Bone Şal Modelleri 2018

ЭВОЛЮЦИЯ СКАФФОЛДОВ ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ КОСТНОЙ ТКАНИ

Выделяют четыре поколения материалов для трансплантации кости (рис. 1). Костные трансплантаты первого поколения, металлы и сплавы, имеют отличные механические свойства, но не биоактивны и не резорбируются. Продолжительность жизни этих трансплантатов ограничена, и, следовательно, их необходимо удалять и заменять хирургическим путем. К материалам второго поколения относят биоактивную керамику и рассасывающиеся полимеры. Полимерные скаффолды не обладают достаточной биологической активностью и требуемыми механическими свойствами, в то время как керамические скаффолды слишком хрупкие, чтобы их можно было использовать при больших нагрузках. Трансплантаты третьего поколения представлены композитными скаффолдами, которые сочетают в себе прочность, жесткость и остеокондуктивность керамики с гибкостью и способностью к резорбции полимеров. Трансплантаты четвертого поколения представляют собой полимер-керамические композитные скаффолды с включением остеогенных клеток, факторов роста (ФР) или костных морфогенетических белков отдельно или сочетанно (Yunus Basha et al., ).

Рис. 1.

Эволюция материалов для трансплантации кости.

Производство современных биокомпозитных скаффолдов представляет собой сложный процесс, учитывающий многие критерии – биосовместимость и низкую иммуногенность, механическую прочность, контролируемую биорезорбируемость, остеокондуктивность, остеоиндуктивность, определенные поверхностные свойства, пористость и в особенности васкуляризацию (Mohammadi et al., ).

Считается, что скаффолды должны способствовать образованию новой ткани без выраженных воспалительных и гистопатогенных реакций (Ivanov et al., ). Однако исследования показали, что в полностью инертных скаффолдах из полиуретана васкуляризация выражена весьма слабо (Laschke et al., ). Напротив, умеренная стимуляция воспаления активирует миграцию клеток и ангиогенез (Santos et al., ; Иванов, ). Следовательно, биосовместимость скаффолдов не подразумевает полного отсутствия воспалительного ответа (Santos et al., ).

Кроме того, трансплантат должен быть достаточно прочным для сдерживания гидростатического давления и механических нагрузок. Также показана зависимость продукции клетками внеклеточного матрикса от жесткости скаффолда (Correia et al., ).

Биодеградация скаффолда необходима для того, чтобы образовывался собственный внеклеточный матрикс. Трансплантат должен деградировать с контролируемой скоростью, создавая пространство для роста новой костной ткани. Продукты деградации не должны оказывать токсическое действие и вызывать воспаление. Предпочтительной считается поверхностная деградация, поскольку она позволяет поддерживать объемную структуру, обеспечивая более длительную механическую стабильность (Goonoo et al., ). Кроме того, скорость резорбции скаффолда должна меняться в зависимости от области применения; например, для хирургии позвоночника продолжительность резорбции составляет не менее 9 мес, для челюстно-лицевой хирургии – 3–6 мес. (Bose et al., ).

Костный трансплантат должен способствовать миграции и направлять рост и дифференцировку остеогенных клеток (Goonoo et al., ). Остеоиндуктивность – способность стимулировать дифференцировку экзогенных мультипотентных мезенхимных стромальных клеток (ММСК) или других клеток в остеогенном направлении, тем самым вызывая образование эктопической кости (Goonoo et al., ). На остеокондуктивность и остеоиндуктивность влияют кроме химического состава пористость, поверхностные свойства и нанотопография скаффолда (шероховатость и умеренная гидрофильность) (Goonoo et al., ).

Взаимодействие клеток с микроокружением и нанотопография определяют успех имплантации скаффолда. Использование нанотехнологий (микрожидкостные системы синтеза, 3D-биопечать и электроспиннинг) для изготовления структур на молекулярном уровне повышает функциональность скаффолдов (Mohammadi et al., ). Для улучшения адгезии клеток и белков внеклеточного матрикса, а также для ограничения адгезии и пролиферации бактерий применяют методы поверхностной нанокристаллизации, поверхностного структурирования посредством литографии, фототравления и анодирования (Lin et al., ).

Пористая структура естественной костной ткани, воспроизводимая в искусственных трансплантатах, создает благоприятные условия для заселения и роста экзогенных клеток, миграции собственных клеток и усиленной остеогенной дифференцировки. Кроме того, наличие пористой структуры играет важную роль в неоваскуляризации (Goonoo et al., ). Для создания пористых каркасов используют различные методы, такие как выщелачивание солей, газовое вспенивание и лиофилизация, 3D-биопечать и электроспиннинг. Выбор метода изготовления зависит исключительно от типа материала. Например, пористые скаффолды из биостекла, стеклокерамики и кристаллической керамики могут быть получены только путем процесса лазерного спекания (Karageorgiou, Kaplan, ).

Для регенерации большинства тканей решающее значение имеет создание функциональной сосудистой системы. В костях кровеносные сосуды не только служат источником кислорода и питательных веществ, но также обеспечивают поступление ионов кальция и фосфатов для минерализации. Недостаточная васкуляризация скаффолдов в конечном итоге приводит к нарушению формирования кости (Bose et al., ; Иванов и др., ). Для модулирования микрососудистой геометрии в скаффолдах и стимуляции васкуляризации предложены различные методы – микрожидкостные системы синтеза, электроспиннинг, биопринтинг и фотолитография (Pearlin et al., ).

Несмотря на бурное развитие методов получения скаффолдов с любыми заданными механическими свойствами, биологически инертные трансплантаты значительно уступают аутокости, что в первую очередь связано с тем, что регенерация дефекта кости представляет собой комплекс сложных, скоординированных по времени процессов, включающих в себя взаимодействие множества молекулярных, клеточных, биохимических и механических сигналов, среди которых васкуляризация и остеоинтеграция имеют особое значение (Cao et al., ).

Вышеупомянутые проблемы привели к разработке многофункциональных и биоактивных скаффолдов, которые способствуют ангио- и остеогенезу. Введение определенных биологически активных молекул в структуру скаффолда ускоряет процесс заживления и регенерации кости, повышая концентрацию препарата в месте имплантации и снижая при этом системную токсичность (Bagherifard, ). Среди наиболее распространенных биоактивных агентов отмечают антибиотики, противовоспалительные препараты, ФР, цитокины, ферменты и другие белки, а также гены, кодирующие ФР, в составе плазмидных и вирусных векторов или стволовых клеток (Cao et al., ) (рис. 2). Успешность применения скаффолдов определяется их способностью корректировать собственные регуляторные механизмы, обеспечивающие адекватное протекание всех этапов восстановления кости. В этой связи в качестве биологически активных компонентов скаффолдов наиболее часто используются аналоги гуморальных и клеточных факторов, участвующих в репаративной регенерации костной ткани.

Рис. 2.

Схема производства современных биоактивных композитных скаффолдов.

МЕХАНИЗМ РЕГЕНЕРАЦИИ КОСТНОЙ ТКАНИ

Процесс регенерации кости можно разделить на четыре последовательных этапа. Первый этап начинается с образования гематомы, за которым следует воспалительная фаза удаления потенциальных антигенов и посторонних агентов (Stroncek, Reichert, ). Содержащиеся в гематоме лейкоциты выделяют ряд провоспалительных цитокинов, пик продукции которых происходит в первые 24 ч после травмы и завершается в течение 1 нед. Провоспалительные цитокины – фактор некроза опухоли-альфа (TNF-α), интерлейкины (IL)-1, -6, и , макрофагальный колониестимулирующий фактор (M-CSF) и трансформирующий ФР-β (TGF-β) стимулируют ангиогенез, выработку эндотелиального ФР (EGF), а также дифференцировку остеобластов и остеокластов. ММСК мигрируют в область перелома из окружающих мягких тканей, костного мозга и с током крови (Marsell, Einhorn, ). Сгусток крови постепенно заменяется грануляционной тканью, решающую роль в этом процессе играют ФР эндотелия сосудов (VEGF) и ангиопоэтины (Bao et al., ). TGF-β, основной ФР фибробластов (FGF), тромбоцитарный ФР (PDGF, platelet-derived growth factor) и инсулиноподобный ФР-1 (IGF-1) способствуют образованию в грануляционной ткани первичной мозоли, состоящей из соединительной и хрящевой тканей (Marzona, Pavolini, ). Формирование мягкого каллуса происходит через 7–9 сут после травмы (Oryan et al., ).

Третий этап характеризуется дальнейшей клеточной пролиферацией и дифференцировкой, уплотнением и минерализацией межклеточного матрикса (Oryan et al., ). Происходит окостенение соединительнотканных (интрамембранозная оссификация) и хрящевых (энхондральное окостенение) элементов первичной мозоли, которая замещается твердым каллусом. Значительную роль в этом процессе играют белки семейства Wnt. В резорбции хряща принимают участие M-CSF, лиганд рецептора-активатора ядерного фактора каппа-В (RANKL), остеопротегерин и TNF-α (Ai-Aql et al., ).

Конечной стадией заживления кости является фаза ремоделирования, когда M-CSF и RANKL опосредуют активность макрофагов и остеокластов для резорбции остатков твердых тел (Ai-Aql et al., ). Эти фазы способствуют формированию полностью перестроенной кости, которая структурно и функционально подобна нативной кости. Процесс ремоделирования осуществляется при поддержании баланса резорбции остеокластами твердой костной мозоли и пластинчатым осаждением кости остеобластами. Этот процесс начинается уже на 3–4-й нед., однако может продолжаться годами до полной регенерации (Mohammadi et al., ) (рис. 3).

Рис. 3.

Цитокины и факторы роста, принимающие участие в различных этапах регенерации кости. RANKL – Лиганд рецептора-активатора ядерного фактора каппа-В, OPG – остеопротегерин, M-CSF – макрофагальный колониестимулирующий фактор, TNF-α – фактор некроза опухоли-альфа, IL – интерлейкин, TGF-β – трансформирующий фактор роста-β, IGF-1 – инсулиноподобный фактор роста-1, PlGF – плацентарный фактор роста, PTH – паратиреоидный гормон, SDF-1 – фактор стромальных клеток-1, VEGF – эндотелиальный фактор роста сосудов, BMP – костный морфогенетический белок, FGF – фактор роста фибробластов, PDGF – тромбоцитарный фактор роста, MSCs – мезенхимальные стволовые клетки, Wnt – семейство сигнальных белков, GDF – фактор роста и дифференцировки, Ang – ангиопоэтин, CCL – фактор хемотаксиса моноцитов семейства CC-хемокин.

ФАКТОРЫ, СТИМУЛИРУЮЩИЕ ОСТЕОГЕНЕЗ И ВАСКУЛЯРИЗАЦИЮ

Важность кровеносных сосудов в образовании скелета и в восстановлении кости определили еще в XVIII в. (Kanczler, Oreffo, ). Тем не менее, исследование остеогенеза в течение следующего столетия было сосредоточено в основном на роли и функции остеобластов. В г. Труерта с коллегами предположили существование сосудистого стимулирующего фактора, который высвобождается в области перелома (Kanczler, Oreffo, ). Более глубокое понимание молекулярных и клеточных процессов, организующих ангиогенный каскад, может помочь разработать новые методы лечения травмы костей, особенно в клинических ситуациях с ограниченной ангиогенной реакцией организма при больших дефектах костей или переломах с обширной травмой мягких тканей.

Ключевые факторы, необходимые для васкуляризации, включают в себя ФР эндотелия сосудов (VEGF, vascular endothelial growth factor), семейство трансформирующего ФР (TGF-β, BMP-2, BMP-7 и BMP-9), FGF, плацентарный ФР (PlGF, placental growth factor), RANKL, ФР гепатоцитов (HGF, hepatocyte growth factor), PDGF, семейство инсулиноподобных факторов роста, ангиопоэтины (ANG 1 и 2, angiopoietin), бигликаны, эндотелин-1 и нейротрофины (Kanczler, Oreffo, ; Pearlin et al., ) (табл. 1).

Важнейшим условием при разработке скаффолдов с контролируемой системой доставки является выбор одного или более ФР для максимального улучшения регенерации костной ткани. В табл. 1 представлены основные ФР и другие белки, принимающие участие в регенерации кости. Подробный обзор вклада различных ФР можно найти в обзоре Каналис c соавторами (Canalis et al., ).

Различные ФР изучены в доклинических и клинических испытаниях (Mohammadi et al., ). Члены семейства трансформирующего ФР (TGF-β, активины, факторы дифференцировки роста, BMP и их различные изоформы) играют важную роль в эмбриональном развитии, морфогенезе, пролиферации и дифференцировке клеток (Vo et al., ). Известно, что TGF-β влияет на метаболизм остеопрогениторных клеток, модулирует воспалительный ответ и способствует ангиогенезу (Kim et al., ). IGF способствует пролиферации, минерализации и миграции остеопрогениторных клеток (Matsuda et al., ).

Семейство BMP, в частности BMP-2, BMP-4 и BMP-7, являются наиболее широко изученными остеогенными молекулами для индукции образования кости de novo, включая дефекты трубчатых костей критического размера (Vo et al., ). Есть данные, свидетельствующие о том, что применение BMP на различных моделях костных дефектов у животных приводит к увеличению в –50 раз костной массы и улучшению регенерации (Gothard et al., ). FDA одобрило использование BMP-2 при острых открытых переломах большеберцовой кости, поскольку большие многоцентровые рандомизированные исследования подтвердили его эффективность при переломах длинных трубчатых костей (Mohammadi et al., ). Продолжительное высвобождение BMP-2 способствует клеточной инфильтрации скаффолда и соответственно остеогенезу (Bagherifard, ). Исследования подтвердили зависимость регенерации от типа доставки и дозы BMP Кроме того, BMP-2 стимулирует ангиогенез, что также в значительной степени увеличивает скорость заживления кости (Bagherifard, ) (табл. 2).

Ангиогенез регулируется в основном такими ФР, как VEGF, PDGF, FGF и IGF. Исследования ангиогенных факторов для стимуляции регенерации костной ткани в основном фокусировались на роли VEGF в васкуляризации и миграции остеогенных клеток. Показано, что адресная доставка VEGF в область дефекта увеличивает плотность кровеносных сосудов и стимулирует регенерацию кости у кроликов и крыс (Vo et al., ). Недавние исследования показали, что комбинированная доставка VEGF с остеоиндуктивными ФР синергически усиливает остеогенез (Vo et al., ).

В табл. 2 представлены результаты исследований применения различных ФР в биоактивных композитных скаффолдах in vivo при больших дефектах длинных трубчатых костей у животных и человека. В последние годы выявлены новые ангиогенные факторы, которые секретируются остеобластами. Так, идентифицирован фактор DJ-1, продуцируемый ММСК человека (Kim et al., ), который индуцирует прямой ангиогенный ответ посредством активации FGF и косвенно регулирует ангиогенез путем повышения продукции VEGF остеобластами. Кроме того, DJ-1 стимулирует дифференцировку ММСК, а экзогенное введение DJ-1 улучшает регенерацию костных дефектов у грызунов.

Провоспалительные цитокины и ФР, включая TNF-α, IL, интерферон-γ и простагландины, стимулируют миграцию и дифференциацию остеобластов и остеокластов (Vo et al., ). Кроме того, их высвобождение активирует вторичный сигнальный каскад, необходимый для усиления ангиогенеза и восстановления кости. Для направленного прорегенеративного и прорезорбтивного действия воспалительных агентов, ряд исследователей предлагают также включать в скаффолды контролируемое высвобождение иммуномодулирующих и противовоспалительных агентов, таких как пептидные факторы, кортикостероиды и нестероидные противовоспалительные препараты (Vo et al., ) (табл. 2).

Поскольку повреждение кости связано с системным физиологическим ответом, важная роль в остеогенезе и ангиогенезе принадлежит системным регуляторам минерального обмена, таким как паратиреоидный гормон (ПТГ), гормон роста, стероиды, кальцитонин и витамин Д (Vo et al., ). Хотя механизм их влияния на остеогенную активность не изучен полностью, исследования показали, что периодическое действие ПТГ может стимулировать образование костей у крыс и людей. Введение кальцитонина и витамина Д также может усиливать ограниченное формирование кости и дифференцировку остеобластов (Vo et al., ).

Несмотря на явный потенциал и наличие методов, позволяющих производить факторы роста высокой чистоты в больших количествах, их применение при лечении переломов костей все еще значительно ограниченно. Системное введение ФР малоэффективно и может представлять опасность из-за нестабильности белка, неравномерного распределения in vivo и возможных нежелательных побочных эффектов. Требуется тщательное дозирование ФР, поскольку высокая доза и неконтролируемое высвобождение могут приводить к аномальному формированию костей и сосудов, фиброзу костного мозга, остеолизу, почечной недостаточности и экстрамедуллярному гемопоэзу (Кузнецова и др., ; Stegen et al., ; Bagherifard, ). Кроме того, при системном введении существует теоретическая опасность стимуляции канцерогенеза (Pountos et al., ).

Для разработки оптимального скаффолда требуются сохранение биоактивности ФР и контролируемое их высвобождение локально в оптимальной концентрации в течение необходимого периода времени (Кузнецова и др., ). Предложены различные стратегии доставки ФР в скаффолд. Возможно прямое включение за счет ковалентного или нековалентного связывания с полимером скаффолда или доставка с обогащенной тромбоцитами плазмой (PRP, platelet rich plasma), однако данный метод не позволяет контролировать процесс высвобождения ФР (Luginbuehl et al., ).

Возможно включение в состав скаффолда микрочастиц (микросферы, липосомы, гидрогели, наночастицы и нановолокна) (Luginbuehl et al., ), которые позволяют регулировать скорость резорбции. Однако есть ограничения при обработке скаффолдов, т.к. растворители и высокая температура разрушают микрочастицы.

Одним из подходов, который отвечает основным требованиям, необходимым для регенерации костей (остеокондуктивность и остеоиндуктивность), является использование скаффолдов, содержащих различные остеогенные клетки. Проведены успешные исследования биоактивных скаффолдов с добавленными in vitro культурами эндотелиальных клеток и ММСК (Park et al., ; Wang et al., a). Показано, что ММСК модулируют иммунный ответ за счет секреции противовоспалительных цитокинов, таких как простагландины, оксид азота и IL, и подавления Т-клеточного ответа (Almubarak et al., ).

Методы тканевой инженерия позволяют использовать как соматические, так и стволовые клетки (D’Mello et al., ). В отличие от стволовых, соматические клетки обладают ограниченной потенцией, не обладают способностью к самообновлению и образуют только один тип клеток. В результате большая часть исследований сосредоточена на использовании ММСК, которые получают из жировой ткани, костного мозга, пуповины и зубов (зубная пульпа и периодонтальные связки). Эти клетки способны дифференцироваться в клетки костной ткани под влиянием соответствующих стимулов. Генетически модифицированные ММСК можно культивировать для получения различных комбинаций ФР, таких как FGF и VEGF, BMP-2 и BMP-7, а также VEGF и BMP-4 (D’Mello et al., ).

Проведены исследования различных материалов для культивирования клеток. При применении скаффолдов на основе фосфатов, гидроксиапатита и демиелинизированной кости наблюдали лучшие результаты по сравнению с бычьей губчатой костью (Huan, Chang, ; Verboket et al., ). Максимальный рост клеток и остеогенную дифференцировку отмечали при использовании демиелинизированной кости (Huan, Chang, ).

Появление 3D-печати позволило значительно расширить возможности включения в состав полимерных и керамических скаффолдов различных материалов, выступающих в качестве носителей биологически активных веществ. В г. Донг с соавторами методом 3D-печати получили скаффолд из поликапролактона в сочетании с чувствительными к температуре гидрогелем на основе хитозана и ФР (BMP-2) (Dong et al., ). При его трансплантации отмечали более высокую степень пролиферации, улучшенную адгезию ММСК, более эффективный остеогенез и формирование костной матрицы.

Еще одним активно изучаемым материалом стало биоактивное боратное стекло из-за его способности усиливать ангиогенез. Скаффолд из 3D-биоактивного стекла в сочетании с поликапролактоном, заселенный ММСК из жировой ткани, показал потенциальное улучшение остеогенеза in vitro (Murphy et al., ). Добавление мезопористого биологически активного стекла в скаффолд также привело к повышенной пролиферации костных стволовых клеток, адгезии, экспрессии остеогенных маркеров и увеличению образования костной ткани после трансплантации in vivo (Qi et al., ).

Несмотря на значительное количество успешных доклинических исследований применения ММСК в регенерации кости (табл. 3), существует ряд проблем, ограничивающих дальнейший переход в клинику: низкая выживаемость после имплантации, высокая стоимость культивирования, риск малигнизации и этические проблемы (Vo et al., ; Mohammadi et al., ). Чтобы увеличить продолжительность жизни клеток, которая напрямую зависит от васкуляризации, предложены методы совместной трансплантации ММСК с ангиогенными клетками, такими как эндотелиальные стволовые клетки (Zigdon-Giladi et al., ). Для получения достаточного количества клеток требуется несколько недель, что значительно увеличивает срок до проведения операции по замещению дефекта кости. Имеются свидетельства того, что в ходе этого процесса ММСК могут накапливать генетические мутации (Verboket et al., ).

ГЕННОАКТИВИРОВАННЫЕ СКАФФОЛДЫ

Генная терапия позволяет осуществлять доставку необходимых для регенерации кости ФР и других белков посредством переноса нуклеиновых кислот в соматические клетки. Преимущество непрямой доставки заключается в том, что соответствующие концентрации остеогенных ФР стабильно создаются в конкретном участке. Показана возможность использования различных векторов для непрямой доставки ФР, таких как генетически модифицированные клетки или векторы с химически модифицированной РНК/ДНК (вирусные и невирусные), для естественного высвобождения ФР (Wang, Wang, ). Существуют две основные стратегии генной терапии для регенерации костной ткани. Как обсуждалось ранее, генная терапия на основе клеток включает в себя введение в организм генетически модифицированных клеток, несущих терапевтические гены. Более простой подход заключается в использовании прямой генной терапии, при которой терапевтические гены доставляются в организм с помощью вирусных или невирусных векторов. Эффективность прямой генной терапии для восстановления кости продемонстрирована с различными векторами на разных видах животных (табл. 3).

Необходимым фактором генной терапии является разработка систем доставки, способных преодолеть клеточные барьеры для эффективной трансфекции клеток in vivo (Malafaya et al., ). Вирусные и невирусные векторы имеют определенные недостатки. Вирусопосредованная доставка использует внутреннюю инфекционную способность аденовирусов, адено-ассоциированных вирусов (AAV) и ретровирусов, таких как лентивирус, для эффективной доставки генов (Vo et al., ). Вирусные векторы обладают иммунологическими рисками, ограниченным тропизмом и ограничением на размер введенного трансгена (Vo et al., ). Контролируемая доставка генов с использованием невирусных векторов включает в себя доставку ДНК в клетки либо напрямую, инъекцией, либо в натуральных или синтетических полимерных комплексах – липосомах (Vo et al., ). Эффективность невирусных систем трансфекции и соответственно уровень экспрессии трансгена низкие. С другой стороны, они обладают небольшой иммуногенностью, не имеют ограничений по размеру генов и просты в обращении, что делает их пригодными для массового производства.

Имплантированные скаффолды с генноактивированной матрицей в своем составе облегчают экспрессию генов и производство белка в течение длительного периода времени, тем самым стимулируя остеогенез и восстановление кости (Fang et al., ; Bonadio et al., ; Geiger et al., ; Endo et al., ; Keeney et al., ; Zhang et al., ). Локализованная генная терапия снижает системную токсичность, возникающую в результате демпинга дозы, который может возникать при прямой доставке ФР (D’Mello et al., ). Производить in vitro плазмидную ДНК в больших количествах относительно просто и экономично по сравнению с производством белка (D’Mello et al., ). Однако отсутствие доклинических испытаний на крупных животных вследствие высокой стоимости и трудоемкости продолжает оставаться серьезным барьером для клинических исследований. Кроме того, не исключена пока токсичность самих частиц для человека. Таким образом, необходимы дополнительные исследования для оценки иммунных и воспалительных реакций, возникающих при имплантации скаффолдов, содержащих плазмиды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие тканевой инженерии способствует появлению альтернативных подходов к восстановлению костной ткани, которые потенциально могут повлиять на повседневную клиническую практику. Представленные данные литературы позволяют заключить, что на сегодняшний день методы тканевой инженерии позволяют создавать скаффолды, которые не уступают, а по ряду характеристик и превосходят ауто- и аллотрансплантаты костной ткани.

Эволюция скаффолдов для стимуляции регенерации костной ткани характеризуется постепенным смещением акцентов от оптимальных биомеханических и остеоиндуктивных характеристик у недеградируемых имплантатов к биорезорбции и остеиндуктивным свойствам, позволяющим активировать естественные репаративные процессы костей. Современные скаффолды для костной ткани являются многокомпонентными трехмерными системами, сочетающими высокую биомеханическую прочность, оптимальную геометрию, включая большое соотношение площади поверхности к объему, с биосоместимостью и способностью к биорезорбции с определенной скоростью. Изготовление таких скаффолдов требует иерархического проектирования от нано- до микроструктурного уровня для имитации костной матрицы и создания платформ, которые можно было бы фиксировать в зоне дефекта. Сочетание нанотехнологий с другими технологиями производства, такими как компьютерные методы изготовления и биообработки материала, обеспечивает возможность создания скаффолдов, обладающих требуемыми физико-химическими свойствами, из неорганических, природных и синтетических материалов в различных конфигурациях.

Характерным признаком современного этапа развития технологий получения скаффолдов является использование разнообразных биологически активных компонентов. Результаты исследований физиологических и репаративных механизмов остеогенеза позволяют выделить ряд ключевых регуляторов для использования при создании скаффолдов. Кроме того, следует отметить, что в рамках данного направления уже в течение многих лет разрабатывается концепция терапевтического ангиогенеза. Как обсуждалось в настоящем обзоре, доклинические данные указывают на то, что локальная доставка ангиогенных ФР коррелирует с положительным результатом регенерации костей. На сегодняшний день среди ангиогенных и остеогенных факторов роста наиболее часто в состав скаффолдов включаются молекулы семейств BMP, VEGF и FGF. Вместе с тем исследование других факторов, обеспечивающих функциональные взаимосвязи ангио- и остеогенеза, в том числе цитокинов и микроРНК, может помочь в разработке новых методов лечения, а идентификация наиболее эффективного фактора или комбинаций факторов роста и их профилей высвобождения в разных дефектах костей может повысить остеоиндуктивность in vivo.

Идеальный скаффолд для поддержания роста кости должен обеспечивать устойчивое высвобождение ФР и ангиогенных факторов. В литературе имеется целый комплекс современных исследований технологий адресной доставки биологически активных веществ скаффолдами, которые посвящены решению проблем, связанных с пространственно-временны́м высвобождением ФР, долговечностью, биоактивностью и кинетикой их высвобождения. Данные литературы свидетельствуют о том, что использование композитных скаффолдов, содержащих различные биоматериалы, гидрогели и полимеры, позволяет осуществлять успешную доставку и долгосрочную активность ФР.

Альтернативным вариантом создания высоких концентраций ФР в зоне имплантации скаффолдов является генная терапия с использованием вирусных/невирусных векторов и стволовых клеток. Эффективность генной терапии продемонстрирована с различными векторами на различных животных моделях, что обусловливает перспективы ее использования для доставки ФР in vivo. Однако использование технологий генной терапии требует дальнейшего поиска более безопасных и эффективных средств доставки, а также новых остеогенных генов. Применение стволовых клеток, в том числе предварительно дифференцированных популяций остеогенных клеток, повышает терапевтическую эффективность скаффолдов. Данные ряда авторов демонстрируют хорошие результаты применения биоактивных скаффолдов с генетически модифицированными ММСК (продуцирующими различные комбинации ФР) для стимуляции регенерации костной ткани в эксперименте (Park et al., ; Wang et al., a; D’Mello et al., ). Дальнейшее понимание механизмов формирования костей при использовании различных видов клеток и идентификация новых источников клеток позволят усовершенствовать технологии регенерации костной ткани.

Разработки в области тканевой инженерии имеют многочисленные ограничения, некоторые из которых уже решаются к этому времени, а многие другие еще должны быть решены. Ожидается, что тенденции в развитии генной инженерии, связанные с использованием новаторских технологий производства соответствующих платформ для создания комбинированных биоактивных скаффолдов, позволят значительно снизить финансовое и социальное бремя болезней, уменьшить частоту хирургических осложнений, сократить время госпитализации, минимизировать цитотоксичность и побочное действие, обеспечивая своевременное индивидуальное лечение. Наиболее перспективные результаты могут быть достигнуты при разработке мультидисциплинарных подходов, которые интегрируют биологические и инженерные разработки в тесном сотрудничестве с материаловедами, клиницистами и инженерами.