Классификация биологических реакций на имплантируемые материалы

Все реакции на имплантацию биоматериалов можно классифицировать по характеру биологического отклика на специфические и неспецифические. По уровню включения биологических реакций - на общие и локальные. По времени развития - на ранние и поздние.

Под специфическими реакциями подразумевают развитие строго определенного биологического ответа на действие какого-то конкретного фактора или материала. Примером может быть токсическое действие частиц кремния на лизосомальный аппарат макрофагов.

Активация свертывающей системы, ишемия и некроз тканей, воспаление, стресс являются проявлениями неспецифических реакций. В то же время повреждение ткани вокруг имплантата, образование сгустка крови являются формами локальных реакций, а, например, системный токсикоз, появление аутоиммунных антител или формирование общего адаптационного синдрома на операционную травму и боль отражают общие процессы, с включением гомеостатических и защитных систем организма.

Каждый орган тела построен из девяти основных типов тканей или систем, образующихся, в свою очередь, из трех зародышевых листков - эктодермы, эпидермы и мезодермы в процессе эмбриогенеза:

• эпителий или эндотелий;
• костно-мышечная система;
• система крови;
• иммунная система;
• нейроэндокринная система;
• соединительная ткань;
• паренхиматозная ткань исполнительных органов (остеоциты, остеобласты, гепатоциты, миелокариоциты, кардиомиоциты и т.п.);
• ретикулоэндотелиальная система;
• дезинтоксикационно-выделительная система.

Общие принципы работы каскадоподобного механизма адаптации

В ответ на травму, перелом кости, установку аппаратов внешней фиксации (АВФ) в организме включаются многочисленные процессы, в том числе каска-доподобный механизм адаптации. Каскадоподобный механизм адаптации (КМА) - выработанный в процессе эволюции набор программ взаимозависимой последовательной активации ключевых гомеостатических систем (нейроэндокринная > лимфоцитарная > ретикулоэндотелиальная > исполнительный орган), направленных на поддержания внутренней среды организма в норме и при патологии. Он играет роль своеобразного контролера уже существующих в исполнительных тканях реакций через включение (выключение) механизмов, контролирующих процессы пролиферации, дифференцировки родоначальных и стволовых клеток, а также активации или супрессии функциональной активности более дифференцированных клеточных популяций (Шахов, 1997). Концепция о КМА базируется на учении Г. Селье (1960) об общем адаптационном синдроме.

Последовательность включения КМА во многом повторяет ход фило- и эмбриогенеза. Каскадоподобный характер заключается в том, что возбуждение от одной системы передается к другой по типу эстафеты с помощью специфических и неспецифических мессенджеров. Специфическая директивная информация идет от вышестоящих отделов КМА к нижестоящим по вертикали и адресно. Для каждого уровня существует свой тип специфических регуляторов. Так, между гипоталамусом и передней долей гипофиза специфическим мессенджером является КРФ, а между гипофизом и корой надпочечников - АКТГ. Каждый уровень КМА работает по принципу функциональной системы, где происходит восприятие специфических и неспецифических сигналов, интегральная оценка ситуации, выработка плана действий, переработка и дальнейшая трансляция в общем контексте всего механизма. Блокада любого уровня КМА до прохождения через него специфической информации приводит к его отмене или деформации. Особенно наглядным примером может послужить кроветворная система, в которой при реакции на стресс, большую потерю крови, воспаление наблюдается последовательная активация нейроэндокринной, опиатной, Т-лимфоцитарной, ретикулоэндотелиальной систем. Результатом этого КМА является усиление продукции эритроцитов и лейкоцитов, необходимых для поддержания гомеостаза на нужном уровне (Дыгай, Шахов, 1989; Дыгай, Клименко, 1992). Установлено, что блокада или супрессия системы мононуклеарных фагоцитов, Т-лимфоцитов, вегетативной нервной системы, выработки опиатов или глюкокортикоидов отменяет (или значительно искажает) развитие гиперплазии костного мозга в ответ на действие экстремальных факторов (Гольдберг и др., 1997; Goldberg et al., 1990; Dygat, 1991).

На каждом уровне КМА осуществляется перекодировка и усиление сигнала. Это позволяет снизить уровень помех и вредных шумов и обеспечить передачу информации практически без искажений. Теоретические расчеты показывают, что усиление сигнала, идущего через КМА, может возрастать с 10² до 10^8-12 раз.

Специфическая информация трансформируется в неспецифическую, когда достигает другого (не адресного) этажа. Например, АКТГ является специфической информацией для клеток коры надпочечников, хотя рецепторы к данному гормону обнаруживаются и на элементах РЭС - макрофагах. Однако в последнем случае АКТГ не вызывает активацию мононуклеарных фагоцитов, а лишь способствует к переводу их в премированное состояние. Только под действием специфических цитокинов макрофаги или Т-лимфоциты активизируются. Неспецифические мессенджеры переводят (не адресные) системы КМА в режим ожидания и создают общую гармонику, позволяющую осуществить горизонтальную коррекцию хода развития реакций в реальном времени и с учетом перспективы дальнейших событий. С помощью специфических мессенджеров определяется вектор работы КМА. Вместе специфические и неспецифические мессенджеры создают единую голографическую картину событий, позволяющую КМА быть единой функциональной гиперсистемой, адекватно реагирующей на изменяющиеся условия внутренней и внешней среды организма (Шахов, 1996, 1997).

Включение КМА зависит от силы, частоты действия экстремальных или повреждающих факторов, а также исходного состояния организма (возраст, пол и др.). В отличие от каскадных реакций, например активизации свертывающей системы, в процессе реализации КМА для организма всегда есть выбор определения его хода и направленности. Несмотря на то, что часто включение КМА происходит в результате действия неспецифических воздействий (стресс, травма и т.п.), конечный результат всегда строго специфичен. Это может проявляться, например, в стимуляции эритро- или лейкопоэза, в зависимости от конкретных потребностей организма или построения костного микроокружения на КФ (Шахов, 1986; Shakhov et al., 1999).

По времени и биологическим задачам можно выделить два типа КМА - быстрый и медленный. Различия между ними носят преимущественно количественный характер в скорости развития событий и диапазоне экспрессии генов. Рассмотрим развитие быстрого КМА на примере кроветворной ткани. Так, у мышей быстрый КМА развивается в первые минуты, часы после действия экстремальных факторов, наблюдается последовательная активация нейроэндокринной, Т-лимфоцитарной и ретикулоэндотелиальной систем. В результате в костный мозг мигрируют Т-лимфоциты, которые контактируют с центральным макрофагом гемопоэтических островков и воздействуют на родоначальные клетки крови. В результате происходит стимуляция процессов пролиферации и дифференцировки кроветворных клеток-предшественников с образованием лейкоцитов или эритроцитов. Указанная реакция, очевидно, универсальна, во многом неспецифична и направлена на включение более специфического медленного КМА, с помощью которого осуществляется более тонкая и длительная адаптация организма к продолжительному действию экстремальных факторов и устранению их последствий. По-видимому, с помощью быстрого КМА формируется структурно-информационный след (Меерсон, 1993) наиболее важных коммуникационных ассоциаций, помогающих перевести (с помощью медленного КМА) исполнительные ткани на более высокий функциональный уровень с учетом конкретных запросов организма (Шахов, Шахова, 1996; Шахов, 1997). Анализ литературных данных позволяет судить о том, что воспаление, стресс, различные не системные нарушения кровообразования, многие иммунные и аутоиммунные процессы и реакции на имплантацию биоматериалов развиваются по каскадоподобному типу (Дыгай, Клименко, 1992; Захаров, 1994; Абрамов, 1996; Волчегорский и др., 1998; Benjamini, Leskowitz, 1996).

Наши исследования показали, что каскадоподобный механизм может иметь место при работе кроветворной и остеогенной тканей. По крайней мере, блокада макрофагов или Т-клеток отменяет феномен стимуляции костеобразования на модели эктопического костеобразования (Shahov et al., 1999).


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