоплазмой, обогащенной тромбоцитами.
Материалы и методы
Экспериментальные исследования проведены на 18 кроликах массой 3400 ± 67 г. Под общей анестезией в проксимальном метафизе большеберцовой кости выполняли костный дефект 2 мм в диаметре. В 2 сериях деффект заполняли биостеклом или биостеклом с аутоплазмой, обогащенной тромбоцитами (PRP). PRP получали при однократном центрифугировании крови подопытного животного c цитратом. Сроки наблюдения составили 4 и 12 недель. Исследование проводили в соответствии с международными требованиями о гуманном отношении к лабораторным животным, соблюдая правила «Европейской конвенции защиты позвоночных животных, используемых в экспериментальных и других научных целях» (Страсбург, 1986), а также Закон Украины № 3447-IV от 21.02.2006 «Про захист тва-рин вщ жорстокого поводження». Протокол экспериментов на животных утвержден Комитетом по биоэтике (протокол № 5 от 2016 г.).
Для морфологических исследований выделяли фрагменты костей голени кроликов с дефектами и фиксировали их в 10% растворе нейтрального формалина, декальцинировали в растворе 4% азотной кислоты, обезвоживали в спиртах возрастающей крепости и заключали в парафин. На микротоме изготавливали серийные гистологические срезы толщиной 7—9 мкм, которые окрашивали железным гематоксилином Вейгерта и эозином, а также пи-крофуксином по Ван Гизону.
Окрашенные срезы анализировали в микроскопе Olympus BX-63 с использованием морфометрической программы CellSence Dimension 1.8.1. Оценку площади тканей, сформировавшихся в дефекте, проводили между двумя фрагментами кортекса, прилежащими к дефекту:
— общую площадь имплантата с образовавшимися между частицами биостекла тканями;
— площадь костной ткани между частицами биостекла;
— площадь фиброретикулярной ткани между частицами биостекла;
— площадь, занимаемую частицами биостекла.
Выбор этой области для исследования был связан с тем, что в регенерации кости в условиях перелома именно интермедиарный регенерат обеспечивает прочностные качества кости. Полученные цифровые показатели для каждого из измеренных случаев выражены в процентах от общей измеренной площади.
Статистический анализ выполнен с использованием программных пакетов Microsoft Excel XP. Для определения различий между группами применяли t-критерий Стьюдента. Статистически значимыми считали различия при P < 0,05.
Результаты и обсуждение
Изучение регенерации кости при использовании био стекла (контрольная серия). При микроскопическом исследовании срезов выявлено, что частицы биостекла различного размера и формы располагались в области дефекта, проходящего через кортекс большеберцовой кости, а также в области костномозгового канала (рис. 1).
В костномозговом канале биостекло было отделено от костного мозга узкими трабекулами новообразованной костной ткани и фиброретикулярной тканью остеогенного типа (рис. 2). Вокруг имплантированного биостекла по краевой поверхности располагался желтый костный мозг, на расстоянии от области имплантации сохранялись очаги красного и желтого костного мозга.
Среди имплантированных частиц биостекла различной формы и размеров располагались костные трабекулы в виде узких напластований с высокой плотностью остеоцитов (рис. 2). Короткие костные трабекулы выявлены среди фиброретикулярной ткани, что свидетельствует об остеогенной потенции этой ткани.
Непосредственно на биостекле были обнаружены единичные остеокласты, формирующие резорб-тивные полости, в которые прорастали остеобласты (рис. 3). Остеобласты располагались и на поверхности биостекла, формируя остеоид.
Расположение остеокластов и остеобластов на поверхности биоматериала свидетельствует о его высокой биосовместимости с костной тканью. Прилежащая к биостеклу фиброретикуляр-ная ткань включала клетки фибробластического дифферона различной зрелости, единичные макрофаги и остеобласты, которые были расположены непосредственно на частицах биоматериала.
В области кортекса частицы биостекла были связаны между собой новообразованной костной тканью и с материнской костью, прилежащей к области дефекта (рис. 1). На поверхности костных трабекул в узких и расширенных лакунах располагались остео-циты (рис. 4). Межтрабекулярные пространства были заполнены фиброретикулярной тканью. Костные трабекулы, формирующие межтрабекулярные пространства, в краевых отделах имели высокую
I
Орипнальш дослiдження / Ог1д1па! РезеагсИеэ
1
Рисунок 1. Биостекло в дефекте кортекса боль- Рисунок 2. Частицы биостекла, окруженные тра-
шеберцовой кости и в области костномозгово- бекулами новообразованной костной и фибро-
го канала. Очаги желтого костного мозга, при- ретикулярной ткани, в костномозговом канале.
лежащие к имплантату. Гематоксилин и эозин. Очаги желтого костного мозга, прилежащие к
Ув. 4
биоматериалу. Гематоксилин и эозин. Ув. *200
Рисунок 3. Грануляционная ткань между части- Рисунок 4. Костные трабекулы на поверхности цами из биостекла. Остеокласты и остеобласты биостекла в области кортекса. Остеоциты на по-на поверхности биоматериала. Гематоксилин и верхности костных трабекул. Фиброретикуляр-
эозин. Ув. *400
ная ткань остеогенного типа. Кровеносные сосуды. Гематоксилин и эозин. Ув. *400
%
70 60 50 40 30 20 10 0
62
23 15
■ ■
Костная ткань
ФР
Биостекло
Рисунок 5. Соотношение тканей в области дефекта между фрагментами кортекса с имплантированным биостеклом, %
Примечание: здесь и в рис. 9: ФР — фиброретикулярная ткань.
плотность остеобластов, а на участках между частицами биостекла обнаружены их скопления.
Кортекс материнской кости с признаками посттравматической реактивной перестройки, связанной с расширением сосудистых костных каналов.
Для оценки соотношения тканей, сформировавшихся в области кортекса с имплантированным биостеклом, было проведено морфометрическое исследование. Результаты проведенного исследования представлены на рис. 5.
На основе данных морфометрии площади ткани в области дефекта, расположенного в кортексе, выявлено, что площадь костной ткани была на 7,3 % больше по сравнению с площадью фиброретикуляр-ной ткани.
Введение в область дефекта порошка из биостекла и аутологичной плазмы, обогащенной тромбоцитами. При микроскопическом исследовании в большебер-цовой кости четко визуализируется область дефекта с имплантированным в нее биостеклом (рис. 6).
Биостекло располагалось и в костномозговом канале.
В области кортекса частицы биостекла были спаяны между собой костной и фиброретикулярной тканью с преобладанием костной ткани, которая представлена разветвленными костными трабекула-ми (рис. 6). Они формировались как на поверхности биоматериала, так и в толще фиброретикулярной ткани. Переплетаясь между собой, костные трабе-кулы образовывали узкие мостоподобные структуры, срастающиеся с кортексом материнской кости, прилежащей к области дефекта. На краевых отделах кортекса в области эндоста имело место формирование костной ткани, напластовывающейся на эн-достальную поверхность и проникающей в костномозговой канал.
На поверхности костных трабекул располагались остеоциты, а по краевой поверхности — остеобласты. Большая часть поверхности костных трабекул была покрыта активными остеобластами, имеющи-
Рисунок 6. Частицы биостекла, окруженные фиброретикулярной и костной тканью. Гематоксилин и эозин. Ув. х 200
Рисунок 7. Костные трабекулы с высокой плотностью остеобластов по краевой поверхности. Скопления остеобластов, биостекло. Гематоксилин и эозин. Ув. х 400
Рисунок 8. Частицы биостекла. Узкие костные трабекулы на поверхности биостекла. Грануляционная ткань. Гематоксилин и эозин. Ув. х 200
%
60 50 40 30 20 10 0
54
32
И
Костная ткань
ФР
Биостекло
Рисунок 9. Соотношение ткани в области кортекса при имплантации биостекла, %
ми слабобазофильно окрашенное ядро, окруженное обильной цитоплазмой (рис. 7), что свидетельствует об активизации в таких клетках биосинтетических процессов. Обнаруживали скопления остеобластов, на основе которых формируется остеоид.
В краевых отделах частиц биостекла выявлено изменение его тинкториальных качеств, что может быть начальным признаком преобразования его поверхности за счет сорбции биологических жидкостей, в том числе входящих в их состав факторов роста, активизирующих остеогенез, а также введение плазмы, обогащенной тромбоцитами.
В области костномозгового канала, по мере удаления от кортекса, остеогенез проявлялся слабее. Лишь единичные частицы биостекла были окружены незрелой костной тканью (рис. 8).
Признаков деструкции и воспалительной реакции тканей, прилежащих к области имплантации биоматериала, не выявлено.
Красный и желтый костный мозг располагался непосредственно на частицах биостекла или контактировал без четких границ с грануляционной тканью.
Проведенное морфометрическое исследование показало, что площадь костной ткани в области травматического повреждения на 17,4 % больше, чем у фиброретикулярной ткани (рис. 9).
Выводы
Проведен сравнительный анализ между показателями фиброретикулярной и костной ткани, сформировавшейся в дефекте кости после имплантации биостекла, а также биостекла с введением аутогенной плазмы, обогащенной тромбоцитами. В серии исследований с дополнительным введением аутогенной плазмы, обогащенной тромбоцитами, выявлено повышение в дефекте костной ткани на 9 % (Р < 0,001).
Таким образом, исследованный биоматериал — биостекло — характеризуется остеокондуктивно-стью и остеоинтеграцией. Материал биоактивен, что проявляется формированием на его поверхности активных остеобластов и костной ткани. Вокруг частиц биостекла отсутствовали воспалительные проявления и аллергическая реакция, материал был совместим с костной тканью и костным мозгом. Деструктивных нарушений костного мозга вокруг частиц биостекла не зафиксировано, однако вблизи материала в костномозговом канале повышена плотность желтого костного мозга.
На поверхности биостекла располагались остеобласты, формирующие костную ткань. Биоматериал, как и костная ткань, может частично подвергаться резорбции остеокластами, что также указывает на остеоинтегративные качества биоматериала.
Локальное введение плазмы, обогащенной тромбоцитами, способствовало повышению остеоиндук-тивных свойств биостекла в области травматического повреждения.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии какого-либо конфликта интересов при подготовке данной статьи.
Список литературы
1. Попков А.В. Биосовместимые имплантаты в травматологии и ортопедии (обзор литературы) //Гений ортопедии. — 2014. — 3. — С. 94-99.
2. Beckham C.A. Bone Formation at a Ceramic Implant Interface / C.A. Beckham, T.K. Greenlee, A.R. Crebo // Calcified. Tissue Research. — 1971. — Vol. 8, № 1. — P. 165-171.
3. Hench L.L. Chronology of Bioactive Glass Development and Clinical Applications // New Journal of Glass and Ceramics. — 2013. — 3. — С. 67-73.
4. Xynos I.D., Edgar A.J., Buttery L.D.K. Gene Expression Profiling of Human Osteoblasts Following Treatment with the Ionic Dissolu-tion Products of Bioglass® 45S5 Dissolution Journal of Biomedical. Materials Research // Journal of Biomedical. Materials Research. — 2001. — 55(2). — P. 151-157.
5. Panda S, Doraiswam J., Malaiappan S, Varghese S.S. Additive effect of autologous platelet concentrates in treatment of intrabony defects: a systematic review and metaanalysis // J. Investig. Clin. Dent. — 2016. — 7(1). — Р. 13.
6. Meschi N, Castro A.B., Vandamme K. The impact of autologous platelet concentrates on endodontic healing: a systematic review // Platelets. — 2016. — 27(7). — Р. 613633.
7. Берченко Г.Н., Кесян Г.А., Микелаишвили Д.С. Применение биокомпозиционного наноструктурированного препарата коллапан и обогащенной тромбоцитами ау-топлазмы в инжиниринге костной ткани // Травма. — 2010. — 11(1). — Р. 7-14.
8. Barradas А.М, Yuan Н., van Blitterswijk С.А. Osteoinductive biomaterials: current knowledge of properties, experimental models and biological mechanisms // European Cells and Materials. — 2011. — 21. — P. 407-429.
9. Кирилова И.А, Садовой М.А., Подорожная В.Т. Сравнительная характеристика материалов для костной пластики: состав и свойства //Хирургия позвоночника. — 2012 May. — Р. 72-83.
10. Дубок В.А., Лашнева В.В., Шинкарук О.В., Дубок О.В. Сучасний ринок бюактивних керамiчних матерi-алiв i перспективи його розвитку // Всник Украшського матерiалознавчого товариства iм. 1.М. Францевича. — 2017. — С. 65-78.
11. Кравченко С.В., Запорощенко А.Ю, Савицкая И.М. Замещение биоактивного керамического материала «Син-текость» новообразованной костью в эксперименте // Клшчна хiрургiя. —2014. — С. 62-64.
12. Бур'янов О.А., Чорний В.С., Проценко В.В., Шаповалов В.С., Кусяк В.А. Аналiз замщення ысткових дефектiв кальцш-фосфатними бiоматерiалами при захворюваннях шстковог тканини // Лтопис травматопоги та ортопеда. — 2018. — 37-38(1-2). — С. 111-116.
Получено 14.01.2019 ■
60
Травма, ISSN 1608-1706 (print), ISSN 2307-1397 (online)
Том 20, № 1, 2019
Бур'янов О.А.1, Чорний В.С1, ДедухН.В.2, Дубок В.А.2, Проценко В.В.2, Омельченко Т.М.1, Вакулч М.В.1,
Лянскорунський В.МЛ Шаповалов В.С.1, Абудейх Удей1
Нацональний медичний университет ¡м. О.О. Богомольця, м. Кит, Украна
2ДУ «1нститут травматологи та ортопед» НАМН Укра1ни», м. Кит, Украина
Особливост регенераторних реакцм при заповненш дефеклв кютковоУ тканини бюсклом у поеднанш з автологiчною плазмою, збагаченою тромбоцитами
Резюме. Проведено порiвняльний морфометричний анатз м1ж показниками фiброретикулярноï та истково'! тканини, що сформувалася в дефектi кустки тсля iмплантащï бiоскла, а також бюскла з уведенням автоплазми, збагачено'! тромбоцитами. В серп дослщжень i3 додатковим уведенням автоген-но1 плазми, збагачено'1 тромбоцитами, виявлено пщвищення в дефект истково'! тканини на 9 % (P < 0,001). Бюскло характеризуемся остеокондуктивнiстю й остеоштегращею, ма-терiал бiологiчно активний, що проявляеться формуванням на його поверхш активних остеобластiв i кiстковоï тканини,
частково! резорбцц остеокластами. Навколо частинок бюскла були вщсутш запальш прояви та алерпчна реакц1я, матерiал був сушсний iз к1стковою тканиною та истковим мозком. Деструктивних порушень исткового мозку навколо частинок бiоактивного скла не зафiксовано. Локальне введення плазми, збагачено! тромбоцитами, сприяло пщвищенню остеош-дуктивних властивостей бiоскла в дшянщ травматичного по-шкодження.
Ключовi слова: бiоактивне скло; репаративний остеогенез; плазма, збагачена тромбоцитами
O.A. Burianov1, V.S. Chornyi1, N.V. Dedukh2, V.A. Dubok2, V.V. Protsenko2, T.M. Omelchenko1, M.V. Vakulich1. V.M. Lianskorunsky1, V.S. Shapovalov1, Abudeich Uday1 Bogomolets National Medical University, Kyiv, Ukraine
2State institution "Institute of Traumatology and Orthopedics of NAMS of Ukraine", Kyiv, Ukraine
Regenerative reactions during the filling bone defects with bioglass in combination with autologous platelet-rich plasma
Abstract. A comparative morphometric analysis was performed between the parameters of fibro-reticular and bone tissue formed in the bone defect after implantation of bioactive glass, as well as bioactive glass with the introduction of autoplasma enriched with platelets. In a series of studies with add-on introduction of autogenic plasma enriched with platelets the bone defect increased by 9 % (P < 0.001). The bioactive glass is characterized by osteoconductivity and os-teointegration, the material is biologically active, that manifests in formation of active osteoblasts and bone tissue on its surface, partial
osteoclast resorption. Around the bioactive glass particles there were no inflammatory sings and allergic reaction; the material was compatible with bone tissue and bone marrow. Destructive bone marrow violations around bioactive glass particles were not recorded. Local administration of plasma enriched with platelets contributed to the improvement of osteoinductive properties of bioactive glass in the area of traumatic injury.
Keywords: bioactive glass; reparative osteogenesis; autologous platelet-rich plasma
