УДК 616.714.2-001.5

 Р.Т. НИГМАТУЛЛИН, Б.Р. МОТЫГУЛЛИН

Всероссийский центр глазной и пластической хирургии МЗ РФ, г. Уфа

 Контактная информация:

Нигматуллин Рафик Талгатович – доктор медицинских наук, заместитель генерального директора по научной работе

Адрес: 450075, г. Уфа, ул. Р. Зорге, д. 67/1,  тел.: (347) 224-68-03, e—mail: nigmatullinr@mail.ru

 Публикация отражает предварительные результаты экспериментального исследования механизмов регенерации теменных костей после пересадки хрящевого и эластинового биоматериалов. Исследование проведено на крысах породы Вистар (n=12): в первой опытной группе критический дефект теменных костей (5x5 мм) выполнялся эластиновым биоматериалом (патент № 2440148), во второй опытной группе – хрящевым биоматериалом, в контрольной группе дефект оставлялся интактным. Забор материала для последующего микроскопического исследования производился на 30-е сутки. Установлено, что в обеих опытных группах экспериментальный дефект спустя месяц практически полностью представлен подсаженными биоматериалами. Оба вида биоматериалов индуцируют ангиогенез, пролиферацию волокнистой соединительной ткани, а также стимулируют образование остеогенных фокусов в зоне контакта с костным ложем, оптимизируя процессы регенерации костей свода черепа.

Ключевые слова: дефект теменных костей, эластиновый биоматериал, хрящевой биоматериал, остеогенез.

 

R.T. NIGMATULLIN, B.R. MOTYGULLIN

Russian Eye and Plastic Surgery Center, Ufa, the Republic of Bashkortostan, Russian Federation

Some morphological features of regeneration of the cranial vault bones when using osteoplastic biomaterials (preliminary data)

 Contact details:

Nigmatullin R.T. – D. Sc. (medicine), Deputy General Director for Science

Address: 67/1 Richard Sorge St., Ufa, the Republic of Bashkortostan, Russian Federation 450075, tel. +7 (347) 224-68-03, e-mail: nigmatullinr@mail.ru

The publication reflects the preliminary results of an experimental study of the mechanisms of regeneration of the parietal bones after transplantation of cartilage and elastin biomaterials. The study was conducted on Wistar rats (n = 12): in the first experimental group the critical defect of the parietal bones (5×5 mm) was performed by elastin biomaterial (patent No. 2440148), in the second experimental group — by cartilage biomaterial, in the control group the defect stayed intact. The material was taken for subsequent microscopic examination on the 30th day. It was established that in both experimental groups the experimental defect is almost completely represented by the attached biomaterials after a month. Both types of biomaterials induce angiogenesis, proliferation of fibrous connective tissue, and also stimulate the formation of osteogenic foci in the zone of contact with the bone bed, optimizing the processes of regeneration of the cranial vault bones.

Key words: defect of parietal bones, elastic biomaterial, cartilagineus biomaterial, osteogenesis.

 

По данным ряда авторов, кости свода черепа обладают весьма низкими регенераторными возможностями в естественных условиях. Множество экспериментальных исследований, а также клинических наблюдений указывают на то, что обширные дефекты костей свода черепа не способны к самостоятельному заживлению с образованием полноценного костного регенерата [1, 2].

В литературе описано множество способов восполнения костных дефектов свода черепа с использованием материалов биологического и небиологического происхождения. Широкое клиническое использование получили эксплантаты из титана, полиметилметакрилата (ПММА), полиэтерэтеркетона (PEEK), реперена. Благодаря возможности дооперационного моделирования с использованием CAD/CAM технологий, использование имплантатов из указанным материалов перспективно для замещения обширных дефектов сложной формы [3, 4, 5].

Имеются данные об успешном применении при выполнении краниопластики метода чрескостного компрессионно-дистракционного остеосинтеза по Г.А. Илизарову. Доказано, что формирование дистракционного костного регенерата происходит по закономерностям, выявленным при замещении дефектов длинных трубчатых костей [1, 6].

Материалом выбора для восполнения костных дефектов свода черепа по-прежнему остается аутокость [7, 8]. Высокие остеоиндуктивные свойства вкупе с отсутствием иммуногенности делают аутотрансплантацию идеальной с биологической позиции. Однако дополнительная травматизация пациентов, увеличивающая сроки послеопреационной реабилитации, вместе с дефицитом объема забираемых тканей ограничивает их использование.

Эффективным методом оптимизации репаративных процессов является использование аллотрансплантатов [9, 10, 11]. В восстановительной краниофациальной хирургии активно используются деминерализованные костные и хрящевые аллотрансплантаты, изготавливаемые в Тканевом банке Всероссийского центра глазной и пластической хирургии (зав. – д.б.н. О.Р. Шангина) [12].

Исследования последних лет показали также возможность использования в реконструктивной хирургии биоматериалов на основе эластина [13]. Доказано наличие остеоиндуктивных свойств эластинового биоматериала как при локальных дефектах, так и при обширных ранах костных стенок глазницы [14, 15]. Однако в литературе отсутствуют данные о морфологических особенностях использования эластинового биоматериала при восполнении критических дефектов костей свода черепа, в сравнении с биоматериалом из гиалинового хряща.

Цель исследования – изучить возможность оптимизации репаративной регенерации костных дефектов свода черепа при использовании биоматериалов из эластина и реберного хряща.

Материал  и методы

На базе Отдела морфологии (зав. – проф. С.А. Муслимов) нами разработана экспериментальная модель на 12 крысах породы Wistar. На теменных костях в области сагиттального шва твердосплавным бором (d=2 мм) формировался критический дефект с удалением подлежащей твердой мозговой оболочки. Следует отметить, что критическими являются дефекты, неспособные к самостоятельному замещению с образованием органотипичного регенерата. Диаметр критического дефекта костей свода черепа лабораторных крыс составляет 5 мм [16].

В первой опытной группе костный дефект выполнялся структурированной формой эластинового биоматериала, во второй опытной группе – трансплантатом из хрящевой ткани. В обеих опытных группах зона трансплантации сверху укрывалась мембранным трансплантатом, фиксированным узловыми швами к височной мышце. В контрольной группе костный дефект оставлялся интактным. Спустя 30 суток животные выводились из опыта путем передозировки наркозного эфира, производился забор материала. Изготавливались гистологические срезы, которые окрашивались гематоксилином и эозином по методу Маллори, по Ван-Гизону.

Результаты

На 30-е сутки в первой опытной группе наблюдается следующая микроскопическая картина. Экспериментальный дефект практически полностью представлен эластиновым биоматериалом. Наблюдается активная инвазия клеток моноцитарно-макрофагального и фибробластического дифферонов со стороны костного ложа в эластиновый биоматериал. В свободные пространства между пучками волокон эластинового биоматериала, на всем его протяжении, вдается соединительно-тканный тяж шириной от 25 до 90 мкм. По всей видимости, указанный тяж участвует в резорбции пересаженного трансплантата, а также в кровоснабжении формирующегося регенерата. Диаметр новообразованных капилляров в соединительно-тканном тяже составлял от 10 до 20 мкм, что свидетельствует о дифференцировке звеньев микрососудистого русла. Щели, находящиеся между пучками волокон эластина – пути наиболее ранней инвазии пролиферирующей плотной волокнистой соединительной ткани. Поздние пути пролиферации соединительной ткани будут представлены участками трансплантата после макрофагальной резорбции [17]. Кроме внутриэластиновой инвазии обнаружена также пролиферация плотной волокнистой соединительной ткани по фронтальному типу, в зоне контакта трансплантата с костным ложем. В этой же зоне наблюдаются новообразованные остеогенные фокусы, размером 300×100 мкм (рис. 1). Область подсадки трансплантата активно кровоснабжалась, что указывает на ангиогенные свойства эластинового биоматериала. Поляризационные исследования показали высокую оптическую плотность в краевой зоне костного дефекта, что косвенно свидетельствует об активации оппозиционного остеогенеза.

Рисунок 1.

Пластика свода черепа с использованием эластинового биоматериала (первая опытная группа). 30-е сутки эксперимента. Краевой остеогенез в зоне контакта биоматериала с костным ложем. 1 – эластиновый биоматериал; 2 – край костного дефекта; 3 – очаг остеогенеза. Окраска по методу Маллори

Fig. 1.

Plastics of the cranial vault using an elastin biomaterial (the first experimental group). The 30th day of the experiment. Regional osteogenesis in the zone of contact of the biomaterial with the bone bed. 1 — elastin biomaterial; 2 — edge of the bone defect; 3 — center of osteogenesis. Coloring by the method of Mallory

Во второй опытной группе на 30-е сутки экспериментальный дефект также представлен пересаженным трансплантатом, на этот раз – из хрящевой ткани. По периферии трансплантат окружен организованной прослойкой продольно-ориентированных соединительно-тканных волокон шириной 50–90 мкм. В центральной части наблюдается участок пролабирования трансплантата плотной волокнистой соединительной тканью. В данном участке происходит инвазия клеток моноцитарно-макрофагального и фибробластического дифферонов, что ведет к постепенной резорбции трансплантата. Встречаются единичные новообразованные костные балки размером 55х180 мкм. Васкуляризация регенерата осуществляется за счет новообразованных сосудов диаметром до 10 мкм, которые находятся в соединительно-тканной прослойке на периферии регенерата. В зоне контакта хрящевого трансплантата с костным ложем наблюдаются процессы новообразования сосудов и волокнистой соединительной ткани (рис. 2). Поляризационные исследования показали изменение оптических свойств костного края дефекта.

Рисунок 2.

Пластика свода черепа с использованием биоматериала из гиалинового хряща (вторая опытная группа). 30-е сутки эксперимента. Пролиферация плотной волокнистой соединительной ткани в зоне контакта биоматериала с костным ложем. 1 – хрящевой биоматериал; 2 – край костного дефекта; 3 – плотная волокнистая соединительная ткань. Окраска по методу Маллори. Поляризационная микроскопия при полностью скрещенных фильтрах

Fig. 2.

Plastics of the cranial vault using a hyaline cartilage biomaterial (the second experimental group). The 30th day of the experiment. Proliferation of dense fibrous connective tissue in the zone of contact of the biomaterial with the bone bed. 1 — cartilage biomaterial; 2 — edge of the bone defect; 3 — dense fibrous connective tissue. Coloring by the method of Mallory. Polarization microscopy with fully crossed filters

В контрольной группе спустя 30 суток зона дефекта на всем протяжении представлена рыхлой волокнистой соединительной тканью шириной 200 мкм. Признаки остеогенеза отсутствуют.

По данным литературы, область экспериментального костного дефекта можно разделить на три части: периостальную часть, которая находится на внешней стороне костного дефекта; периферическую часть в контактной зоне с костным ложем; центральную часть. Для каждой из указанных частей характерна своя гистологическая картина [18]. В ранние сроки после трансплантации биоматериалов (30-е сутки) обнаруживается фронтальный остеогенез, который характеризуется появлением новообразованной костной ткани в зоне контакта биоматериала с костным ложем. Характер новообразованного костного вещества преимущественно ретикулофиброзный. В периостальной зоне чаще всего наблюдается пролиферация волокнистой соединительной ткани с новообразованными сосудами, которая постепенно замещает пересаженный трансплантат. Нередко в указанной зоне встречаются остеогенные фокусы, образованные по десмальному типу. Центральная зона дефекта, как правило, представлена остатками биоматериала, окруженного волокнами соединительной ткани, вплоть до 90-х суток эксперимента [11, 18, 19].

В целом интеграция с окружающим костным ложем и формирование регенерата происходят активнее при использовании эластинового биоматериала. На наш взгляд, это обусловлено различиями в структурной организации биоматериалов: наличие микропространств между волокнами эластина способствует врастанию и пролиферации соединительной ткани в биоматериал, которая в дальнейшем участвует как в резорбции трансплантата, так и в васкуляризации формирующегося регенерата [20].

Выводы

Проведенные экспериментальные исследования показывают, что оба вида пересаженных биоматериалов оптимизируют процессы репаративной регенерации костей свода черепа. В ранние сроки после трансплантации (30-е сутки) биоматериалы активируют новообразование сосудов, пролиферацию плотной соединительной ткани, а также индуцируют остеогенез в краевой зоне дефекта. Полученные нами данные открывают возможности применения в клинической практике биоматериалов из эластина и гиалинового хряща при выполнении костнопластических операций на своде черепа.

Нигматуллин Р.Т. –  http:/orcid.org/0000-0002-5715-6642

Мотыгуллин Б.Р. – http:/orcid.org/0000-0002-6445-0698

 ЛИТЕРАТУРА

1. Шевцов В.И. Регенерация костей черепа при чрескостном остеосинтезе / В.И. Шевцов, А.Н. Дьячков, A.M. Чиркова, Ю.М. Ирьянов. – М.: «Медицина», 2005. – 167 с.
2. Омельяненко Н.П. Структурная динамика волокнистой основы теменных костей крысы в онтогенезе / Н.П. Омельяненко, Е.С. Мишина, М.П. Полетаева, А.В. Волков, А.В. Ковалев // Материалы Всероссийской научной конференции «Современные проблемы гистологии и патологии скелетных тканей» / ФГБОУ ВО РязГМУ Минздрава России. – Рязань, 2018. – С. 25–26.
3. Еолчиян С.А. Пластика сложных дефектов черепа имплантатами из титана и полиэтерэтеркетона (РЕЕК), изготовленными по CAD/CAM технологиям // Вопросы нейрохирургии имени Н.Н. Бурденко. – 2014. – T. 78, № 4. – С. 3–13.
4. Harris D.A. History of synthetic materials in alloplastic cranioplasty / Dominic A. Harris, Abigail J. Fong, E.P. Buchanan, L. Monson, D. Khechoyan, S. Lam // Neurosurgical Focus. – 2014. – Vol. 36: Issue 4. – P. 1–5.
5. Lee S.-Ch. Cranioplasty using polymethyl methacrylate prostheses / S.-Ch. Lee, Ch.-Ts. Wua, Sh.-Ts. Lee, P.-J. Chen // Journal of Clinical Neuroscience. – 2009. – Vol. 16. – P. 56–63.
6. Дьячков А.Н Применение метода Г.А. Илизарова в краниохирургии / А.Н. Дьячков, С.В. Мухтяев, О.Г. Прудникова, Е.А. Михайлова // Гений Ортопедии. – 2011. – № 2. – С. 49–53.
7. Greene A.K. Pediatric cranioplasty using particulate calvarial bone graft / A.K. Greene, J.B. Mulliken, M.R. Proctor, G.F. Rogers // Plastic and Reconstructive Surgery. – 2008. – Vol. 122, № 2. – P. 563–571.
8. Ясонов С.А. Устранение обширных дефектов черепа у детей с помощью черепных аутотрансплантатов / С.А. Ясонов, А.В. Лопатин, И.Г. Васильев // Анналы пластической, реконструктивной и эстетической хирургии. – 2011. – № 2. – С. 19–30.
9. Лекишвили М.В. Костнопластические остеоиндуктивные материалы в травматологии и ортопедии / М.В. Лекишвили, Е.Д. Склянчук, В.С. Акатов, А.А. Очкуренко, В.В. Гурьев и др. // Журнал клинической и экспериментальной ортопедии имени Г.А. Илизарова. – 2015. – № 4. – С. 61–67.
10. Ахмедов Ш.М. Экспериментально-морфологическое исследование костнопластических материалов, предназначенных для хирургического лечения ЛОР-патологии / Ш.М. Ахмедов, Л.А. Мусина, Е.З. Кочарян, А.Ю. Рябов, М.В. Лекишвили // Гены & Клетки. – 2015. – Т. X, № 1. – С. 41–47.
11. Lim S.C., Lee M.J., Yeo H.H. Effects of various implant materials on regeneration of calvarial defects in rats // Pathology International. – 2000. – Vol. 50, № 8. – P. 594–602.
12. Щербаков Д.А. Принципы восстановления стенок околоносовых пазух аллотрансплантатами // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2015. – № 1 (176). – С. 150–155.
13. Ксеногенный биоматериал для регенеративной хирургии: патент № 2440148 / Э.Р. Мулдашев, Р.Т. Нигматуллин, В.У. Галимова и др., приоритет 21.12.2009, опублик. 20.01.2012, бюл. № 2.
14. Нигматуллин Р.Т., Кутушев Р.З. Применение эластинового биоматериала в восстановительной хирургии стенок глазницы // Практическая медицина. – 2016. – № 6 (98). – С. 119–121.
15. Нигматуллин Р.Т., Кутушев Р.З., Мотыгуллин Б.Р. Эластиновый биоматериал как индуктор остеогенеза // Практическая медицина. – 2017. – № 9 (110). – С. 149–151.
16. Vajgel A. A systematic review on the critical size defect model / A. Vajgel, N. Mardas, B.C. Farias, A. Petrie, R. Cimões, N. Donos // Clinical Oral Implants Research. – 2014. – Vol. 25 (8). – P. 879–893.
17. Нигматуллин Р.Т., Гизатуллина Э.Р., Мотыгуллин Б.Р. Роль моноцитарно-макрофагальной системы в динамике заместительной регенерации при трансплантации эластинового биоматериала // Российский иммунологический журнал. – 2017. – Т. 11 (20), № 2. – С. 179–182.
18. Ghiacci G. «Over-inlay» block graft and differential morphometry: a novel block graft model to study bone regeneration and host-to-graft interfaces in rats / G. Ghiacci, G. Graiani, Fr. Ravanetti, S. Lumetti, E. Manfredi et al. // Journal of Periodontal and Implant Science. – 2016. – Vol. 46 (4). – P. 220–233.
19. Бычков А.И. Изучение остеоиндуктивной активности рекомбинантного морфогенетического белка кости (rhBMP-2) в составе остеопластического материала на основе деминерализованного матрикса в эксперименте / А.И. Бычков, М.Э. Долинер, А.И. Ситдикова, А.В. Волков, О.А. Рачинская // Стоматология для всех. – 2013. – № 3. – С. 16–20.
20. Anabami N. Elastomeric recombinant proteinbased biomaterials / N. Anabami, S.M. Mithieux, G. Camci-Unal, M.R. Dokmeci, A.S. Weiss, A. Khademhosseini // Biochemical Engineering Journal. – 2013. – Vol. 77. – P. 110–118.

REFERENCES

1. Shevtsov V.I., D’yachkov A.N., Chirkova A.M., Ir’yanov Yu.M. Regeneratsiya kostey cherepa pri chreskostnom osteosinteze [Regeneration of the bones of the skull during transosseous osteosynthesis]. Moscow: “Meditsina”, 2005. 167 p.
2. Omel’yanenko N.P., Mishina E.S., Poletaeva M.P., Volkov A.V., Kovalev A.V. Strukturnaya dinamika voloknistoy osnovy temennykh kostey krysy v ontogeneze [Structural dynamics of the fibrous base of rat parietal bones in ontogenesis]. Materialy Vserossiyskoy nauchnoy konferentsii “Sovremennye problemy gistologii i patologii skeletnykh tkaney”. Ryazan, 2018. Pp. 25–26.
3. Eolchiyan S.A. Plastics of complex defects of the skull with implants made of titanium and polyetheretherketon (PEEK) manufactured using CAD. Voprosy neyrokhirurgii imeni N.N. Burdenko, 2014, vol. 78, no. 4, pp. 3–13 (in Russ.).
4. Harris D.A., Abigail J. Fong, Buchanan E.P., Monson L., Khechoyan D., Lam S. History of synthetic materials in alloplastic cranioplasty. Neurosurgical Focus, 2014, vol. 36: issue 4, pp. 1–5.
5. Lee S.-Ch., Wua Ch.-Ts., Lee Sh.-Ts., Chen P.-J. Cranioplasty using polymethyl methacrylate prostheses. Journal of Clinical Neuroscience, 2009, vol. 16, pp. 56–63.
6. D’yachkov A.N., Mukhtyaev S.V., Prudnikova O.G., Mikhaylova E.A. Application of the method G.A. Ilizarov in craniology. Geniy Ortopedii, 2011, no. 2, pp. 49–53 (in Russ.).
7. Greene A.K., Mulliken J.B., Proctor M.R., Rogers G.F. Pediatric cranioplasty using particulate calvarial bone graft. Plastic and Reconstructive Surgery, 2008, vol. 122, no. 2, pp. 563–571.
8. Yasonov S.A., Lopatin A.V., Vasil’ev I.G. Elimination of extensive defects of the skull in children with the help of cranial autografts. Annaly plasticheskoy, rekonstruktivnoy i esteticheskoy khirurgii, 2011, no. 2, pp. 19–30 (in Russ.).
9. Lekishvili M.V., Sklyanchuk E.D., Akatov V.S., Ochkurenko A.A., Gur’ev V.V. et al. Osteoplastic osteoinductive materials in traumatology and orthopedics. Zhurnal klinicheskoy i eksperimental’noy ortopedii imeni G.A. Ilizarova, 2015, no. 4, pp. 61–67 (in Russ.).
10. Akhmedov Sh.M., Musina L.A., Kocharyan E.Z., Ryabov A.Yu., Lekishvili M.V. Experimental morphological study of osteoplastic materials for the surgical treatment of ENT pathology. Geny & Kletki, 2015, vol. X, no. 1, pp. 41–47 (in Russ.).
11. Lim S.C., Lee M.J., Yeo H.H. Effects of various implant materials on regeneration of calvarial defects in rats. Pathology International, 2000, vol. 50, no. 8, pp. 594–602.
12. Shcherbakov D.A. Principles of restoration of the walls of the paranasal sinuses by allografts. Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta, 2015, no. 1 (176), pp. 150–155 (in Russ.).
13. Muldashev E.R., Nigmatullin R.T., Galimova V.U. et al. Ksenogennyy biomaterial dlya regenerativnoy khirurgii: patent no. 2440148, prioritet 21.12.2009, opublik. 20.01.2012, byul. no. 2 [Xenogenic biomaterial for regenerative surgery: patent No. 2440148. Priority 12/21/2009, published. 01/20/2012, bul. No. 2].
14. Nigmatullin R.T., Kutushev R.Z. The use of elastin biomaterial in reconstructive surgery of the orbital walls. Prakticheskaya meditsina, 2016, no. 6 (98), pp. 119–121 (in Russ.).
15. Nigmatullin R.T., Kutushev R.Z., Motygullin B.R. Elastin biomaterial as an osteogenesis inducer. Prakticheskaya meditsina, 2017, no. 9 (110), pp. 149–151 (in Russ.).
16. Vajgel A., Mardas N., Farias B.C., Petrie A., Cimões R., Donos N. A systematic review on the critical size defect model. Clinical Oral Implants Research, 2014, vol. 25 (8), pp. 879–893.
17. Nigmatullin R.T., Gizatullina E.R., Motygullin B.R. The role of monocyte-macrophage system in the dynamics of replacement regeneration in the transplantation of elastin biomaterial. Rossiyskiy immunologicheskiy zhurnal, 2017, vol. 11 (20), no. 2, pp. 179–182 (in Russ.).
18. Ghiacci G., Graiani G., Ravanetti Fr., Lumetti S., Manfredi E. et al. «Over-inlay» block graft and differential morphometry: a novel block graft model to study bone regeneration and host-to-graft interfaces in rats. Journal of Periodontal and Implant Science, 2016, vol. 46 (4), pp. 220–233.
19. Bychkov A.I., Doliner M.E., Sitdikova A.I., Volkov A.V., Rachinskaya O.A. The study of osteoinductive activity of recombinant bone morphogenetic protein (rhBMP-2) in the composition of osteoplastic material based on demineralized matrix in the experiment. Stomatologiya dlya vsekh, 2013, no. 3, pp. 16–20 (in Russ.).
20. Anabami N., Mithieux S.M., Camci-Unal G., Dokmeci M.R., Weiss A.S., Khademhosseini A. Elastomeric recombinant proteinbased biomaterials. Biochemical Engineering Journal, 2013, vol. 77, pp. 110–118.