Российский ученый Арнольд Попков, главный научный сотрудник научного центра «Восстановительная травматология и ортопедия» им. Академика Г.А. Илизарова, опубликовал в немецком издательстве Palmarium Academic Publishing монографию, посвященную новым имплантатам с биоактивным покрытием, ускоряющим заживление переломов. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).
Клетки и дороги, которые они выбирают
Кость срастается благодаря делению живых и активных стволовых клеток, «не определивших свою судьбу» окончательно еще со времен зародышевого развития. Как клетка кости проходит путь до этого состояния? Ее развитие похоже на то, как мы выбираем профессию: сначала гуманитарный или математический класс, потом факультет, потом отделение или кафедра, получение специальности и так далее.
Первоначально, на протяжении нескольких первых циклов деления после оплодотворения, ни одна клетка нашего будущего тела «не знает», какой путь ей предстоит совершить, и ей «открыты все дороги».
По мере того как зародыш развивается, из простых и одинаковых клеток формируется более сложная структура — три зародышевых листка, энтодерма, эктодерма и мезодерма, которые в будущем дадут начало системам органов. Из мезодермы формируется мезенхима. Клетки мезенхимы уже отличаются от остальных, но очень похожи между собой, и пока не известно, кто из них выберет «профессию» кровяных телец, кто станет клеткой мышцы, а кто — кости. Из мезенхимы выделяется группа клеток, которые еще не хотят принимать решение, ограничивая свой будущий выбор. Дальше организм проходит еще много ступеней развития, на каждой из которых клетки определяются все больше и больше, пока не выберут свою «профессию» окончательно.
Стволовые же клетки, как в том числе и эта группа «нерешительных» клеток мезенхимы, остаются в застывшем состоянии «вечного детства», чтобы в случае гибели в организме дифференцированных клеток наконец сделать свой выбор и занять их место.
Сначала такие клетки называются остеогенными (буквально — производящими кость). Они могут вырабатывать ростовые факторы, стимулируя образование костного мозга. Потом они дифференцируются снова, становясь остеобластами, клетками на внутренней поверхности надкостницы. Угловатые и активно делящиеся остеобласты вырабатывают коллагеновые белки и компоненты рыхлого межклеточного вещества. Затем остеобласты утрачивают способность к делению, «выходят на пенсию», затвердевают и становятся остеоцитами. В заживлении перелома главную роль играют именно эти мезенхимальные остеогенные клетки.
«Перелом, потерял сознание, очнулся — гипс»
В России более 13 млн человек в год получают травмы, последствия которых — самая частая причина инвалидности у граждан трудоспособного возраста. Дополнительный фактор риска — врожденные заболевания костно-мышечной системы. В России на каждые 10 тыс. новорожденных приходится 219 человек с такими нарушениями.
Для лечения переломов и посттравматических осложнений используются специальные имплантаты — вставки из металлов, помогающие соединять сломанные кости, закреплять и поддерживать их в таком состоянии, пока они не срастутся. Сам материал имплантатов может влиять на заживление (консолидацию) по-разному, но ни один из металлов, известных современным медикам, ускорять его не может.
Поэтому за последние 100 лет при всем развитии медицины сроки срастания переломов не изменились.
Курганские ученые предложили совместить металлическую основу имплантата с покрытием из гидроксиапатита — вещества на основе кальция и фосфора, присутствующего в кости в виде наноразмерных кристаллов. Гидроксиапатит способствует остеогенезу и побуждает к действию остеогенные клетки, но сам по себе он слишком хрупкий материал для имплантации (гибкость костям придают органические компоненты, которые с возрастом замещаются соединениями кальция все больше, что и делает кости более хрупкими в старости).
Поэтому было решено объединить биотолерантный (то есть не вредящий остеносинтезу, но и не улучшающий его) титановый сплав и шероховатое биоактивное (побуждающее кость восстанавливаться) наногидроксиапатитное покрытие.
Разработанная технология математического 3D-моделирования позволяет формировать имплантат индивидуально для каждого больного, учитывая общую плотность кости, количество каналов, пор и сосудов, и вживлять его во внутреннюю полость кости (интрамедуллярно). «Мимикрировать» под индивидуальные шероховатости кости позволяет контролируемое расположение нанокристаллов гидроксиапатита. Материалы изготавливаются после томографии с помощью технологии селективного лазерного спекания, а затем на них наносят слой гидроксиапатита.
«Использование методов стимуляции, основанных на интрамедуллярном внедрении имплантатов с керамическим наногидроксиапатитовым покрытием, позволяет гарантировать положительный результат лечения и реальное сокращение сроков остеосинтеза при переломах костей в 2–4 раза, — сообщает автор монографии, доктор медицинских наук Арнольд Попков.
— Простота, доступность и экономическая целесообразность использования на самых ранних этапах медицинской эвакуации (районная больница) особенно важны в период перехода Российской Федерации на систему обязательного медицинского страхования. Новые технологии легко вписываются в объем базовой травматологической помощи и помощи, осуществляемой по срочным показаниям и в плановом порядке при восстановительном лечении последствий и осложнений травмы, финансируемой из фондов ОМС».
Автор добавляет, что его работа может стать вкладом в импортозамещение и позволяет производить в России имплантаты, не просто сопоставимые с западными аналогами, но и даже превосходящие их по характеристикам скорости заживления.