Кістка там, де її не мало бути: коли композит сам запускає остеогенез у м’язі

У біоматеріалознавстві існує два принципово різні рівні «доброти» матеріалу стосовно кістки, і різницю між ними легко проґавити, якщо не знати, куди дивитись. Перший, звичніший рівень, остеокондукція: здатність матеріалу пасивно не заважати кістці рости на своїй поверхні, слугувати сумісним каркасом, уздовж якого клітини можуть мігрувати й відкладати новий матрикс. Другий, набагато рідкісніший і клінічно набагато цінніший, остеоіндукція: здатність матеріалу самостійно, без жодних доданих клітин чи факторів росту, ініціювати формування абсолютно нової кісткової тканини навіть там, де кістки взагалі не мало бути, наприклад, прямо в товщі скелетного м’яза. Довгий час у літературі вважалося, що остеоіндукція є майже виключною властивістю пористих кальцій-фосфатних керамічних матеріалів, і що для її прояву необхідна саме внутрішня пориста архітектура. Дослідження команди з Університету Твенте та біотехнологічної компанії Xpand Biotechnology в Нідерландах, опубліковане у Biomatter у 2014 році, поставило під сумнів цю усталену межу, і результати мають прямий стосунок до інженерії 3D-друкованих виробів на основі композитів класу ResorBone™, до якого належать імпланти biodrook.

Ідея: щільний матеріал і штучно створений «сховок»

Ключова інженерна ідея полягала в тому, щоб виготовити композит методом екструзії, технологією, яка принципово не потребує органічних розчинників на будь-якому етапі виробництва. Залишки розчинників у готовому імпланті надзвичайно важко видалити повністю, і навіть слідові кількості можуть бути токсичними для тканин. Склад композиту: 50% поли(D,L-лактиду) і 50% нанорозмірного гідроксиапатиту власного виробництва, з частинками довжиною близько 309 нанометрів і шириною близько 70 нанометрів. FTIR-спектроскопія підтвердила успішну інтеграцію мінеральної фази в полімерну матрицю: у спектрі композиту з’явилися чіткі фосфатні та гідроксильні смуги поглинання, характерні саме для гідроксиапатиту й відсутні в спектрі чистого PLA. Метод екструзії дав щільний, повністю непористий матеріал, прямо протилежний тому типу структури, який традиційно вважався необхідним для остеоіндукції. Щоб перевірити, чи здатен такий щільний матеріал усе одно ініціювати формування кістки, дослідники сконструювали дещо хитромудрий, але концептуально елегантний імплант: дві щільні пластини композиту наклеювали одна на одну, розділяючи тонкими проміжними спейсерами. У результаті між пластинами утворювалась вузька, штучно створена «захищена» щілина, імітація тієї самої внутрішньої пори, яку принципово вилучили з конструкції самого матеріалу.

Собаки, паравертебральні м’язи і дванадцять тижнів мовчазного очікування

Дванадцять імплантів композиту PLA/HA та п’ять контрольних імплантів чистого PLA встановили внутрішньом’язово вісьмом дорослим безпородним собакам. Через 12 тижнів тварин піддали евтаназії, а зразки з навколишньою тканиною направили на детальний гістологічний аналіз. Результат виявився показовим уже на найпростішому етапі, вилученні зразків. З п’яти імплантованих зразків чистого PLA лише два вдалося взагалі знайти; там, де мали залишатися ще три, дослідники не виявили жодних слідів матеріалу чи тканинної реакції, крім звичайного м’яза: матеріал повністю розчинився, не залишивши по собі й слідів. Натомість усі дванадцять імплантів PLA/HA були успішно вилучені для аналізу (два довелося виключити з подальшого гістологічного дослідження через технічну проблему на етапі підготовки зразків). Але справжня новина чекала під мікроскопом. У всіх десяти якісно проаналізованих зразках PLA/HA дослідники виявили формування справжньої гетеротопічної кістки прямо в товщі м’язової тканини, без жодних доданих клітин чи факторів росту. Найбільше кістки формувалося саме в ділянках поблизу входу до штучно створеної захищеної щілини та в зонах найбільш вираженої деградації самого композиту. Новоутворена кістка мала цілком фізіологічний вигляд: мінералізований матрикс, вирівняний прямо з шаром активних остеобластів, а максимальна глибина проростання в глибину імпланту досягала приблизно 4 мм. У жодному з двох знайдених зразків чистого PLA, попри цілком помітну деградацію самого полімеру, жодних гістологічних слідів кістки не виявили.

Клітинна біологія підтвердила те, що показала тваринна модель

Ще до тваринного етапу дослідники показали, що в фізіологічному сольовому розчині (SPS) з композиту PLA/HA відбувалося стабільне, безперервне вивільнення кальцію і фосфату протягом усіх 12 тижнів, без ознак виходу на плато, на відміну від чистого PLA, з якого за той самий термін не вивільнилося взагалі жодних вимірюваних кількостей цих іонів. ALP-активність клітин, посіяних на композиті, була вищою, ніж на чистому PLA, у обох тестованих середовищах, причому різниця досягла статистичної значущості саме на 14-й день культивування в остеогенному середовищі.

Що цей результат відкриває для геометрії й архітектури 3D-друку

Значення цього дослідження виходить далеко за межі одного конкретного складу PLA/HA. Воно доводить: остеоіндуктивний потенціал може проявлятися і в щільних, повністю непористих композитах класу «резорбуючий поліефір плюс гідроксиапатит», якщо загальна конструкція виробу забезпечує правильні геометричні умови, насамперед той самий «захищений» простір, у якому нова кісткова тканина може безпечно дозрівати. Це прямо стосується того, як інженери проєктують геометрію 3D-друку й внутрішню архітектуру виробів на основі композитів класу ResorBone™: сама конструкція імпланту, а не лише хімічний склад, здатна впливати на те, наскільки активно матеріал сприятиме формуванню нової кістки. У цьому дослідженні тестувався не ResorBone™ і не вироби biodrook, а спеціально розроблений екструдований композит PLA/HA (50/50). Пряме тестування продукції biodrook на подібних тваринних моделях залишається окремим, майбутнім етапом досліджень. Проте ця робота суттєво розширює наукову доказову базу щодо того, що клас композитів «резорбуючий поліефір плюс гідроксиапатит» здатний на набагато більше, ніж просто пасивно підтримувати ріст кістки: за правильно спроєктованих умов такі матеріали можуть активно, самостійно запускати процес формування нової кісткової тканини.     Ця стаття є науково-популярним оглядом опублікованого дослідження і не є рекламним твердженням про властивості конкретного медичного виробу. Відповідність і клінічну ефективність імплантів biodrook підтверджує власна документація виробника. Джерело: Danoux CB, Barbieri D, Yuan H, de Bruijn JD, van Blitterswijk CA, Habibovic P. In vitro and in vivo bioactivity assessment of a polylactic acid/hydroxyapatite composite for bone regeneration. Biomatter. 2014;4:e27664. doi:10.4161/biom.27664