Эктопическое костеобразование

Существуют парадокс, согласно которому остеогенез в мягких тканях может протекать и без прямого введения МБК. В частности, при травмах в мышцах, межмышечном пространстве, в местах скопления рыхлой соединительной ткани и в клетчатке, где образуется гематома, может инициироваться процесс ее оссификации с образованием незрелого остеоида (Корж, 1981; Миронов и др., 1997). Патофизиология этого процесса остается неясной.

Другой феномен, представляющий для нас интерес, наблюдается при подкожном или внутримышечным введении пористых кальциофосфатов (КФ) экспериментальным животным. Уже через 1-2 месяца на их поверхности образуется незрелая костная ткань. При этом следует подчеркнуть, что не все КФ обладают способностью к остеоиндукции. Ее проявление зависит как от свойств самого материала, так и особенностей организма животных-реципиентов (Li et al., 1993; Klein et al., 1994; Li, 1994; Yuan et al., 1999). Так, у различных видов животных феномен эктопического костеобразования идет по разному. Наиболее активно он протекает у собак, в наименьшей степени - у мышей, кроликов и хомячков, что связывают с разным уровнем метаболической активности и кровеснабжения тканей (Klein et al., 1994).

Необходимо, чтобы поверхность КФ имитировала структуру костной ткани, т.е. имела поры, диаметр которых должен быть сравним с диаметром остеонов 100-300 мкм. При меньшем или большем размере пор процесс ОИ практически не наблюдается (Groot, 1973; Bruijn, 1993; Daculsi, 1999).

Маловероятно, что КФ сами по себе обладают ОИ способностью. Для реализации этого феномена необходимо несколько обязательных условий (Chalmers et al., 1974):

1. Присутствие остеогенных клеток-предшественников.
2. Оптимальная концентрация специфического регулятора(ов) (МБК).
3. Наличие специфического костного микроокружения.

В мягких тканях всегда присутствуют циркулирующие остеогенные прекурсоры и вспомогательные клетки, которые, теоретически способны заселять КФ имплантаты (Хэм, Кормак, 1983; Албертс и др., 1994). Кальциофосфаты в системах in vitro и in vivo обладают способностью к адгезии на своей поверхности стволовых клеток, остеобластов, остеокластов, клеток костного мозга и моноцитов (Grundel et al., 1991; Camerino et al., 2000; Kim et al., 2000; Ohgushi et al., 2000; Rice et al., 2000). Остеогенные прекурсоры вместе с вспомогательными клеточными элементами (лимфоцитами, макрофагами, эндотелием и т.п.), очевидно, создают на КФ необходимое костное микроокружение (Groot, 1981; Bruijn, 1993; Li, 1994).

Установлено, что КФ являются промоторами пролиферации остеобластических клеток и вызывают их активацию (Winn et al., 1999; Kim et al., 2000). В зависимости от наличия фтора, карбоксильной группы, доли аморфной фазы проявляют в культуре ткани различную способность к индукции адгезии, пролиферации и дифференцировке остеогенных прекурсоров. Так, фенотипический маркер остеобластов - щелочная фосфатаза возрастала в 1-6 раз при использовании апатита, в 2-6 раз -на карбоксилапатите, в 3-10 раз - на кальций-дефицитном апатите (Oreffo et al., 1998). С другой стороны, процесс прикрепления клеток к КФ протекает хуже, если в них увеличивается аморфная фаза (Kim, 2000). Чем выше кристалличность гидроксиапатита (ГА), тем выше его способность поддерживать процессы адгезии, пролиферации и дифференцировки остеогенных клеток в присутствии МБК (Melican et al., 1998). Лучше всего адгезия, пролиферация и дифференцировка фибробластов костного мозга протекают на высококристалличном ГА с образованием 70% остеобластов, продуцирующих коллаген. Особо следует подчеркнуть, что аморфные апатиты обладают цитотоксическим эффектом, что делает их мало приемлемыми с позиции биосовместимости (Oreffo et al., 1998).

Во многом анологичные данные были получены нами при изучении ОК и ОИ, адгезии клеток и протеинов на КФ керамике с различной степенью кристаличности.

После адгезии остеогенные клетки при создании необходимых условий могут формировать костную ткань. Так, пористая ГА керамика в сочетании с костномозговыми клетками, полученными от мышей или человека, при имплантации под кожу Nude мышам претерпевает фиброваскулярную трансформацию с последующим образованием ламиллярной костной ткани к 4-8 неделе опыта. Вместо костного мозга может быть использована культура фибробластов (Ohgushi et al., 1990; 2000). Присутствие коллагена усиливает способность КФ к адгезии клеток (Hsu et al., 1999).

При помещении КФ в костную ткань остеогенные клетки начинают мигрировать по их поверхности, постепенно заселяя всю свободную территорию. Минерал играет роль своеобразных строительных лесов. Это процесс получил название остеокондукции (OK) (Bruijn, 1993). При этом, как правило, костная ткань разрастается не только по поверхности КФ, но и внедряется за счет остеокластического ремоделирования внутрь КФ, а также образует своеобразную муфту вокруг имплантата (Groot, 1981; Mendes et al., 2000). Экспансия костной ткани внутри КФ является неотъемлемой частью процесса остеоинтеграции. В опытах на кроликах при использовании имплантации частиц ГА в большеберцовую кость, с помощью рентгенологического и гистологического исследования было обнаружено, что образование новой кости начиналось с 4 по 8 неделю. При этом формирование кости начиналось между частицами ГА и кортикальной костью. В контрольной группе формирование новой кости не происходило. Аффинитивный индекс параметров остеогенеза составил: 0% на 2 неделю, 52,2+14,0% - 4 неделю, 74,8+5,3% - 8 неделю, 86,1+6,1% -12 неделю, 90,1+8,3% - 24 неделю и 92,8+4,1% на 40 неделю опыта (Sato et al., 1998).

Концентрация циркулирующего в крови МБК недостаточна, чтобы стимулировать процессы пролиферации и дифференцировки прикрепившихся к поверхности КФ костных клеток-предшественников (Groot, 1973, 1981). Для того чтобы создать оптимальный уровень остеогенных ростовых факторов, КФ включают механизм адсорбции протеинов (Berkele, 1998). Способность МБК связываться с ГА и ТКФ одним из первых установил М. Urist (Urist et al., 1984). Позднее было подтверждено, что КФ обладают способностью к абсорбции или адсорбции МБК и создают при этом необходимую концентрацию, обеспечивающую нормальную работу для остеогенных прекурсоров (Li, 1994; Vehof et al., 2000). Можно полагать, что в данном случае КФ являются своеобразной ловушкой для МБК и, вероятно, других ростовых факторов, необходимых для поддержания процессов пролиферации и дифференцировки остеогенных клеток-предшественников, с последующей трансформацией их в остеобласты и образованием костной ткани. Эту точку зрения подтверждают данные, в которых с помощью иммунологических методов было показано, что пористый ГА способен к специфическому связыванию циркулирующих МБК и остеопонтина. Была высказана гипотеза о том, что ОИ свойства КФ проявляются за счет так называемой геометрической индукции костной ткани. При этом поверхность КФ обеспечивает сохранение информации о форме ткани, присущей эмбриональному периоду развития организма и играет роль триггера, контролирующего вход или выход клеток в фазу роста и дифференцировки (Thomas et al., 2001).

Другой механизм создания необходимой концентрации МБК и иных ростовых факторов, необходимых для остеогенеза, может состоять в стимуляции их эндогенной продукции из окружающей ткани, на что указывают опыты, проведенные по изучению эктопического костеобразования на обезьянах (Ripamonti, 1995). Оказалось, что частицы β-ТКФ при имплантации в большеберцовую кость крысы на 3 сутки вызывают экспрессию мРНК для выработки проколлагена в остеобластах. Затем к 7 суткам наблюдается достоверный рост мРНК, отвечающих за выработку матричных протеинов костной ткани - остеонектина, остеопонтина и остеокальцина, с образованием вокруг частиц кости (Ohsawan et al., 2001).

Таким образом, представленные данные и результаты собственных исследований позволяют высказать гипотезу о том, что феномен образования остеогенной ткани на КФ при имплантации их в мягкие ткани представляет собой опосредованный механизм. Сами по себе КФ не обладают прямыми остеоиндуктивными свойствами. Феномен эктопического костеообразования носит опосредованный характер (Карлов и др., 1999, 2000; Shakhov et al., 2000). КФ при введении в организм взаимодействуют с циркулирующими остеогенными прекурсорами и вспомогательными клетками (макрофагами, лимфоцитами, эндотелием и т.п.), имеющимися в окружающих тканях. В результате создается специфическое костное микроокружение, очевидно, через каскадоподобные механизмы.

Кроме того, КФ являются своеобразной ловушкой для ростовых остеогенных факторов из окружающей среды. Происходит процесс связывания КФ с циркулирующими в крови и тканевой жидкости МБК, увеличивая их локальную концентрацию. При этом не исключается возможность эндогенной выработки МБК из окружающих тканей под стимулирующим действием КФ на клетки. Биодеградация КФ создает необходимую концентрацию ионов кальция и фосфора, являющихся промоторами для остеобластов. В результате этого происходит стимуляция процессов пролиферации и дифференцировки остеогенных прекурсоров с трансформацией их в специализированные клетки и образованием новой костной ткани. Этот механизм, очевидно, является универсальным, основанным на феномене структурно-функционального соответствия неорганической и органической составляющих костной ткани (Карлов, Шахов, 1999, 2000).


А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики