Способ восстановления гиалинового хряща и субхондральной костной пластинки поврежденных суставных концов костей

Изобретение относится к травматологии и ортопедии и может быть применимо для восстановления гиалинового хряща с одновременным восстановлением субхондральной костной пластинки в области поврежденных суставных концов костей с наличием остеохондрального дефекта. Помещают в зону повреждения деминерализованный костный трансплантат. При размере дефекта 2-3 см² используют кортикальный костный трансплантат со степенью деминерализации 25%, при размере дефекта 0,5-2 см² используют кортикальный костный трансплантат со степенью деминерализации 50%. Способ позволяет улучшить возможности для формирования полноценного регенерата. 2 ил.

 

Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, предназначено для восстановления гиалинового хряща и одновременного восстановления субхондральной костной пластинки репаративного хондро- и остеогенеза при восстановлении поврежденных суставных концов костей с остеохондральными дефектами, возникшими в результате травмы или после резекции кости.

За последние несколько лет в ортопедической практике увеличивается количество пациентов с таким поражением суставов, как дефекты суставного хряща, сопровождающиеся повреждением субхондральной кости. Это связано с повышением уровня техногенного травматизма, с одной стороны, и заметным улучшением и распространением неинвазивных (МРТ, УЗИ) и инвазивных (диагностическая артроскопия) методов диагностики, с другой стороны. Это позволяет более точно диагностировать наличие, расположение, размер и глубину хрящевых и костно-хрящевых дефектов суставных концов костей крупных суставов.

Для лечения частичных или полнослойных поражений хряща на сегодняшний день предложено большое разнообразие хирургических методов (дебридмент нестабильных кромок, микропереломы субхондральной кости или ее сверление, остеохондральная трансплантация). Их выбор напрямую зависит от степени поражения хряща. В последнее время все больше ортопедов используют остеохондральную трансплантацию как метод, обеспечивающий наилучшую репаративную регенерацию хрящевого покрытия и субхондральной кости и, соответственно, большую стабильность результатов. Несмотря на наличие отдельных положительных результатов подобной трансплантации, имеются большие сложности с выбором материала (ауто-, алло-, ксенотрансплантаты), а также с длительностью и сложностью в управлении его биодеградацией.

Существуют различные методики восстановления костно-хрящевых дефектов.

I. Реконструктивные методики основаны на пересадке аутоостеохондральных элементов (с подлежащей костью), чтобы улучшить приживление за счет контакта кость-кость, т.к. фрагмент хряща сам по себе не образует связь с костью или хрящом реципиента. Введение остеохондральных трансплантатов - обнадеживающий метод, т.к. он одностадийный и немедленно обеспечивает перенос приемлемой ткани живым остеохондральным элементом [1, 2, 3, 4]. Из трудностей, возникающих при их использовании, необходимо отметить проблемы на донорском участке суставной поверхности, особенно когда необходим большой объем трансплантатов [5]. Несмотря на то, что в качестве донорской зоны используется ненагружаемая суставная поверхность, дегенеративные процессы, протекающие там при замещении этих дефектов фиброзной тканью, поддерживают в суставе хроническое асептическое воспаление, что создает неблагоприятные условия для ремоделирования костно-хрящевых регенератов в реципиентной зоне [6, 7, 8, 9, 10].

II. Аутологичная остеохондральная трансплантация. Предложены различные методы с использованием аутотрансплантатов для реконструкции остеохондральных дефектов. Они различаются по донорскому участку, методу введения и фиксации трансплантата (Jerosch, Duchov, Ahmad). Аутологичные остеохондральные трансплантаты могут быть введены артроскопически или открыто в зависимости от размера дефекта и возможностей хирургического доступа [10, 11, 12].

Известный метод пересадки остеохондральных аутотрансплантатов [12] может использоваться при симптоматических униполярных поражениях мыщелков бедра 4 (ICRS) степени от 1 до 2,5 см диаметром. Описанная процедура технически трудоемка. Локализация донорского участка и размер забираемого трансплантата играют ключевую роль. Полное закрытие дефекта, механическая стабильность блоков, возможность восстановления конгруэнтности со здоровым хрящом являются ключевыми и одновременно труднодостижимыми. Более того, есть значительное ограничение доступности трансплантата и то, что свойства хряща и субхондральной кости в донорской зоне несколько отличаются от свойств тканей на нагружаемой поверхности (где чаще всего и выявляются остеохондральные дефекты), что сильно уменьшает возможности этой процедуры [13].

III. Остеохондральная аллотрансплантация. Свежие или глубоко замороженные аллотрансплантаты широко используются для лечения больших и глубоких остеохондральных поражений. Наиболее важные исследования показали выживаемость трансплантатов через 5 лет в 75-95%, которая снижалась до 63-65% к 14-15 годам. Другие авторы сообщают о худших результатах и представляют различную частоту благоприятных случаев, различающихся в зависимости от возраста пациента, степени разрушения сустава и этиологии дефекта [10]. Большинство авторов полагают, что высокая частота неудач коррелирует с иммунным ответом организма реципиента на аллогенную кость. Некоторые авторы полагают, что использование остеохондральных аллотрансплантатов позволит «выиграть время» у пожилых пациентов, имеющих боль, нарушающую их активность, и отложить эндопротезирование коленного сустава на некоторое время. К сожалению, это лечение не может быть предложено молодым активным пациентам [14].

Во всех перечисленных выше методиках для изготовления трансплантатов использовали традиционно губчатую кость.

IY. Существуют различные методы восстановления хрящевой ткани с использованием биотрансплантатов на основе комбинаций стволовых и прогениторных клеток человека и матрицы-носителя, состоящей из синтетических и биологических веществ, для повышения регенеративных и репаративных свойств хрящевой и костной ткани при травматических и дегенеративных заболеваниях суставного хряща (пат. РФ 2301677, 2268738, 2301677, 2242981, 2142285). Общим недостатком данных методов является их дороговизна и недоступность применения в широкой практике, невозможность достижения полного восстановления гиалинового хряща, при этом субхондральная костная пластинка вообще не восстанавливается.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу восстановления гиалинового хряща является способ восстановления хрящевой ткани, в частности гиалинового хряща с помощью деминерализованных костных трансплантатов /Савельев В.И. Некоторые аспекты заготовки и применения деминерализованных костных трансплантатов. Л., 1982, с. 78-86/. В данном способе используют для изготовления трансплантатов губчатую кость.

Недостатком указанного способа является невозможность одновременного восстановления гиалинового хряща и субхондральной костной пластинки.

Известно, что клетки хрящевой ткани и кости радикально отличаются по характеру, а значит и методы их восстановления отличаются друг от друга.

Анализ предшествующего уровня техники показал, что ни одно из известных технических решений не обеспечивает полного восстановления гиалинового хряща с одновременным восстановлением субхондральной костной пластинки с использованием различных имплантационных материалов и аутологичных клеток костного мозга.

Усовершенствованию методик восстановления хрящевой и костной тканей в области поврежденных суставных концов костей крупных суставов служит предлагаемый ниже способ.

Целью и задачей предлагаемого способа является исключение недостатков присущих ауто- и аллотрансплантации при костно-хрящевом дефекте, а именно использование доступных трансплантатов из деминерализованного костного матрика с минимальными антигенными свойствами, различного размера, как по площади, так и глубине имплантации, что позволяет использовать их для заполнения дефектов при глубоких и обширных остеохондральных поражениях (например, при болезни Кёнига), а также с разной скоростью резорбции и, как следствие, длительностью стимуляции репаративного хондро- и остеогенеза (благодаря различной степени деминерализации трансплантатов резорбция их и стимуляция репарации происходит в необходимом временном интервале). Управление скоростью резорбции при частичной деминерализации костного матрикса, помещенного в костно-хрящевой дефект, происходит за счет более медленных процессов растворения агрегатов гидроксиаппатита, остающихся на разных стадиях перекристаллизации в частично деминерализованном костном матриксе.

Поставленная цель осуществляется за счет использования способа восстановления гиалинового хряща с одновременным восстановлением субхондральной костной пластинки в области поврежденных суставных концов костей с наличием остеохондрального дефекта, включающий имплантацию в зону повреждения деминерализованного костного трансплантата, для изготовления которого используют кортикальный костный трансплантат со степенью деминерализации 25-50%, при этом выбранная степень деминерализации трансплантата обратно пропорциональна объему дефекта.

Материалом, сочетающим высокую стимуляционную активность и структурную организацию, способствующую созданию местных условий для репаративной регенерации в условиях остеохондрального дефекта, является деминерализованный костный матрикс (далее ДКМ). ДКМ, состоящий, в основном, из костного коллагена и небольшого количества водорастворимых белков (часть из которых является стимуляторами остеогенеза - TGF-β, IGF, а-FGF, b-FGF, PDGF, ВМР1-15). Он полностью утилизируется как при помещении в область костного повреждения, так и при эктопической трансплантации, стимулируя при этом остеогенез. Его волокнистая структура полностью соответствует структуре нативной кости, при этом ДКМ имеет более высокую пористость, чем нативная кортикальная кость.

Со временем ДКМ-трансплантат подвергается резорбции и на его месте формируется остеохондральный регенерат, который после нескольких ремоделирований приобретает ткане- и органоспецифичные структуру и свойства.

Процесс изготовления ДКМ для трансплантации состоит из деминерализации, лиофилизации и стерилизации. В совокупности эти методы обработки приводят к значительному снижению антигенной активности аллоимплантатов из ДКМ. В свою очередь, значительная скорость биодеградации небольших фрагментов ДКМ, имплантированных в хрящевой дефект, способствует появлению на месте имплантата гиалиноподобной новообразованной хрящевой ткани, которая может быть ремоделирована в органоспецифичный гиалиновый суставной хрящ при функциональных нагрузках в физиологическом диапазоне. Однако при значительных костно-хрящевых дефектах резорбция полностью деминерализованного костного матрикса, имплантированного в дефект, по скорости значительно превосходит скорость формирования регенерата. После полной биодеградации имплантата стимуляция регенерации прекращается еще до завершения репаративного процесса, что не позволяет сформироваться полноценному регенерату.

Плотность использованной ДКМ в предлагаемом техническом решении соответствует плотности кортикальной кости (с учетом степени деминерализации), т.к. если трансплантат будет иметь плотность на уровне кортикальной нативной кости (при поверхностной деминерализации кортикального костного матрикса - т.е. удаление только 0,5-5% минеральной фазы), то скорость биодеградации его в организме будет неоправданно длительной (от 2 до 5 лет), а если ниже (при полной деминерализации костного матрикса) - то высокая скорость биодеградации (от 1 до 2 месяцев) также не позволит завершиться репаративным процессам. И в первом и во втором случае остеокондуктивные и стимулирующие свойства ДКМ не будут использованы в полной мере или будут ограничены по времени. Таким образом, использование деминерализованного костного матрикса из губчатой кости не оправдано из-за высокой степени биодеградации и, как следствие, короткого времени стимуляции репаративной регенерации гиалинового хряща и субхондральной кости в области значительных дефектов (более 1 см³). При использовании минимальной степани деминерализации кортикального костного матрикса, а именно 25%, размер очага поражения (и, следовательно, объем имплантируемого ДКМ) должен быть в пределах 2-3 см³, т.к. при этом скорость биодеградации составит около 12-24 мес. При максимальной деминерализации образца (50%) размер очага должен быть в пределах 0,5-2 см³, биодеградация имплантата проходит за период от 2 до 12 месяцев.

Способ осуществляется следующим образом.

I. Подготовка трансплантатов: 1. Производится забор костной ткани (определенных участков компактного костного вещества бедренных и большеберцовых костей - кортикальной части кости, ауто-, алло- или ксеногенного происхождения. 2. Производится выпиливание костных блоков различного размера, механическая очистка и обезжиривание их в спирт-хлорофоровом растворе (1:1). 3. Производится деминерализация этих костных блоков в 0,5 нормальной соляной кислоте в течение необходимого для каждого размера трансплантата времени. Необходимая степень деминерализации костного блока определяется в пределах от 25 до 50% и зависит от размера очага повреждения. 4. Затем производится промывание трансплантатов в проточной воде с последующей выдержкой в фосфатном буфере до приведения их рН до уровня 7,2 (контролируется цифровым рН-метром). 5. Производится заморозка трансплантатов в морозильной камере при от -20 до -40°C. 6. Замороженные трансплантаты подвергаются лиофильному обезвоживанию в вакууме. 7. Высушенные трансплантаты упаковываются в отдельные пакеты. 8. Упакованные трансплантаты подвергаются лучевой стерилизации гамма-лучами (или пучком быстрых электронов, окисью этилена и т.п.).

II. Операция: 1. Выполняется полный комплекс современных видов лучевой диагностики - МРТ 1,0 Тесла и выше, спиральная компьютерная томография, при необходимости - артроскопия сустава для точного определения локализации, размеров и глубины дефекта. 2. В проекции дефекта выполняется мини-артротомия (или артротомия по Пайру при дефектах надколенника). 3. Поверхность дефекта обрабатывается шейвером, производится зачистка краев дефекта до здорового хряща. 4. По размеру дефекта подбирается размер трансплантата (в зависимости от локализации учитывается и глубина трансплантата). 5. Производится высверливание в центре дефекта канала до зоны неизмененной кости, полость канала промывается и дополнительно измеряется глубина. 6. Исходя из полученных данных замеров, подбирается подходящий трансплантат и помещается в дефект таким образом, чтобы его поверхность на 0,5 мм выступала над поверхностью окружающего дефект хряща. Через 5-15 минут трансплантат плотно удерживается окружающей костью и хрящом из-за увеличения линейных размеров вследствие гидратации. 7. Шейвером обрабатываются края дефекта для формирования гладкой поверхности. 8. Производится ушивание раны с контролем конгруэнтности поверхностей при сгибании-разгибании сустава. Нам не удалось найти описаний подобной методики восстановления поврежденных суставных концов костей с остеохондральными дефектами с использованием частично деминерализованных костных трансплантатов в доступной нам литературе.

Предложенный способ был испытан в условиях экспериментального отделения ЦИТО на опытных животных (овцах). Полученные результаты были изучены с использованием современной аппаратуры (магнитно-резонансная томография, рентгеновская компьютерная томография) отделения лучевой диагностики ФГУ «ЦИТО им. Н.Н.Приорова Росмедтехнологий», морфологического метода - изучены на светооптическом уровне гистологические препараты на 3 и 6 месяцах после трансплантации деминерализованного кортикального костного матрикса в остеохондральный дефект (фиг.1, 2).

Таким образом, результаты исследований доказывают, что предлагаемый способ эффективно стимулирует репаративный хондро- и остеогенез в области поврежденных суставных концов костей с наличием остеохондрального дефекта с восстановлением субхондральной кости и суставного хряща, основан на применении деминерализованного кортикального костного матрикса, обладающего выраженным модуляторным эффектом, не является трудоемким и не требует больших временных затрат.

Список литературы

1. Duchov J, Hess Т, Kohn D. Primary stability of press-fit -implanted osteochondral grafts. Influence of graft size, repeated insertion, and harvesting technique. Am J Sports Med 2000; 28(1):24-27.

2. Gross AE, Shasha N, Aubin P. Long-term follow-up of the use of fresh osteochondral allografts for posttraumatic knee defects. Clin Orthop Rel Res, 2005 Jun; 435:79-87.

3. Imhoff AB, Ottl GM, Burkart A, Traub S. Autologous osteochondral transplantation on various joints. Orthopade 1999; 28(1):33-44.

4. Jerosch J, Filler T, Peuker E. Is There an option for harvesting autologous osteochondral grafts without damaging weight-bearing areas in the knee joint? Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc 2002; 8:237-240.

5. Shasha N, Aubin PP, Cheah HK, Davis AM, Agnidis Z, Gross AE. Long-term clinical experience with fresh osteochondral allografts for articular knee defects in high demand patients. Cell Tissue Bank 2002: 3(3): 175-82.

6. Ahmad CS, Cohen ZA, Levine WN, Ateshian GA, Mow Van C. Biomechanical and topographic considerations for autologous osteochondral grafting in the knee. Am J Sports Med 2001; 29(2):201-206.

7. Beaver R.J., Mahomed M., Backstein D., Davis A., Zukor D.J., Gross A.E. Fresh osteochondral allografts for post-traumatic defects in the knee. J. Bone Joint Surg., 1992; 74-B (1): 105-110.

8. Marcacci M, Kon E, Zaffagnini S, Iacono F, Neri MP, Vascellari A, Visani A, Russo A. Multiple osteochondral arthroscopic grafting (mosaicplasty) for cartilage defects of the knee: prospective study results at 2-year follow-up. Arthroscopy. 2005 Apr; 21(4):462-70.

9. Marcacci M, Коn E, Delcogliano M, Filardo G, Busacca M, Zaffagnini S. Arthroscopic autologous osteochondral grafting for cartilage defects of the knee: prospective study results at a minimum 7-year follow-up. Am J Sports Med. 2007 Dec; 35(12): 2014-21

10. Marcacci M, Коn E, Zaffagnini S, Visani A. Use of autologous grafts for reconstruction of osteochondral defects of the knee. Orthopedics 1999; 22(6): 595-600.

11. Buckwalter JA, Mankin HJ: Articular cartilage. Part II: Degeneration and osteoarthrosis, repair, regeneration, and tranplantation. J Bone Joint Surg 1997; 79A(4): 612-632.

12. Hangody L, Kish G, Karpati Z, Udvarhelyi I, Szigeti I, Bely M. Mosaicplasty form the treatment of articular cartilage defects: application in clinical practice. Orthopedics. 1998 Jul; 21(7):751-6.

13. Moseley JB, Micheli LJ, Erggelet C, et al. 6-year patient outcomes with autologus chondrocyte implantation. 70th AAOS annual meeting proceedings, February 5-9, 2003, New Orleans, Louisiana.

14. Meyers M. H., Akeson W., Convery F. R. Resurfacing of the knee with fresh osteochondral allografts. J. Bone Joint Surg., 1989; 71-A (5): 704-713.

Способ восстановления гиалинового хряща с одновременным восстановлением субхондральной костной пластинки в области поврежденных суставных концов костей с наличием остеохондрального дефекта, включающий помещение в зону повреждения деминерализованного костного трансплантата, отличающийся тем, что при размере дефекта 2-3 см² используют кортикальный костный трансплантат со степенью деминерализации 25%, при размере дефекта 0,5-2 см² используют кортикальный костный трансплантат со степенью деминерализации 50%.