Kaulu un skrimšļu aizvietojošie materiāli

1. Kaula un skrimšļa aizvietojošie
materiāli traumatoloģijā un
ortopēdijā
Gvido Jānis Bergs
RSU MF VI

2. 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

3. Definīcijas
Kaula 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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
Alotransplantāti
Autotransplantāti
Ksenotransplantāti
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.

7. 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.

8. 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.

9. Svarīgi zināt, ka...
Tikai autotransplantātiem piemīt osteoindukcijas,
osteokondukcijas, osteoģenēzes un oseointegrācijas
spēja

10. Autotransplantāti, allotransplantāti un
ksenotransplantāti: kāpēc nepieciešams meklēt
alternatīvas?
• Autotransplantāti – «zelta standarts» kaula defektu rekonstrukcijā
Tomēr 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 pielietošanas
Tāpat 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.

11. • 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.

12. Keramiskie materiāli kaula defektu
rekonstrukcijai I
Kalcija 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.

13. Keramiskie materiāli kaula defektu
rekonstrukcijai II
Tri-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.

14. Polimēri I
Kolagēns
• 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.

15. 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.

16. 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.

17. Apkopojums par kaula aizvietojošajiem
materiāliem
Ražotājs Nosaukums Sastāvs Pierādītais darbības
mehāisms
Pierādījumu 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

18. Situācija šobrīd...

19. 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

20. Klīniskais gadījums

21. 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/

23. Paldies par uzmanību!