Kaula un skrimšļa aizvietojošie materiāli traumatoloģijā un

ortopēdijā

Gvido Jānis Bergs RSU MF VI

Aktualitāte• PubMed datubāzē 1257 rezultāti meklējot ar atslēgas vārdiem «bone

substitutes in orthopedic surgery»

• 1987. gads- 1 raksts• 2015. gads – 96 raksti• Pēdējos 10 gados – 744 raksti• Pēdējos 5 gados – 403 raksti

DefinīcijasKaula aizvietojošs materiāls tiek definēts kā sintētisks, neorganisks vai

bioloģisks materiāls vai to kombinācija, kas tiek pielietota kaula defekta novēršanai kaula autotransplantātu vai allotransplantātu vietā

Kaula autotransplantāts - kaulu transplantāts, kas paņemts no paša pacienta

Kaula allotransplantāts – kaula transplantāts, kas paņemts no citas dzīvas/mirušas personas

Kaula ksenotransplantāts – kaula transplantāts, kas paņemts no citas sugas indivīda

Schlickewei W.,Schlickewei C. The Use of Bone Substitutes in the Treatment of Bone Defects – the Clinical View and History. Macromolecular Symposia, 2007;253(1):10-23.

Ievads• Kaulu defektu rekonstrukcija ir nopietns izaicinājums traumatoloģijā un

ortopēdijā

• Kaulu transplantātu implantācija ir 2. biežāk veiktā audu transplantācijas operācija pasaulē• Pasaulē ik gadu tiek veiktas ap 2 000 000 procedūras no kurām 25% ASV

• Kaula aizvietojošie materiāli aizvien biežāk tiek pielietoti onkoloģijas ķirurģijā, traumatoloģijā, revīzijās pēc lielo locītavu endoprotezēšanas kā arī mugurkaula ķirurģijā

Chiarello E., Cadossi M., Tedesco G., Capra P., Calamelli C., Shehu A.,Giannini S. Autograft, allograft and bone substitutes in reconstructive orthopedic surgery. Aging clinical and experimental research, 2013;25 Suppl 1:S101-103.Campana V., Milano G., Pagano E., Barba M., Cicione C., Salonna G., Lattanzi W.,Logroscino G. Bone substitutes in orthopaedic surgery: from basic science to clinical practice. Journal of Materials Science. Materials in Medicine, 2014;25(10):2445-2461.

Kaula defektu cēloņi:• Kaulu tumori

• Infekcijas

• Traumas ar kaula zudumu

Paderni S., Terzi S.,Amendola L. Major bone defect treatment with an osteoconductive bone substitute. La Chirurgia degli organi di movimento, 2009;93(2):89-96.

Kādas kaula defekta rekonstrukcijas iespējas šobrīd pastāv?

Kaula defekta rekonstrukcijas iespējas

Kaulu aizvietojoši materiāli

Keramikas(hidroksiapatīts, TCP, kalcija sulfāts)

Polimēri(Kolagēns, Citosans, PLA,PGA,PLGA)

Kaulu transplantāti

AlotransplantātiAutotransplantātiKsenotransplantāti

Augšanas faktori(DBM, PRP, BMP’S)

Arner J. W.,Santrock R. D. A historical review of common bone graft materials in foot and ankle surgery. Foot & ankle specialist, 2014;7(2):143-151.

Ideāls kaula defekta rekonstrukcijas materiāls• Biosaderīgs (neizraisa organisma iekaisuma atbildes rekciju)• Vigli un ātri modelējams atbilstoši defekta formai un izmēram• Osteoinduktīvs• Osteokonduktīvs• Reabsorbējams• Nosakāms in vivo (rentgenpozitīvs)• Fizikāli inerts• Sterilizējams• Nedārgs?

Pryor L. S., Gage E., Langevin C.-J., Herrera F., Breithaupt A. D., Gordon C. R., Afifi A. M., Zins J. E., Meltzer H., Gosman A., Cohen S. R.,Holmes R. Review of Bone Substitutes. Craniomaxillofacial Trauma & Reconstruction, 2009;2(3):151-160.

Defekta rekonstrukcijas materiāla īpašības in vivo • Osteoindukcija – kaula transplantāta vai aizvietojošā materiāla spēja

ierosināt multipotento mezenhimālo cilmes šūnu diferencēšanos par osteoblastiem apkārtesošajos audos• Osteokondukcija – kaula transplantāta vai aizvietojošā materiāla spēja

kalpot kā karkasam, mehāniski nodrošinot asinsvadu un kaula ieaugšanu defekta vietā• Osteoģenēze – osteoblastu nodrošināta jaunu kaulaudu veidošanās • Oseointegrācija – kaulu transplantāta vai aizvietojošā materiāla spēja

saistīt veselo kaulu bez saisstaudu ieaugšanas starpā

Oryan A., Alidadi S., Moshiri A.,Maffulli N. Bone regenerative medicine: classic options, novel strategies, and future directions. Journal of Orthopaedic Surgery and Research, 2014;9(1):18.

Svarīgi zināt, ka...

Tikai autotransplantātiem piemīt osteoindukcijas, osteokondukcijas, osteoģenēzes un oseointegrācijas

spēja

Autotransplantāti, allotransplantāti un ksenotransplantāti: kāpēc nepieciešams meklēt alternatīvas?• Autotransplantāti – «zelta standarts» kaula defektu rekonstrukcijāTomēr Baumhauer et al konstatēja, ka 12% un 8,5% pacientu atzīmē klīniski nozīmīgas sāpes attiecīgi 24 un 52 nedēļas pēc operācijas autotransplantāta nemšanas vietā.

• Allotransplantāti sastāda aptuveni 1/3 no visiem kaulu transplantātiem. Tiem piemīt osteoinduktīvitāte un osteokonduktivitāte, taču ne osteoģenēzes īpašības

Tomēr Tomford et al ziņoja par 1 HCV, 2 HBV, 1 un 13 bakteriālu infekciju gadījumiem pēc allotransplantātu pielietošanasTāpat Khan et al veiktajā literatūras analīzē tika konstatēti 2 HIV transmisijas gadījumi pēc allotransplantātu pielietošanas (inficēšanās risks 1:1,6 miljoni)Baumhauer J., Pinzur M. S., Donahue R., Beasley W.,DiGiovanni C. Site selection and pain outcome after autologous bone graft harvest. Foot & ankle

international, 2014;35(2):104-107.Tomford W. W. Transmission of disease through transplantation of musculoskeletal allotransplantāts. J Bone Joint Surg Am, 1995;77(11):1742-1754.Khan S. N., Cammisa F. P., Jr., Sandhu H. S., Diwan A. D., Girardi F. P.,Lane J. M. The biology of bone grafting. The Journal of the American Academy of Orthopaedic Surgeons, 2005;13(1):77-86.

• Kā ksenotransplantātus pielieto vērša vai cūkas kaulu fragmentus. Tiem piemīt līdzīgas īpašības allotransplantātiem un tie ir lēti, taču transplantāta atgrūšana notiek biežāk un ir izteiktāka

Oryan A., Alidadi S., Moshiri A.,Maffulli N. Bone regenerative medicine: classic options, novel strategies, and future directions. Journal of Orthopaedic Surgery and Research, 2014;9(1):18.

Keramiskie materiāli kaula defektu rekonstrukcijai IKalcija hidrokisapatīts (HA)• Ķīmiskā līdzība ar kaulu mineralizācijas fāzē nodrošina materiāla labo

biosaderību un osteokonduktīvās īpašības• HA tiek pielietots osteoinduktīvo augšanas faktoru un osteogēno šūnu

populāciju pārnesei uz kaula defektu• HA pielietošanu ierobežo tā mehāniskās īpašības, kas atšķiras no kaula

un apkārt esošo audu īpašībām

Nandi S. K., Roy S., Mukherjee P., Kundu B., De D. K.,Basu D. Orthopaedic applications of bone graft & graft substitutes: a review. Indian J Med Res, 2010;132:15-30.

Keramiskie materiāli kaula defektu rekonstrukcijai IITri-kalcija fosfāts (TCP)• Biosaderība ir līdzīga HA, taču TCP ievērojami ātrāk reabsorbējas

organismā• Cutright et al pētījumā ar dzīvnieku modeļiem konstatēja, ka 95% TCP

reabsorbējas jau 48 dienas pēc kaula defekta slēgšanas ar TCP kā arī novērojama izteikta kaulaudu ieaugšana un kaula smadzeņu remodelācija bojājuma vietā

• Tiek pielietotas HA un TCP kombinācijas kaula aizvietojošo materiālu izgatavošanā• Xia et al pētījumā ar dzīvnieku modeļiem tika salīdzinātas dažādas HA un TCP

proporcijas un noskaidrots, ka HA/TCP 60:40 un 20:80 piemīt līdzīgas kaula reģenerācijas un materiāla reabsorbcijas spējas

Nandi S. K., Roy S., Mukherjee P., Kundu B., De D. K.,Basu D. Orthopaedic applications of bone graft & graft substitutes: a review. Indian J Med Res, 2010;132:15-30.

Polimēri IKolagēns • Nozīmīgākais ekstracelulārās matrices struktūras proteīns• Kolagēna karkasu pielieto kaulu morfogēno proteīnu (BMP-1,2)

pārnesei uz kaula defektu (Hamilton et al, 2013)• Neraugoties uz izcilo bioaktivitāti, kolagēna karkasiem ir sliktas

biomehāniskās īpašības, tadejādi to pielietojums kaulu aizvietojošo materiālu izgatavošanā ir ierobežots

Citosans (Chitosan)• Lineārs polisaharīds, kas nonākot kontaktā ar asinīm strauji veido asins

recekļus, tādejādi nodoršinot hemostāzi smagas arteriālas asiņošanas gadījumā

Oryan A., Alidadi S., Moshiri A.,Maffulli N. Bone regenerative medicine: classic options, novel strategies, and future directions. J Orthop Surg Res, 2014;9(1):18.

Polimēri II• Citosana karkass kopā ar kalcija fosfātu nodrošina sabalansētu

mehānisko izturību un bioaktivitāti, tādejādi šī kombinācija tiek pielietota kaula aizvietojošo materiālu izgatavošanā (Nguyen et al., 2013)

Algināts (Alginate)• Polisaharīds, kas sastopams brūnaļģu šūnu sienās. Spēj strauji

absorbēt lielu ūdens daudzumu, kas 200-300x pārsniedz šķiedras masu.• Pielieto kopā ar kolagēnu (core-shell sistēma), lai nodrošinātu cilmes

šūnu transportu uz audu defektu (Perez et al., 2014)Oryan A., Alidadi S., Moshiri A.,Maffulli N. Bone regenerative medicine: classic options, novel strategies, and future directions. J Orthop Surg Res, 2014;9(1):18.

Polimēri III

Oryan A., Alidadi S., Moshiri A.,Maffulli N. Bone regenerative medicine: classic options, novel strategies, and future directions. J Orthop Surg Res, 2014;9(1):18.

Apkopojums par kaula aizvietojošajiem materiāliemRažotājs Nosaukums Sastāvs Pierādītais darbības

mehāismsPierādījumu līmenis

Synthes Norian® Ca fosfāts Osteokondukcija Klīniskie pētījumi

Orthovita Vitoss® 100% β-TCP un 80% β-TCP/20% kolagēns

Osteokondukcija Klīniskie pētījumi, gadījumu apraksti

Integra Accell Connexus® DBM Osteoindukcija, Osteokondukcija

Klīniskie pētījumi

Medtronic INFUSE® rhBMP-2 proteīns uz absorbējama kolagēna spondža

Osteoindukcija Klīniskie gadījumi

Stryker OP-1® rhBMP-7 ar 1. tipa kaula kolagenu

Osteoindukcija Klīniskie pētījumi

Wright Medical CELLPLEX® TCP Osteokondukcija Klīniskie gadījumi

Zimmer CopiOS® Vērša kauls Osteokondukcija Klīniskie gadījumi

Situācija šobrīd...

ChondroFiller®• Acelulāra natīva 1. tipa kolagēna matrice • Pielietojama locītavu skrimšļu defektu gadījumā (<3cm2)• Iespējams slēgt skrimšļa defektu artroskopiski, tādejādi mazāk

traumējot locītavu un saīsinot nepieciešamo rehabilitācijas laiku• Klīniskie pētījumi uzrāda labus rezultātus ceļa locītavas skrimšļa

defektu gadījumā

http://www.amedrix.de/index.php?option=com_content&view=article&id=20&Itemid=148&lang=en

Klīniskais gadījums

Vai tikai medicīniski apsvērumi?

http://blog.mediligence.com/2009/11/24/commercial-success-in-tissue-engineering-cell-therapy-and-transplantation/http://blog.mediligence.com/2010/06/24/orthopedic-and-spine-surgery-cell-therapy-and-tissue-engineering-manufacturers/

Paldies par uzmanību!