                       На правах рукописи
УДК: 616.314-089.843:611.018.1
МАЛЬГИНОВ НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОСТЕОИНТЕГРАЦИИ
ТИТАНОВЫХ ДЕНТАЛЬНЫХ ИМПЛАНТАТОВ ПУТЕМ
ОПТИМИЗАЦИИ ИХ ФОРМЫ, СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ
И ПРИМЕНЕНИЯ КЛЕТОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
14.01.14 – «Стоматология» (медицинские науки)
14.03.03 – «Патологическая физиология» (медицинские науки)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора медицинских наук
Москва - 2011
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный медико-стоматологический университет» Минздравсоцразвития России
Научные консультанты:
Заслуженный деятель науки РФ,
доктор медицинских наук, профессор Лебеденко Игорь Юльевич
Воложин Александр Ильич
Заслуженный деятель науки РФ,
доктор медицинских наук, профессор
Официальные оппоненты:
Заслуженный врач РФ,
доктор медицинских наук, профессор Олесова Валентина Николаевна
доктор медицинских наук, профессор Широков Юрий Евгеньевич
доктор медицинских наук, профессор Малышев Игорь Юрьевич
Ведущая организация: Федеральное Государственное Учреждение «Центральный научно-исследовательский институт стоматологии и челюстно-лицевой хирургии» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации
Защита состоится __ ________________2011 года в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 208.041.03 при ГОУ ВПО «Московский государственный медико-стоматологический университет» Минздравсоцразвития России
(127006, г. Москва, ул. Долгоруковская д. 4).
Почтовый адрес: 127473, г. Москва, ул. Делегатская, д. 20, стр.1
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Московский государственный медико-стоматологический университет» Минздравсоцразвития России
(127206, Москва, ул. Вучетича, д. 10а).
Автореферат разослан _________________2011 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор медицинских наук, профессор Гиоева Ю.А.
Актуальность исследования
Успешная интеграция имплантатов и трансплантатов в тканевую среду является основным требованием восстановительной медицины. Для этого используются клеточные и тканевые технологии, которые считаются целесообразными, когда происходит биологическое объединение и функционирование собственных тканей и интегрированных с ними чужеродных материалов (Шумаков В.И. и соавт., 2004; Ярыгин В.Н. и соавт., 2004; Кулаков А.А., Григорьян А.С., 2007 и другие). Достижение долговременного равновесия в адаптационных реакциях между живой тканью и имплантированным материалом (синтетического, природного и биологического происхождения) является важнейшей задачей тканевой инженерии. Эта проблема актуальна в медицине, особенно в таких ее разделах как стоматология и челюстно-лицевая хирургия, что обусловлено большой потребностью в искусственных костно-замещающих материалах, необходимостью восстановить не только анатомию, но и жевательную функцию с помощью дентальных имплантатов. Ожидается, что эти технологии в перспективе существенно повысят эффективность традиционных методов лечения (Воложин А.И. и соавт., 2004-2007; Денисов-Никольский Ю.И. и соавт., 2004, 2005;). Как прежде, так и в настоящее время, целью остеопластики совместно с постановкой дентальных имплантатов является интеграция искусственных материалов с тканевой средой и продолжительное функционирование этого комплекса как единого целого (Плотников Н.А., 1967; Воложин А.И. и соавт., 1998-2006; Никитин А.А., 2000-2005; Топольницкий О.З., 2004; Дробышев А.Ю., 2005 и многие другие). В качестве основного материала для изготовления дентальных имплантатов применяется титан медицинского назначения, так как оксидные соединения на его поверхности способствуют фиксации и функционированию морфогенетических протеинов и белков крови, участвующих в построении и перестройке костной ткани. Интеграционные процессы между дентальным имплантатом и костью изучаются много лет, однако технологические трудности и неизбежные артефакты не позволяют в точности проанализировать морфофункциональную эволюцию интерфейса «поверхность титана – кость». К настоящему времени сложилось устойчивое представление о том, что в образовании костной ткани на поверхности имплантата участвуют 2 типа костеобразовательных процессов: остеогенез «контактный» – на поверхности имплантата и «дистантный» – со стороны материнской кости (Кулаков А.А., Григорьян А.С., 2007). Эти механизмы имеют свою специфику, но их объединяют единые клеточные процессы, заключающиеся в пролиферации и остеогенной дифференцировке собственных стволовых мезенхимальных клеток, формировании клеток остеобластического ряда, создающих кость, которая в дальнейшем подвергается перестройке. Таким образом, узловым моментом в процессе интеграции дентального имплантата является число и функциональная активность стволовых клеток пациента, что зависит от многочисленных факторов: общесоматических (наследственность, заболевания внутренних органов, остеопороз, возраст, иммунитет) и местных условий (объем вмешательства, биомеханические характеристики системы «имплантат-челюсть», инфекция и др.). Поэтому одной из актуальных задач тканевой инженерии является создание оптимальных условий для функционирования собственных стволовых клеток и, при необходимости, увеличения их числа. Создание необходимой массы стволовых клеток, условий для их остеогенной дифференцировки, доставка их в место репаративной регенерации является важной задачей тканевой инженерии в стоматологии, иплантологии и челюстно-лицевой хирургии. Разработаны технологии выделения и идентификации стволовых клеток из костного мозга, жировой ткани, пуповинной крови у человека. Свойства клеток, полученных из разных тканей не одинаковы, что хорошо известно из литературы (Slack J.M.W., 2000; Blau H.M. et al., 2001; Donovan P.J. et al., 2001). Полипотентными являются клетки, выделенные из костного мозга и жировой ткани. Мезенхимальные стромальные стволовые клетки, полученные из этих тканей, могут быть дифференцированы в мышечные, нервные, фибробласты, а также в клетки костной ткани (Воложин А.И. и соавт., 2003-2005; Barry F.P., Murphy J.M., 2004). Разработана технология формирования слоя костных клеток на искусственных носителях и в биоматериалах путем направленной остеодифференцировки мезенхимальных стромальных стволовых клеток (Роговая О. С. с соавт. 2004; Сергеева Н.С., 2007). Эти технологии используются для замещения костных дефектов после цистэктомии, коррекции размеров и формы челюсти, других операций в челюстно-лицевой области (Воложин А.И. с соавт., 2005; Киселева Е.В. с соавт., 2009). Практически отсутствуют научные исследования о возможности применения клеточных технологий для повышения эффективности непосредственной и отстроченной дентальной имплантации. Актуальность этой проблемы заключается в том, что оптимизация остеоинтеграции при дентальной имплантации особенно важна в случае восстановления эстетики лица и функции зубо-челюстной системы при отсутствии передних зубов, в пожилом возрасте, при компенсированной форме сахарного диабета и при других общесоматических заболеваниях, ограничивающих в обычных условиях костную регенерацию и требующих применения клеточных технологий. На современном этапе развития этого нового направления и состояния законодательной базы разработка данной проблемы стоматологии и патологической физиологии к моменту начала настоящего диссертационного исследования могла быть осуществлена только в лабораторных условиях и эксперименте.
Цель исследования
Разработать и обосновать для клинических исследований технологию оптимизации костной регенерации и остеоинтеграции в системе «имплантат-кость», используя различные мезенхимальные стромальные клетки и усовершенствованную конструкцию дентального имплантата.
Задачи исследования
Провести комплексное (клиническое, рентгенологическое, гистоморфологическое, ультрамикроскопическое) изучение результатов применения мезенхимальных стволовых клеток (живых и инактивированных) на образцах титановых дентальных имплантатов и пластин в динамике заживления костного дефекта бедренной кости и дефекта челюсти у экспериментальных животных.
Предложить усовершенствованную конструкцию титановых дентальных имплантатов для применения в комплексе с мезенхимальными стромальными стволовыми клетками.
В эксперименте на лабораторных животных оценить эффективность предложенной методики дентальной имплантации с применением аутологичных мезенхимальных стволовых клеток, выделенных из жировой ткани, и изучить процесс остеоинтеграции титанового имплантата с костью челюсти при непосредственной и отсроченной имплантации.
Сформулировать предложения для клинической апробации усовершенствованных титановых дентальных имплантатов в комплексе с мезенхимальными стволовыми клетками для оптимизации процесса интеграции имплантата с костной тканью.
Научная новизна
Разработана оригинальная конструкция титанового дентального имплантата, позволяющая улучшить остеоинтеграцию за счет увеличения площади поверхности внутрикостной части имплантата и увеличения числа доставленных в зону имплантации мезенхимальных стволовых клеток (МСК). Получен патент РФ на изобретение № 2405497 «Дентальный имплантат».
Установлено, что предварительное культивирование мезенхимальных стволовых клеток на специально обработанной поверхности образцов дентальных имплантатов из титана приводит к оптимизации процессов восстановления костных дефектов при их использовании для закрытия дефектов бедренной кости у крыс. На ранних сроках регенерации в присутствии стволовых клеток происходит стимуляция ангиогенеза, что, по-видимому, обеспечивает активный остеогенез в дальнейшем. Использование инактивированных этанолом стволовых клеток не оказывает подобного действия, их потенциал недостаточен для построения полноценного костного регенерата.
Научно доказано в эксперименте на кроликах, что использование титановых пластин с культивированными на поверхности стволовыми клетками, для заживления критического костного дефекта нижней челюсти позволяет повысить низкий регенераторный потенциал костной ткани нижней челюсти и обеспечить заживление дефекта.
Результаты морфометрического анализа подтвердили, что нанесение стволовых клеток на поверхность титанового имплантата позволяет ускорить процессы регенерации как в центральных, так и в периферических участках дефекта костной ткани нижней челюсти.
Для изучения динамики костной регенерации при непосредственной и отсроченной дентальной имплантации дополнительно применена микрофокусная рентгенография и результаты лучевого исследования верифицированы с данными сканирующей электронной микроскопии.
Получены новые данные в эксперименте на собаках о том, что дентальные титановые имплантаты оптимизированной формы с культивированными аутологичными стволовыми клетками жировой ткани на их поверхности ускоряют процессы остеоинтеграции по сравнению с имплантатами без стволовых клеток или с нежизнеспособными стволовыми клетками.
Патогенетически обосновано усовершенствование формы титанового дентального имплантата, что приводит к увеличению площади интеграции с костной тканью в результате врастания новообразованных костных структур в профили имплантата. Этот эффект особенно выражен в присутствии стволовых клеток при отсроченной имплантации в сравнении с непосредственной и подтвержден данными сканирующей электронной микроскопии и микрофокусной рентгенографии.
Практическая значимость
На основании комплекса проведенных исследований научно обоснованы и разработаны методы улучшения остеоинтеграции титановых имплантатов с костной тканью, которые заключаются в следующем: предварительная обработка поверхности имплантатов (предпочтительнее пескоструйная обработка или плазменное напыление титанового порошка); применение клеточных технологий – аллогенных или аутологичных стволовых клеток; изменение формы контактирующей с костью поверхности имплантата.
Предложен и апробирован в эксперименте имплантат с профилированной поверхностью, получен патент РФ на изобретение № 2405497 «Дентальный имплантат».
Результаты проведенных сравнительных экспериментальных исследований непосредственной и отсроченной дентальной имплантации показали, что процессы остеоинтеграции во всех сериях эксперимента протекают эффективнее при отсроченном варианте имплантации.
На основании полученных данных выработаны предложения по клинической апробации дентальных имплантатов в комплексе с мезенхимальными стволовыми клетками, которые заключаются в том, что отсроченная имплантация предпочтительнее непосредственной. Проведенные исследования позволяют утверждать, что поверхность титана следует обрабатывать пескоструйно или проводить плазменное напыление титанового порошка, культивировать на поверхности имплантата мезенхимальные стволовые клетки и перед использованием тестировать их на жизнеспособность, используя скрининговые тесты.
Показано, что применение модифицированного дентального имплантата в сочетании с аутогенными стволовыми клетками после соответствующей клинической апробации позволит расширить показания для дентальной имплантации при наличии патологических процессов, снижающих остеогенный потенциал костной ткани, в том числе в челюстно-лицевой области.
Подтверждено, что применение микрофокусной рентгенографии является высокоинформативным методом оценки динамики регенерации костной ткани в эксперименте на животных.
Основные положения, выносимые на защиту
Мезенхимальные стволовые клетки, культивированные на поверхности титановых имплантатов, при закрытии костных дефектов бедра у крыс и нижней челюсти у кроликов и собак способствуют в начале регенераторного процесса возникновению остеогенной соединительной ткани с выраженным ангиоматозом с последующим образованием костных структур. Инактивированные этанолом мезенхимальные стволовые клетки на поверхности титановых имплантатов непродолжительно влияют на течение репаративного процесса, ускоряя образование костной ткани лишь в начальном периоде.
В эксперименте по закрытию дефекта нижней челюсти кролика использование титановых пластин с нежизнеспособными мезенхимальными стволовыми клетками не восстанавливает дефект кости, образуя грубоволокнистую соединительную ткань, в то время как имплантаты с жизнеспособными мезенхимальными стволовыми клетками значительно стимулируют остеогенез, что приводит к заполнению критического дефекта ветви нижней челюсти кролика полноценным костным регенератом.
В эксперименте на животных показано, что процессы костеобразования и остеоинтеграции при непосредственной дентальной имплантации проходят слабее, чем при отсроченной дентальной имплантации, а нанесение мезенхимальных стволовых клеток на поверхность титановых имплантатов улучшает процессы интеграции, как при отсроченной, так и при непосредственной имплантации.
Образование костного компонента интеграции образцов титановых дентальных имплантатов при использовании в комплексе с мезенхимальными стволовыми клетками больше, чем без них.
Усовершенствование конструкции титанового дентального имплантата путем создания технологических полостей улучшает остеоинтеграцию в эксперименте.
|
