Запчасти при рождении нам не выдают. Регенерация мягких тканей происходит достаточно быстро, но как быть, когда необходимо восстановить кость? Оказывается, использовать имплантаты – искусственные заменители кости – медицина начала ещё до нашей эры.

На территории современного Гондураса, в районе плато Де Лос Муэртос, найден фрагмент нижней челюсти инка (VI в. до н.э.) с тремя дентальными имплантатами из панциря морских мидий. В провинции Шантамбре (Франция) обнаружен череп женщины, жившей в I в. н.э., с металлическим имплантатом в лунке клыка верхней челюсти.

Фасовка и упаковка препарата Гамалант-паста-Форте для заполнения костных дефектов

Человеческий организм воспринимает любое инородное тело как враждебное. И в наши дни до 35 процентов имплантатов, применяемых в травматологии, отторгается. А это означает – сильные боли у пациентов, повторные операции. Наша костная ткань состоит в основном из нанокристаллов гидроксиапатита (65 процентов) и коллагена (25 процентов). В ней также присутствуют специализированные клетки и белки – факторы роста. Каким же образом можно повысить биосовместимость имплантатов? Сделать их максимально похожими на костные ткани человека. Эту задачу учёные и врачи пытаются решить не одно десятилетие, используя самые разные подходы. Технологию принципиально нового уровня предложили биотехнологи из ФГБУ «НИИЭМ им. Н. Ф. Гамалеи» Минздравсоцразвития России.

Институт Гамалеи славится своими передовыми разработками. Всемирно известный вирусолог и иммунолог Лев Зильбер, открывший вирус клещевого энцефалита, создал здесь свою вирусо-генетическую теорию происхождения рака, заложившую основы современной онкоиммунологии. Ведущий специалист в области иммуногематологии, член-корреспондент РАМН Александр Фриденштейн, работая здесь, открыл стромальные стволовые клетки костного мозга. Его исследования в области восстановления костной ткани и трансплантации помогли создать отечественные технологии остеопластических материалов.

Справка STRF.ru:

Институт Гамалеи выполнял роль головной организации в работе по созданию имплантатов нового поколения, которая проводилась в рамках инициированного Минобрнауки проекта «Разработка опытно-промышленных технологий получения гидроксиапатит/коллагеновых композиционных препаратов/покрытий имплантируемых материалов» по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы». По условиям контракта, учёным было выделено 140 миллионов рублей и отведено 3 года на выполнение работ

Материалы нового поколения

Принципиальная новизна имплантационной технологии, разработанной в институте Гамалеи, заключается во введении в состав имплантируемого композиционного материала белков – факторов роста и регенерации костной ткани, а также в создании металлических имплантатов, поверхность которых способствует удержанию биопокрытия, максимально приближенного по составу к костной ткани, также содержащего факторы роста. Благодаря факторам роста костной ткани, имплантат не просто служит опорой, на которой нарастает кость, но сам по себе становится активным началом, инициирующим формирование костной ткани.

Винт для транспедикулярной фиксации позвоночника
с нанесённым композитным препаратом/покрытием

Препаратов такого рода до сегодняшнего дня в нашей стране не производилось. Факторы роста костной ткани были получены на основе генно-инженерного подхода в лаборатории биологически активных наноструктур института Гамалеи под руководством Владимира Лунина. В США препараты, содержащие факторы роста и регенерации костной ткани, разрешены к применению с 2002 года. До сих пор в этой области наблюдалось существенное отставание нашей страны, поскольку в списке важнейших на сегодняшний день инноваций для медицины костные морфогенетические белки находятся на первых позициях.

Наряду с лабораторией Лунина в работе участвовали соисполнители. Основу имплантатов – наноструктурный титан – изготавливали в Уфимском государственном авиационно-техническом университете (УГАТУ). На сегодняшний день чистый титан – самый перспективный и широко используемый материал для имплантации. Теоретически можно повышать его прочность за счёт сплавов с никелем и другими металлами, но эти сплавы уже оказываются токсичными для организма. Поэтому повышения прочности достигают при помощи нанотехнологий, которые позволяют менять структуру титана, измельчая зерно металла до наноразмеров, и создают эффект дамасской стали. Только наноструктурный титан не куют, а волочат и прокатывают. В результате титановое изделие можно делать очень тонким, но при этом оно сохраняет свою прочность. Это важно, к примеру, для дентальных имплантатов: зубы испытывают большие нагрузки, и поскольку челюсть тонкая, то большой винт туда «не загонишь». А помимо прочности, титан – достаточно лёгкий металл, что особенно важно, когда имплантат остаётся в организме на всю жизнь.

Далее из наноструктурного титана в УГАТУ изготавливают прецизионные титановые прутки с выверенной геометрией, из которых на московской фирме ЗАО «Конмет» производят стоматологические имплантаты. Поверхность имплантатов подвергают пескоструйной обработке для создания рельефа.

Сотрудники фирмы ИНТЦ «Искра» из Уфы в тесном взаимодействии с уфимскими хирургами – специалистами по лечению травм и заболеваний позвоночника – разработали оригинальную модель титановых имплантатов для травматологии и ортопедии – устройство для коррекции и фиксации позвоночника. Само приспособление, представляющее собой набор винтов и спиц, которые можно соединять в различные конструкции в зависимости от травмы или заболевания конкретного пациента, производится на подмосковном предприятии НПО «Деост», в Пущино-на-Оке. В Белгородском государственном университете (БелГУ) поверхность одного из винтов – винта для транспедикулярной фиксации – специальным образом модифицируют, придавая ей особые свойства. После этого на имплантат наносят биопокрытие, которое как раз и составляет ключевое звено технологии.

Как повысить биосовместимость?

«Когда мы начали эти исследования, – рассказывает Владимир Лунин, – из литературы было ясно, что перед нами стоят сразу три задачи по созданию поверхности, оптимальной для принятия её человеческим организмом. Во-первых, поверхность имплантата гидрофобна, то есть необходимо обеспечить её смачиваемость. Во-вторых, она заряжена отрицательно, что тоже плохо, потому что клетки ткани также имеют отрицательный заряд. Происходит двойное отталкивание клеток человеческого организма от такой поверхности имплантата – в силу несмачиваемости и одинакового заряда. И третье – это создание определённого рельефа, то есть поверхность не должна быть гладкой».

Композиционный препарат Гамалант-паста-Форте, близкий по свойствам к костной ткани человека, предназначен для заполнения костных дефектов и нанесения на имплантируемые материалы

Швейцарская фирма Straumann, ведущий производитель дентальных имплантатов в мире, в своих рекламных проспектах демонстрирует гидрофильность поверхности имплантата. До обработки специальным препаратом винт «выдавливает» воду при погружении, а после обработки гидрофильный винт подтягивает воду наверх, подобно тому, как впитывает воду лист бумаги, опущенный в неё одним концом. Швейцарским разработчикам удалось сделать имплантат, который демонстрирует «подъём» жидкости на 10 мм. В презентации, представленной комиссии из Минобрнауки, показан винт для фиксации позвоночника с поверхностью, обработанной по технологии МДО, разработанной специалистами из БелГУ. Так вот, нашим учёным удалось создать имплантат, обеспечивающий «подъём» жидкости на 30 мм. А это серьёзное достижение, конкурирующее с мировыми производителями имплантатов.

Изменение поверхностных свойств материалов активно используется в современных технологиях. К примеру, аналогичный эффект смачивания поверхности внедряет фирма Toyota при изготовлении стёкол для автомобилей. Благодаря созданию гидрофильной плёнки, вода растекается по стеклу, и на его поверхности не образуются капли. Но тут задача несколько иная – создать большую гладкую поверхность, а имплантат, в отличие от автомобильных стёкол, должен быть максимально шероховатым, чтобы клеткам организма было за что «зацепиться». Тут действует принцип «шарик – в лунку». Клетка имеет размер около 20 мкм, поэтому ячейки на поверхности титана должны иметь чуть больший диаметр, чтобы клетка могла туда «заползти» и «сесть».

Основой технологии изготовления гидрофильной и шероховатой поверхности титановых имплантатов служит электролитическая обработка поверхности в растворах, содержащих один из основных компонентов кости – гидроксиапатит. Этот метод адаптирован для разработанных в проекте имплантатов специалистами БелГУ, он называется МДО – микродуговое оксидирование. При такой обработке атомы гидроксиапатита проникают внутрь структуры титана. Создаётся градиент: поверхность имплантата практически полностью состоит из гидроксиапатита, глубже начинают преобладать атомы титана. За счёт градиентной структуры поверхность получается очень прочной: не происходит «слущивания» поверхностного слоя при ввинчивании в кость. Это технологическое решение обеспечивает не только высокую гидрофильность (смачиваемость) материала, но и решает проблему заряда – такая поверхность не заряжена – и проблему биосовместимости, ведь для костной ткани гидроксиапатит – «родной» материал. Решается также проблема прикрепления клеток организма, «строящих» кость, к поверхности имплантатов и проблема срастания новообразованной кости с имплантатом. При электролизе на поверхности имплантата образуются пузырьки кислорода, способствующие формированию пористой структуры, которая представляет собой идеальный рельеф для взаимодействия имплантата с клетками и костью.

Костный белок производят бактерии

В костной ткани человека содержится 20 костных морфогенетических белков, благодаря которым формируется наш скелет.

«Но мы не можем воспроизвести природу полностью,– поясняет главный научный сотрудник лаборатории Анна Карягина. – Невозможно сделать 20 рекомбинантных белков – точно таких же, как синтезируются в организме человека, смешать из них “коктейль”, “посадить” на нужные места в кости и “запечатать” нужным образом».

Учёные моделируют основной механизм, который позволяет организму быстро запустить процессы регенерации и «поставляет» в место травмы уже готовый строительный материал на основе одного рекомбинантного белка, аналогичного человеческому.

Хроматографические колонки, используемые при
очистке препаратов белка

«При переломе кости происходит перераспределение плотности костной ткани вокруг перелома, – объясняет Анна Карягина. – Из соседних косточек в область перелома переносится строительный материал, и через некоторое время место перелома может стать крепче, чем соседние участки кости. При переломе руки, к примеру, даже замедляется скорость роста ногтей. Мы же привносим извне к месту травмы качественный строительный материал, который сразу может использоваться организмом».

В нашей стране в большом количестве производятся препараты на основе рекомбинантных интерферонов. В отличие от генно-модифицированных пищевых продуктов, которые до сих пор вызывают негативное отношение общественности, этим препаратам повезло больше, и они широко вошли в медицинскую практику. Для производства факторов роста костной ткани, как и для производства интерферонов, биотехнологи используют бактерии. Благодаря встроенному человеческому гену, эти микроорганизмы начинают синтезировать белок, аналогичный тому, который образуется в нашем организме. Попадая в человеческий организм, такой белок распознаётся как «свой» и наряду с собственными белками включается в состав кости. Ростовые факторы способствуют дифференциации мезенхимальных стволовых клеток, открытых в своё время А. Я. Фриденштейном. Они способствуют росту, мобилизации из других клеток кальция и фосфора и ускоряют прорастание сосудов. Таким образом, слой композиционного покрытия, нанесённого на имплантат, используется как приманка для клеток организма и как строительный материал для выращивания собственной кости.

Медико-биологические исследования разработанных препаратов и имплантатов с нанесённым кальций-фосфатным покрытием проводились на крысах и других лабораторных животных. В частности, в большеберцовой кости крысы проделывали отверстие, в которое помещали имплантат с покрытием. В контрольном эксперименте применяли имплантат без покрытия. Во всех опытах с кальций-фосфатным покрытием врастание имплантата в кость происходило гораздо быстрее, имплантаты удерживались в кости сильнее.

Тут стоит упомянуть об условиях содержания лабораторных животных. Виварий в институте Гамалеи – один из лучших в нашей стране, он даже сертифицирован по европейскому стандарту. Каждое животное здесь содержится в отдельной клетке, присутствует автоматическая система питания и поддержания всех оптимальных условий жизни. Так что живут они там чуть ли не лучше, чем сотрудники лабораторий. Хотя и сотрудники здесь окружены не меньшей заботой. В уютной столовой стоит холодильник, лично пополняемый заведующим лабораторией на радость всему коллективу.

Главная задача – привлечь специалистов

Сейчас в штате лаборатории работает 46 человек. Каждый из них – узкий специалист в своей области. А все вместе они, по словам заведующего, «могут решать любые задачи в любые сроки».

Отчётность по проекту Минобрнауки.
Отчёт по каждому этапу оформлялся в трёх экземплярах,
каждый из которых весил от 5 до 11 килограммов;
в отчётность также входит документация от
соисполнителей, которых в проекте было
семь

Именно в учёных российская наука сегодня испытывает дефицит.

«Если в 90-е годы был избыток невостребованных научных сотрудников,– говорит Владимир Лунин,– и при этом не хватало ни реактивов, ни оборудования, ни площадей, то сейчас ситуация меняется на противоположную. Реактивы и оборудование стоят сравнительно дёшево, а вот людей, которые могли бы это всё организовать, построить технологические цепочки, сделать единый технологический процесс по изучению чего-либо, остро не хватает».

В лаборатории Лунина есть и сотрудники, которые занимаются только разработкой и согласованием документов. Есть специалисты по экономическим вопросам, бухгалтерии, оформлению договоров. Есть специалист по технологическим вопросам производства. Колоссальную работу проделал коллектив на этапе государственной сертификации разработанных препаратов. Администрация института была потрясена, когда всего за полгода лаборатории удалось пройти путь от начала медицинских испытаний препаратов до их регистрации. Всё было буквально рассчитано по дням: сегодня идти туда, завтра подписывать это. Не меньших сил стоила и работа по закрытию проекта. Отчётность только по одному заключительному этапу проекта весила около 11 килограммов, а все отчёты и технологическая документация вместе – это почти целый шкаф, забитый документами.

Технологические наработки институт патентует совместно с Минобрнауки. Однако многие наработки запатентовать невозможно. «Простейшие», по словам Владимира Лунина, технологические решения сохраняются на уровне ноу-хау.

По условиям контракта, в институте создали производственный участок, где получают композиционный препарат для покрытия имплантатов. Изготовление опытно-промышленных партий и контроль качества препаратов здесь проводятся в условиях производства GMP (Good Manufacturing Practice). Это международная система норм и правил создана для выпуска лекарственных средств и медицинских изделий. Согласно этой системе, проверку проходит не выборочная партия, а контролируются абсолютно все параметры производства и продукции.

В ноябре 2010 года разработчики получили регистрационное удостоверение и сертификат соответствия на композиционный препарат Гамалант-паста Форте для костной имплантации и совместного использования с металлическими имплантатами. Ориентировочно, препарат появится в продаже в феврале 2011 года.

Возникает закономерный и важный вопрос: кто станет организатором обучения врачей работе с этими материалами нового поколения?

«Наша задача – привлечь крупных специалистов, которые понимают необходимость такого обучения, – поясняет Владимир Лунин. – Этот препарат нельзя вводить в медицинскую практику через рекламные буклеты. Применять его нужно чётко по инструкциям, и делать это должны профессиональные хирурги. При неаккуратном нанесении препарата вокруг кости могут образовываться наросты. Если поместить препарат в мышцу, то и там может вырасти кость. К счастью, когда работа по проекту близилась к завершению, появилось много профессиональных хирургов, которые “понимают” препарат. Сейчас мы сотрудничаем со многими отделениями ЦИТО (Центральный научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии имени Н. Н. Приорова – STRF.ru), и уже планируется переход ЦИТО на работу с этими материалами».

В лаборатории Лунина продолжают работать над новыми костно-пластическими материалами. В настоящий момент учёные создают малоинвазивные формы – это препараты, которые могут быть введены через шприц или катетер непосредственно в место перелома. Если перелом не требует установления металлоконструкций и достаточно внешней фиксации, но произошло частичное разрушение кости, туда можно внести подобные препараты, не травмируя при этом организм. Эти работы идут по другому проекту, который финансируется Министерством промышленности и торговли. В соответствии с контрактом, в 2011 году на базе института Гамалеи должно быть создано производство этих препаратов.