Репрезентативные микрокомпьютерные томограммы приведены на рисунке 4.
Рисунок 4. Репрезентативные гистологические снимки (окрашивание гематоксилином и эозином) новообразованной костной ткани в просвете созданного дефекта при отсутствии заполнения дефекта (отрицательный контроль) либо замещении дефекта удаленными участками теменных костей (костный аутотрансплантат, положительный контроль), широко применяемым препаратом Geistlich Bio-Oss® или оригинальным медицинским изделием Bongraf COLLAGEN
Репрезентативные гистологические снимки представлены на рисунке 5.
Рисунок 5
Еще одним важным аспектом оценки репарации дефектов костной ткани является микротомографическое измерение толщины новообразованных костных элементов. У крыс с незаполненным костным дефектом толщина костных балок через 4 недели после операции была наименьшей, однако к 12-й неделе достигала величин, близких к наибольшим среди всех групп показателям крыс с реимплантированными костями свода черепа (рисунок 3Г). При замещении костного дефекта препаратом-компаратором Geistlich Bio-Oss® или тестируемым медицинским изделием Bongraf COLLAGEN толщина костных балок была промежуточной между таковой в вышеуказанных группах и увеличивалась с течением времени при заполнении дефекта изделием Bongraf COLLAGEN (рисунок 3Г).
С целью дополнительной оценки характеристик костных элементов было проанализировано распределение костных элементов по диаметру. У крыс с незаполненным костным дефектом через 4 недели после его создания наблюдались исключительно мелкие элементы с диаметром < 200 мкм, однако спустя 12 недель после операции распределение размера костных элементов становилось более равномерным, а их максимальный диаметр увеличивался до 500 мкм (рисунок 6).
Рисунок 6. Распределение диаметра новообразованных костных элементов в просвете созданного дефекта, оцененное методом микрокомпьютерной томографии. А) распределение диаметра костных элементов при отсутствии заполнения дефекта (отрицательный контроль); Б) распределение диаметра костных элементов при замещении дефекта удаленными участками теменных костей (костный аутотрансплантат, положительный контроль); В) распределение диаметра костных элементов при замещении дефекта широко применяемым препаратом Geistlich BioOss®; Г) распределение диаметра костных элементов при замещении дефекта оригинальным медицинским изделием Bongraf COLLAGEN
В группе крыс с аутотрансплантатом костей свода черепа на обеих временных точках в костной ткани присутствовали элементы более широкого диапазона диаметров (до 600 мкм) с равномерным их распределением (рисунок 6). Крысы, получавшие препарат-компаратор Geistlich Bio-Oss®, характеризовались относительно однородным распределением диаметра костных элементов (до 350 мкм) в просвете созданного дефекта без выраженной временной динамики (рисунок 6). В то же время при заполнении дефекта изделием Bongraf COLLAGEN через 4 недели после операции костные элементы имели существенно меньший диаметр (до 150 нм), однако к 12-й неделе наблюдалось увеличение их предельного диаметра до 400 нм (рисунок 6). При этом пик распределения диаметров костных элементов при заполнении дефекта препаратом-компаратором Geistlich Bio-Oss® приходился на 150 нм, а при заполнении дефекта изделием Bongraf COLLAGEN на 50 нм на обеих временных точках (рисунок 6).
Обсуждение
Согласно данным общемирового эпидемиологического исследования Global Burden of Disease, ежегодно по поводу различных травм за медицинской помощью обращается около 1 млрд человек и регистрируется около 5 млн летальных исходов [3]. Как следствие, в мире ежегодно проводится около 4 млн оперативных вмешательств, требующих замещения костных дефектов [31], из которых более 1,5 млн проводится в США [32]. Поэтому клиническая потребность в коммерчески доступных и готовых к использованию (commercially available off-the-shelf ready-to-use) имплантатах для замещения костных дефектов достаточно велика [31, 32]. Проведенный анализ рынка показал, что уже на данный момент ежегодная потребность в костных имплантатах в Российской Федерации составляет от 150 до 275 тысяч имплантатов (маркетинговая группа «Текарт»). В то же время, несмотря на присутствие подобных ксеногенных костных имплантатов на отечественном рынке (к примеру, нативный костный минерал Geistlich Bio-Oss®), остается открытым вопрос соотношения их стоимости (учитывая необходимость импорта) и эффективности.
С этой целью была разработана оригинальная технология многоступенчатой очистки ксеногенной костной ткани OnlonTech™, включающая в себя последовательные стадии механической очистки, дезинфекции, удаления контаминирующих белков, делипидизации, выделения и обогащения коллагена, а также ферментации костного материала с последующей стерилизацией посредством сверхкритической флюидной экстракции. На основе указанной технологии, в свою очередь, было разработано медицинское изделие Bongraf COLLAGEN, представляющее собой ксеногенный бесклеточный костный коллаген высокой степени очистки в виде мембраны с нативной нереконструированной волокнисто-пористой структурой, получаемый из бычьих бедренных костей. Предполагается, что данное изделие может быть использовано в травматологии, ортопедии и стоматологии для замещения костных дефектов.
Проведенные нами эксперименты показали, что при замещении критического дефекта костей свода черепа крыс изделием Bongraf COLLAGEN к 12-й неделе после имплантации объем новообразованной костной ткани в просвете дефекта и доля костной ткани от просвета дефекта были не ниже, чем при замещении дефекта препаратом Geistlich Bio-Oss®, широко используемым на данный момент в клинической практике. В то же время препарат Geistlich Bio-Oss® в некоторой степени превосходит изделие Bongraf COLLAGEN в отношении минеральной плотности новообразованных тканей и толщины новообразованных костных элементов. Распределение диаметра новообразованных костных элементов при замещении дефекта изделием Bongraf COLLAGEN было сдвинуто влево (в сторону уменьшения диаметра) в сравнении с препаратом Geistlich Bio-Oss®, однако этот показатель не свидетельствует напрямую об эффективности костного заменителя (филлера). Наибольшие показатели по всем изученным параметрам регенерации костной ткани ожидаемо наблюдались при замещении дефекта костным аутотрансплантатом (удаленным участком костей свода черепа), а наименьшие при отсутствии заполнения дефекта по причине его критического диаметра (8 мм).
Полученные данные свидетельствуют о том, что изделие Bongraf COLLAGEN в отношении ключевых показателей репарации костной ткани (объем новообразованной костной ткани в просвете дефекта и доля костной ткани от просвета дефекта) не уступает препарату-компаратору Geistlich Bio-Oss®. Причиной этого может являться высокая остеокондуктивность и остеоиндуктивность, которые сохраняются даже при многоступенчатой очистке и стерилизации нативного костного минерала и костного коллагена. При этом является важным, что многоступенчатая очистка по технологии OnlonTech™ и стерилизация методом сверхкритической флюидной экстракции позволяют достичь высокой степени очистки и безопасности костного коллагена (по аналогии с многоступенчатой очисткой и Y-излучением в случае с нативным костным минералом Geistlich Bio-Oss®).
Результаты выполненного исследования согласуются с опубликованными ранее данными, продемонстрировавшими отсутствие иммуногенности и высокую биосовместимость мембраны из бычьего костного коллагена при подкожной имплантации крысам [21]. Кроме того, было показано, что добавление бычьего коллагена к нативному костному минералу улучшает как остеокондуктивные свойства и регенерацию костной ткани при замещении критического дефекта свода черепа кроликов [22], так и адгезию, пролиферацию и остеогенную дифференцировку культур преостеобластов мыши линии ST2 в сравнении с чистым нативным костным минералом [28].
Заключение
Ксеногенный бесклеточный нативный нереконструированный костный коллаген высокой степени очистки в виде мембраны Bongraf COLLAGEN, получаемый из бычьих бедренных костей по оригинальной технологии OnIonTech™ и стерилизуемый посредством сверхкритической флюидной экстракции, имеет сходную эффективность при замещении критического дефекта костей свода черепа крыс в сравнении с классически используемым ксеногенным костным гранулированным минералом Geistlich Bio-Oss® (Geistlich Pharma), также получаемым из крупного рогатого скота путем многоступенчатой очистки костной ткани и стерилизуемым Y-излучением.
Литература
1. Recent Advances in Orthopedics-2. Courney, P Maxwell. Jaypee Brothers Medical Publishers. 2018; 220 p.
2. GBD 2016 Disease and Injury Incidence and Prevalence Collaborators. Global, regional, and national incidence, prevalence, and years lived with disability for 328 diseases and injuries for 195 countries, 1990-2016: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2016. The Lancet. 2017; 390(10100): 1211-1259. https://doi.org/10.1016/S01406736(17)32154-2.
3. Haagsma JA, Graetz N, Bolliger I, Naghavi M, Higashi H, Mullany EC, Abera SF, Abraham JP, Adofo K, Alsharif U, Ameh EA, Ammar W, Antonio CA, Barrero LH, Bekele T, Bose D, Brazinova A, Catala-Lopez F, Dandona L, Dandona R, Dargan PI, De Leo D, Degenhardt L, Derrett S, Dharmaratne SD, Driscoll TR, Duan L, Petrovich Ermakov S, Farzadfar F, Feigin VL, Franklin RC, Gabbe B, Gosselin RA, Hafezi-Nejad N, Hamadeh RR, Hijar M, Hu G, Jayaraman SP, Jiang G, Khader YS, Khan EA, Krishnaswami S, Kulkarni C, Lecky FE, Leung R, Lunevicius R, Lyons RA, Majdan M, Mason-Jones AJ, Matzopoulos R, Meaney PA, Mekonnen W, Miller TR, Mock CN, Norman RE, Orozco R, Polinder S, Pourmalek F, Rahimi-Movaghar V, Refaat A, Rojas-Rueda D, Roy N, Schwebel DC, Shaheen A, Shahraz S, Skirbekk V, S0reide K, Soshnikov S, Stein DJ, Sykes BL, Tabb KM, Temesgen AM, Tenkorang EY, Theadom AM, Tran BX, Vasankari TJ, Vavilala MS, Vlassov VV, Woldeyohannes SM, Yip P, Yonemoto N, Younis MZ, Yu C, Murray CJ, Vos T. The global burden of injury: incidence, mortality, disability-adjusted life years and time trends from the Global Burden of Disease study 2013. Inj Prev. 2016; 22(1): 3-18. https://doi.org/10.1136/injuryprev-2015-041616.
4. Global Burden of Disease Child and Adolescent Health Collaboration, Kassebaum N, Kyu HH, Zoeckler L, Olsen HE, Thomas K, Pinho C, Bhutta ZA, Dandona L, Ferrari A, Ghiwot TT, Hay SI, Kinfu Y, Liang X, Lopez A, Malta DC, Mokdad AH, Naghavi M, Patton GC, Salomon J, Sartorius B, Topor-Madry R, Vollset SE, Werdecker A, Whiteford HA,
5. Abate KH, Abbas K, Damtew SA, Ahmed MB, Akseer N, Al-Raddadi R, Alemayohu MA, Altirkawi K, Abajobir AA, Amare AT, Antonio CAT, Arnlov J, Artaman A, Asayesh H, Avokpaho EFGA, Awasthi A, Ayala Quintanilla BP, Bacha U, Betsu BD, Barac A, Bдrnighausen TW, Baye E, Bedi N, Bensenor IM, Berhane A, Bernabe E, Bernal OA, Beyene AS, Biadgilign S, Bikbov B, Boyce CA, Brazinova A, Hailu GB, Carter A, Castaneda-Orjuela CA, Catala-Lopez F, Charlson
6. FJ, Chitheer AA, Choi JJ, Ciobanu LG, Crump J, Dandona R, Dellavalle RP, Deribew A, deVeber G, Dicker D, Ding EL, Dubey M, Endries AY, Erskine HE, Faraon EJA, Faro A, Farzadfar F, Fernandes JC, Fijabi DO, Fitzmaurice C, Fleming TD, Flor LS, Foreman KJ, Franklin RC, Fraser MS, Frostad JJ, Fullman N, Gebregergs GB, Gebru AA, Geleijnse JM, Gibney KB, Gidey Yihdego M, Ginawi IAM, Gishu MD, Gizachew TA, Glaser E, Gold AL, Goldberg E, Gona P, Goto A, Gugnani HC, Jiang G, Gupta R, Tesfay FH, Hankey GJ, Havmoeller R, Hijar M, Horino M, Hosgood HD, Hu G, Jacobsen KH, Jakovljevic MB, Jayaraman SP, Jha V, Jibat T, Johnson CO, Jonas J, Kasaeian A, Kawakami N, Keiyoro PN, Khalil I, Khang YH, Khubchandani J, Ahmad Kiadaliri AA, Kieling C, Kim D, Kissoon N, Knibbs LD, Koyanagi A, Krohn KJ, Kuate Defo B, Kucuk Bicer B, Kulikoff R, Kumar
7. GA, Lal DK, Lam HY, Larson HJ, Larsson A, Laryea DO, Leung J, Lim SS, Lo LT, Lo WD, Looker KJ, Lotufo PA, Magdy Abd El Razek H, Malekzadeh R, Markos Shifti D, Mazidi M, Meaney PA, Meles KG, Memiah P, Mendoza W, Abera Mengistie M, Mengistu GW, Mensah GA, Miller TR, Mock C, Mohammadi A, Mohammed S, Monasta L, Mueller
8. U, Nagata C, Naheed A, Nguyen G, Nguyen QL, Nsoesie E, Oh IH, Okoro A, Olusanya JO, Olusanya BO, Ortiz A, Paudel D, Pereira DM, Perico N, Petzold M, Phillips MR, Polanczyk GV, Pourmalek F, Qorbani M, Rafay A, Rahimi-Movaghar
9. Rahman M, Rai RK, Ram U, Rankin Z, Remuzzi G, Renzaho AMN, Roba HS, Rojas-Rueda D, Ronfani L, Sagar R, Sanabria JR, Kedir Mohammed MS, Santos IS, Satpathy M,
10. Sawhney M, Schцttker B, Schwebel DC, Scott JG, Sepanlou SG, Shaheen A, Shaikh MA, She J, Shiri R, Shiue I, Sigfusdottir ID, Singh J, Silpakit N, Smith A, Sreeramareddy C, Stanaway JD, Stein DJ, Steiner C, Sufiyan MB, Swaminathan S, Tabares-Seisdedos R, Tabb KM, Tadese F, Tavakkoli M, Taye B, Teeple S, Tegegne TK, Temam Shifa G, Terkawi AS, Thomas B, Thomson AJ, Tobe-Gai R, Tonelli M, Tran BX, Troeger C, Ukwaja KN, Uthman O, Vasankari T, Venketasubramanian N, Vlassov VV, Weiderpass E, Weintraub R, Gebrehiwot SW, Westerman R, Williams HC, Wolfe CDA, Woodbrook R, Yano Y, Yonemoto N, Yoon SJ, Younis MZ, Yu C, Zaki MES, Zegeye EA, Zuhlke LJ, Murray CJL, Vos T. Child and Adolescent Health From 1990 to 2015: Findings From the Global Burden of Diseases, Injuries, and Risk Factors 2015 Study. JAMA Pediatr. 2017; 171(6): 573-592. https:// doi.org/10.1001/jamapediatrics.2017.0250.
11. Mokdad AH, Forouzanfar MH, Daoud F, Mokdad AA, El Bcheraoui C, Moradi-Lakeh M, Kyu HH, Barber RM, Wagner J, Cercy K, Kravitz H, Coggeshall M, Chew A, O'Rourke KF, Steiner C, Tuffaha M, Charara R, Al-Ghamdi EA, Adi Y, Afifi RA, Alahmadi H, AlBuhairan F, Allen N, AlMazroa M, Al-Nehmi AA, AlRayess Z, Arora M, Azzopardi P, Barroso C, Basulaiman M, Bhutta ZA, Bonell C, Breinbauer C, Degenhardt L, Denno D, Fang J, Fatusi A, Feigl
12. AB, Kakuma R, Karam N, Kennedy E, Khoja TA, Maalouf F, Obermeyer CM, Mattoo A, McGovern T, Memish ZA, Mensah GA, Patel V, Petroni S, Reavley N, Zertuche DR, Saeedi
13. M, Santelli J, Sawyer SM, Ssewamala F, Taiwo K, Tantawy M, Viner RM, Waldfogel J, Zuniga MP, Naghavi M, Wang H, Vos T, Lopez AD, Al Rabeeah AA, Patton GC, Murray CJ. Global burden of diseases, injuries, and risk factors for young people's health during 1990-2013: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2013. The Lancet. 2016; 387(10036): 2383-401. https://doi.org/10.1016/S01406736(16)00648-6.
14. Hasan A, Byambaa B, Morshed M, Cheikh MI, Shakoor RA, Mustafy T, Marei H. Advances in osteobiologic materials for bone substitutes. J Tissue Eng Regen Med. 2018; 12(6): 14481468. doi: 10.1002/term.2677.
15. Pearlin, Nayak S, Manivasagam G, Sen D. Progress of Regenerative Therapy in Orthopedics. Curr Osteoporos Rep. 2018; 16(2): 169-181. https://doi.org/10.1007/s11914-0180428-x.
16. Smith WR, Hudson PW, Ponce BA, Rajaram Manoharan SR. Nanotechnology in orthopedics: a clinically oriented review. BMC Musculoskelet Disord. 2018; 19(1): 67. https://doi. org/10.1186/s12891-018-1990-1.
17. Azi ML, Aprato A, Santi I, Kfuri M Jr, Masse A, Joeris A. Autologous bone graft in the treatment of posttraumatic bone defects: a systematic review and meta-analysis. BMC Musculoskelet Disord. 2016; 17(1): 465. https://doi. org/10.1186/s12891-016-1312-4.
18. Fillingham Y, Jacobs J. Bone grafts and their substitutes. Bone Joint J. 2016; 98-B (1 Suppl A): 6-9. doi: 10.1302/0301-620X.98B.36350.
19. Bhatt RA, Rozental TD. Bone graft substitutes. Hand Clin. 2012; 28(4): 457-68. https://doi.org/10.1016/j.hcl.2012.08.001.
20. Mansour A, Mezour MA, Badran Z, Tamimi F. Extracellular Matrices for Bone Regeneration: A Literature Review. Tissue Eng Part A. 2017; 23(23-24): 1436-1451. https://doi. org/10.1089/ten.TEA.2017.0026.
21. Wang F, Li Q, Wang Z. A comparative study of the effect of Bio-Oss® in combination with concentrated growth factors or bone marrow-derived mesenchymal stem cells in canine sinus grafting. J Oral Pathol Med. 2017; 46(7): 528536. https://doi.org/10.1111/jop.12507.
22. Khojasteh A, Fahimipour F, Jafarian M, Sharifi D, Jahangir S, Khayyatan F, Baghaban Eslaminejad M. Bone engineering in dog mandible: Coculturing mesenchymal stem cells with en dothelialprogenitor cells in a composite scaffold containing vascular endothelial growth factor. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2017; 105(7): 1767-1777. https://doi.org/10.1002/ jbm.b.33707.
23. Nakano K, Murata K, Omokawa S, Akahane M, Shimizu T, Kawamura K, Kawate K, Tanaka Y. Promotion of Osteogenesis and Angiogenesis in Vascularized TissueEngineered Bone Using Osteogenic Matrix Cell Sheets. Plast Reconstr Surg. 2016; 137(5): 1476-84. https://doi.org/10.1097/ PRS.0000000000002079.
24. Oliveira HL, Da Rosa WLO, Cuevas-Suarez CE, Carreno NLV, da Silva AF, Guim TN, Dellagostin OA, Piva E. Histological Evaluation of Bone Repair with Hydroxyapatite: A Systematic Review. Calcif Tissue Int. 2017; 101(4): 341354. https://doi.org/10.1007/s00223-017-0294-z.
25. Boskey AL. Bone composition: relationship to bone fragility and antiosteoporotic drug effects. Bonekey Rep. 2013; 2: 447. https://doi.org/10.1038/bonekey.2013.181.
26. Clarke B. Normal bone anatomy and physiology. Clin J Am Soc Nephrol. 2008; 3 Suppl 3: S131-9. https://doi.org/10.2215/ CJN.04151206.
27. Castro-Cesena AB, Novitskaya EE, Phadke A, Varghese S, McKittrick J. Isolation of Collagen from Cortical Bovine Bone for Preparation of Porous Collagen Sponges. In: Prorok B. et al. Mechanics of Biological Systems and Materials, 2013. Vol. 5. pp. 73-78. Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series. Springer, New York. https:// doi.org/10.1007/978-1-4614-4427-5_11.
28. Labastida-Pцlito A, Pina-Barba C, Romero-Valdovinos MG, Tello-Sohs SR. Physicochemical properties of collagen shee t from bovine femur. J Appl Biomater Biomech. 2009; 7(3): 200-4.
29. Kamadjaja DB, Harijadi A, Soesilawati P, Wahyuni E, Maulidah N, Fauzi A, Rah Ayu F, Simanjuntak R, Soesanto R, Asmara D, Rizqiawan A, Agus P, Pramono C. Demineralized FreezeDried Bovine Cortical Bone: Its Potential for Guided Bone Regeneration Membrane. Int J Dent. 2017; 2017: 5149675. https://doi.org/10.1155/2017/5149675.
30. Salamanca E, Hsu CC, Huang HM, Teng NC, Lin CT, Pan YH, Chang WJ. Bone regeneration using a porcine bone substitute collagen composite in vitro and in vivo. Sci Rep. 2018; 8(1): 984. https://doi.org/10.1038/s41598-018-19629-y.
31. Calvo-Guirado JL, Gцmez-Moreno G, Guardia J, Ortiz-Ruiz A, Piatelli A, Barone A, Martmez-Gonzalez JM, MeseguerOlmo L, Lцpez-Mari L, Dorado CB. Biological response to porcine xenograft implants: an experimental study in rabbits. Implant Dent. 2012; 21(2): 112-7. https://doi.org/10.1097/ ID.0b013e3182425991.
32. Peng YY, Glattauer V, Ramshaw JA, Werkmeister JA. Evaluation of the immunogenicity and cell compatibility of avian collagen for biomedical applications. J Biomed Mater Res A. 2010; 93(4): 1235-44. https://doi.org/10.1002/jbm.a.32616.
33. Oryan A, Alidadi S, Moshiri A, Maffulli N. Bone regenerative medicine: classic options, novel strategies, and future directions. J Orthop Surg Res. 2014; 9(1): 18. https://doi. org/10.1186/1749-799X-9-18.