Биоактивные покрытия на металлических сплавах и стимуляция восстановления кости после перелома
https://doi.org/10.34215/1609-1175-2021-2-31-36
Аннотация
Представлен обзор данных литературы и собственных исследований авторов по молекулярно-клеточным механизмам остеоиндуктивных эффектов кальций-фосфатных соединений и их значению при сращении переломов. Применение титановых имплантатов с кальций-фосфатными и гидроксиапатитными покрытиями ведет к структурным преобразованиям костной ткани в межотломковой щели и активизации репаративных процессов. Эти события коррелируют с изменением экспрессии морфогенетических и апоптотических факторов на разных стадиях репаративного остеогенеза. Репаративный эффект кальций-фосфатных соединений можно оценить как сумму камбиальной активности CD44-реактивных мезенхимальных стволовых клеток и вторичного распространения повреждения – апоптоза клеток костного регенерата. Взаимосвязь этих процессов на каждом из этапов сращения перелома обеспечивают костные морфогенетические белки, сосудистый эндотелиальный фактор роста и трансформирующий фактор роста-β. Обсуждаются проблемные вопросы применения металлических сплавов с биорезорбируемыми покрытиями в лечении переломов длинных трубчатых костей.
Ключевые слова
репаративный остеогенез,
костные морфогенетические белки,
мезенхимальные стволовые клетки,
остеоиндукция,
апоптоз
При поддержке: научное исследование выполнено при финансовой поддержке грантов ФГБОУ ВО ТГМУ Минздрава России.
Об авторах
Р. Е. Костив
Тихоокеанский государственный медицинский университет
Россия
Россия
канд. мед. наук, доцент института хирургии
690002, г. Владивосток, пр-т Острякова, 2
Н. Ю. Матвеева
Тихоокеанский государственный медицинский университет
Россия
Россия
д-р мед. наук, заведующая кафедрой гистологии, эмбриологии и цитологии
690002, г. Владивосток, пр-т Острякова, 2
С. Г. Калиниченко
Тихоокеанский государственный медицинский университет
Россия
Россия
д-р мед. наук, профессор кафедры гистологии, эмбриологии и цитологии
690002, г. Владивосток, пр-т Острякова
Список литературы
1. Паюшина О.В., Старостин В.И., Хрущов Н.Г. Мультипотентные мезенхимные стромальные клетки: характеристика, потенции к дифференцировке и перспективы клинического использования. Биология стволовых клеток и клеточные технологии. М.: Медицина, 2009; Т.2:100–23.
2. Toosi S, Behravan J. Osteogenesis and bone remodeling: A focus on growth factors and bioactive peptides. Biofactors. 2020;46(3):326–40.
3. Clarkin CE, Gerstenfeld LC. VEGF and bone cell signalling: an essential vessel for communication? Cell Biochem Func. 2013;31:1–11.
4. Olivares-Navarrete R, Hyzy SL, Haithcock DA, Cundiff CA, Schwartz Z, Boyan BD. Coordinated regulation of mesenchymal stem cell differentiation on microstructured titanium surfaces by endogenous bone morphogenetic proteins. Bone. 2015;73:208–16.
5. Bolander J, Chai YC, Geris L, Schrooten J, Lambrechts D, Roberts SJ, Luyten FP. Early BMP, Wnt and Ca(2+)/PKC pathway activation predicts the bone forming capacity of periosteal cells in combination with calcium phosphates. Biomaterials. 2016;86:106–18.
6. Shirakura M, Kram V, Robinson J, Sikka S, Kilts TM, Wadhwa S, Young MF. Extracellular matrix mediates BMP-2 in a model of temporomandibular joint osteoarthritis. Cells Tissues Organs. 2017;204(2):84–92.
7. Matsubara H, Hogan DE, Morgan EF, Mortlock DP, Einhorn TA, Gerstenfeld LC. Vascular tissues are a primary source of BMP2 expression during bone formation induced by distraction osteogenesis. Bone. 2012;51:168–80.
8. Dole NS, Mazur CM, Acevedo C, Lopez JP, Monteiro DA, Fowler TW, et al. Osteocyte-intrinsic TGF-β signaling regulates bone quality through perilacunar/canalicular remodeling. Cell Rep. 2017;21(9):2585–96.
9. Balmayor ER. Targeted delivery as key for the success of small osteoinductive molecules. Adv Drug Deliv Rev. 2015;94:13–27.
10. Li D, Zhang K, Shi C, Liu L, Yan G, Liu C, et al. Small molecules modified biomimetic gelatin/hydroxyapatite nanofibers constructing an ideal osteogenic microenvironment with significantly enhanced cranial bone formation. Int J Nanomedicine. 2018;13:7167–81.
11. Albrektsson T, Johansson C. Osteoinduction, osteoconduction and osseointegration. Eur Spine J. 2001;10(Suppl 2):S96–101.
12. García-Gareta E, Coathup MJ, Blunn GW. Osteoinduction of bone grafting materials for bone repair and regeneration. Bone. 2015;81:112–21.
13. Fillingham Y, Jacobs J. Bone grafts and their substitutes. Bone Joint J. 2016;98-B(1 Suppl A):6–9.
14. Гнеденков С.В., Шаркеев Ю.П., Синебрюхов С.Л., Хрисанфова О.А., Легостаева Е.В., Завидная А.Г и др. Функциональные покрытия для имплантационных материалов. Тихоокеанский медицинский журнал. 2012;1:12-9.
15. Костив Р.Е., Калиниченко С.Г., Матвеева Н.Ю., Костив Е.П., Пузь А.В. Остеогенерирующие свойства кальций-фосфатного покрытия на сплаве титана TI-6AL-4V in vivo. Современные проблемы развития фундаментальных и прикладных наук. Материалы I Международной научно-практической конференции. 2016;33–6.
16. Cheng L, Ye F, Yang R, Lu X, Shi Y, Li L, et al. Osteoinduction of hydroxyapatite/beta-tricalcium phosphate bioceramics in mice with a fractured fibula. Acta Biomater. 2010;6(4):1569–74.
17. Калиниченко С.Г., Матвеева Н.Ю., Костив Р.Е., Пузь А.В. Сосудистый эндотелиальный фактор роста и трансформирующий фактор роста-β2 в костной ткани крыс при установке после перелома титановых имплантатов с биоактивными биорезорбируемыми покрытиями. Бюл. эксп. биол. и мед. 2016;162(11):626–31.
18. Nickel J, Mueller TD. Specification of BMP signaling. Cells. 2019;8(12):1579. doi: 10.3390/cells8121579
19. Матвеева Н.Ю., Костив Р.Е., Калиниченко С.Г., Пузь А.В., Плехова Н.Г. Динамика регенерации перелома бедренной кости крыс с применением титанового имплантата с поверхностно активным покрытием. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015;10–5:849–53.
20. Kalinichenko SG, Matveeva NY, Kostiv RE, Edranov SS. The effect of calcium phosphate biodegradable coatings of titanium implants on cell differentiation and apoptosis in rat bone tissue after experimental fracture. Biomed Mater Eng. 2021; 32(1):53–62.
21. Cardoso L, Herman BC, Verborgt O, Laudier D, Majeska RJ, Schaffler MB. Osteocyte apoptosis controls activation of intracortical resorption in response to bone fatigue. J Bone Miner Res. 2009;24(4):597–605.
22. Wang X, Kua H-Y, Hu Y, Guo K, Zeng Q, Wu Q, et al. p53 functions as a negative regulator of osteoblastogenesis, osteoblastdependent osteoclastogenesis, and bone remodeling. J Cell Biol. 2006;172(1):115–25.
23. Komori T. Cell death in chondrocytes, osteoblasts, and osteocytes. Int J Mol Sci. 2016;17(12):2045. doi: 10.3390/ijms17122045
24. Bock FJ, Tait SWG. Mitochondria as multifaceted regulators of cell death. Nat Rev Mol Cell Biol. 2020;21(2):85–100.
25. Li X, White G, Connolly C, Marsh D. Cell proliferation and apoptosis during fracture healing. J Bone Miner Res. 2002;17(5):791–9.
26. Dumic-Cule I, Peric M, Kucko L, Grgurevic L, Pecina M, Vukicevic S. Bone morphogenetic proteins in fracture repair. Int Orthop. 2018;42(11):2619–26.
27. Kalinichenko SG, Matveeva NY, Kostiv RE, Edranov SS. The topography and proliferative activity of cells immunoreactive to various growth factors in rat femoral bone tissues after experimental fracture and implantation of titanium implants with bioactive biodegradable coatings. Biomed Mater Eng. 2019;30(1):85–95.
28. Economou AD, Hill CS. Temporal dynamics in the formation and interpretation of Nodal and BMP morphogen gradients. Curr Top Dev Biol. 2020;137:363–89.
29. Beutel BG, Danna NR, Granato R, Bonfante EA, Marin C, Tovar N, et al. Implant design and its effects on osseointegration over time within cortical and trabecular bone. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2016;104(6):1091–7.
30. Aravamudhan A, Ramos DM, Nip J, Subramanian A, James R, Harmon MD, et al. Osteoinductive small molecules: growth factor alternatives for bone tissue engineering. Cur Pharm Des. 2013;19:3420–8.
31. Chen X, Wang Z, Duan N, Zhu G, Schwarz EM, Xie C. Osteoblastosteoclast interactions. Connect Tissue Res. 2018;59(2):99–107.
32. Grgurevic L, Christensen GL, Schulz TJ, Vukicevic S. Bone morphogenetic proteins in inflammation, glucose homeostasis and adipose tissue energy metabolism. Cytokine Growth Factor Rev. 2016;27:105–8.
33. Kowalczewski CJ, Saul JM. Biomaterials for the delivery of growth factors and other therapeutic agents in tissue engineering approaches to bone regeneration. Front Pharmacol. 2018;9:513. doi: 10.3389/fphar.2018.00513
34. Hyzy SL, Olivares-Navarrete R, Ortman S. Boyan BD, Schwartz Z. Bone morphogenetic protein 2 alters osteogenesis and antiinflammatory profiles of mesenchymal stem cells induced by microtextured titanium in vitro. Tissue Engineering: Part A. 2017;23(19, 20):1132–41.
35. Костив Р.Е., Калиниченко С.Г., Матвеева Н.Ю. Трофические факторы роста костной ткани, их морфогенетическая характеристика и клиническое значение. Тихоокеанский медицинский журнал. 2017;1:10–6.
36. Haumer A, Bourgine PE, Occhetta P, Born G, Tasso R, Martin I. Delivery of cellular factors to regulate bone healing. Adv Drug Deliv Rev. 2018;129:285–94.
37. Awale G, Wong E, Rajpura K, W-H Lo K. Engineered bone tissue with naturally-derived small molecules. Curr Pharm Des. 2017;23(24):3585–94.
38. Hankenson KD, Gagne K, Shaughnessy M. Extracellular signaling molecules to promote fracture healing and bone regeneration. Adv Drug Deliv Rev. 2015;94:3–12.
39. Jain A.P., Pundir S., Sharma A. Bone morphogenetic proteins: the anomalous molecules. J Indian Soc Periodontol. 2013;17(5):583–6.
40. Han QQ, Du Y, Yang PS. The role of small molecules in bone regeneration. Future Med Chem. 2013;5(14):1671–84.
Рецензия
Для цитирования:
Костив Р.Е., Матвеева Н.Ю., Калиниченко С.Г. Биоактивные покрытия на металлических сплавах и стимуляция восстановления кости после перелома. Тихоокеанский медицинский журнал. 2021;(2):31-36. https://doi.org/10.34215/1609-1175-2021-2-31-36
For citation:
Kostiv R.Ye., Matveeva N.Yu., Kalinichenko S.G. Bioactive coatings on metallic alloys and stimulation of bone repair after fracture. Pacific Medical Journal. 2021;(2):31-36. (In Russ.) https://doi.org/10.34215/1609-1175-2021-2-31-36
Просмотров:
266
Послать статью по эл. почте 