Биорезорбируемые коллагеновые материалы в хирургии: 50 лет успеха

Среди всего арсенала хирургических медицин­ских средств отдельно выделяют быстро растущую область чрезвычайно многообещающих материалов для реконструктивных операций. Созданием таких материалов активно занимаются биотехнологи и спе­циалисты в области регенеративной медицины. Реге­неративная медицина направлена на расширение воз­можностей врачей в стимуляции внутренних регене­ративных процессов и обеспечении искусственными материалами для восстановления утраченных тканей и органов. Важным инструментом регенеративной медицины является тканевая инженерия, которая предполагает разработку конструкций из специаль­ных материалов (матриксов, скаффолдов) и куль­тивирование на них стволовых или тканеспецифи­ческих клеток. В качестве матриксов используют различные природные и синтетические материалы, децеллюляризованные ткани и органы. К матриксам можно отнести и бесклеточные материалы, использу­емые в пластической и реконструктивной хирургии. Матриксы могут осуществлять локальную доставку веществ, индуцирующих регенерацию или предот­вращающих иммунный ответ и фиброз.

Первостепенное значение имеет состав матрик­са в имплантируемых конструкциях. Из различных биополимеров животного происхождения (фибрин, фиброин, гиалуроновая кислота, спидроин и др.) наибольшее практическое применение в медици­не нашел коллаген — основной структурный белок соединительной ткани, выполняющий важные био­логические функции в организме. Повышенный интерес к коллагеновым материалам обусловлен тем, что он биосовместим с тканями организма ре­ципиента, способен к биодеградации (резорбции), не обладает токсичностью, канцерогенными или иммуногенными свойствами, а также сочетает в себе многие характеристики синтетических полимеров (прочность, эластичность, способность формировать различные структуры и др.), пригоден для адгезии и культивирования клеток in vitro [1][2].

В отечественной медицине проблема изучения коллагена как нового пластического материала начала разрабатываться с 1963 года сотрудниками 1-го Мо­сковского медицинского института им. И.М. Сеченова (сегодня — Сеченовский Университет) и Института легкой промышленности. Был выполнен комплекс теоретических, экспериментальных и клинических исследований с применением физико-химических, биохимических, гистохимических и электронно-ми­кроскопических, иммунологических, микробиологи­ческих, экспериментально-хирургических и других методов по исследованию коллагена типа I, получен­ного из дермы крупного рогатого скота [1][3][4][5][6][7]. Ре­зультаты ранних работ по клиническому применению коллагена и коллагеновых материалов были отражены в монографиях сотрудников 1-го Московского меди­цинского института им. И.М. Сеченова [1][5][8][9].

В результате этих исследований коллективу со­трудников удалось разработать способ полного из­влечения зрелого коллагена из дермы животных. Было установлено, что предложенная технология принудительного растворения коллагена дермы по­зволяет получать растворы коллагена с сохраненной природной молекулярной структурой тройной спи­рали. Для этого раствора были разработаны методы стандартизации и утверждена Минздравом фарма­цевтическая субстанция для использования в ка­честве основы для производства различных лекар­ственных форм [10].

На основе созданной субстанции коллагена была разработана технология получения целого ряда ле­карственных препаратов и изделий медицинского назначения: пленки, губки, порошки, гели, волок­нистые и мягкие лекарственные формы, комбини­рованные коллаген-синтетические и другие мате­риалы. Для создания искусственных полых органов были найдены оригинальные способы сохранения микроструктуры биологических тканей человека и животных, в том числе методики децеллюляризации [11]. Путем иммобилизации на коллагене раз­личных лекарственных средств (антикоагулянтов, гликозаминогликанов, антисептиков, антибиотиков, ферментов, антиоксидантов, стимуляторов регенера­ции и остеогенеза и др.) были созданы комплексные препараты со специфическими свойствами [12][13]. Были обнаружены и изучены механизмы стимулиру­ющего воздействия экзогенного коллагена на регене­рацию собственной соединительной ткани реципи­ента, основанные на обратной связи между распадом и синтезом коллагена [14].

Как итог многолетней серии выполненных ис­следований был разработан широкий ассортимент лекарственных форм на основе коллагена, предна­значенных для применения в качестве биодеградируемых раневых покрытий и местных гемостатических средств. Новизна и приоритетный характер разрабатываемого направления были подтверждены 3 зарубежными патентами, 34 авторскими свидетель­ствами СССР и 27 патентами РФ. Достигнутые ре­зультаты были обобщены в многочисленных статьях и монографиях [1][5][8][9].

За пятьдесят лет научно-практических исследо­ваний было разработано и использовано в клинике множество коллагеновых препаратов, материалов и изделий медицинского назначения: раневые по­крытия для лечения ран [15][16][17][18], трофических язв, ожогов [19], пролежней [20]; средства для местного гемостатического применения и закрытия ран вну­тренних органов [21], остеопластические и хондропластические материалы, ускоряющие регенерацию костной и хрящевой ткани, в том числе при остео­миелите [22][23]; пластические материалы для лече­ния пародонтоза и гингивита в стоматологии [23][24]; коллагеновые пленки для пластики барабанной пере­понки в отохирургии [25]; пластические материалы для кишечных анастомозов [26]; антикоагулянтные и антибактериальные коллагенсодержащие сосуди­стые протезы [1][5][9][27]; материалы для временной окклюзии бронхов при стафилококковой деструкции легких [5]; хирургического лечения миопии и глауко­мы [5]; биопластыри для обработки и лечения быто­вых микротравм и другие коллагеновые материалы. Широкий спектр практического применения колла­гена позволил сформулировать понятие «коллагено- пластика», новое направление в хирургии (см. рис.).

До настоящего времени использование колла­геновых материалов для лечения осложненных ран остается основным медицинским применением кол­лагена. В эксперименте и в многочисленных клини­ческих исследованиях было показано, что коллаге­новые повязки защищают рану, препятствуют отеку и потере жидкости, в то же время стимулируют ан­гиогенез, миграцию и пролиферацию фибробластов, созревание грануляционной ткани, биосинтез соб­ственного коллагена и эпителизацию раневой по­верхности [4][5][15][17][28][29][30]. Включение в состав коллагеновых повязок антисептиков и антибиотиков сделало их применение исключительно эффектив­ным при лечении гнойных ран, ожогов, трофических язв и пролежней [10][12][16][19][20].

В последние годы коллектив ученых из Инсти­тута регенеративной медицины Сеченовского Уни­верситета активно занимается разработкой, экспери­ментальным изучением и клинической апробацией тканеинженерных конструкций, состоящих из колла­генового или тканевого коллагенсодержащего скаффолда и культивированных клеток.

С помощью различных высокотехнологичных ме­тодик были получены скаффолды:

• пористые материалы заданной плотности, ре­конструированные из раствора коллагена путем лио- филизации [31][32];
• механически прочные гибридные компози­ты, состоящие из синтетического полимера и кол­лагена [33][34];
• децеллюляризованные ферментными, химиче­скими или физическими способами коллагенсодер­жащие ксеногенные ткани (дерма кожи, перикард, подслизистая основа тонкой кишки, бедренная арте­рия и нижняя полая вена, твердая мозговая оболочка, стенки мочевого пузыря и уретры) [2].

Было проведено сравнительное исследование ме­ханических свойств, микро- и ультраструктуры этих скаффолдов, возможностей культивирования на них эпителиальных и стволовых стромальных клеток [35][36], а также изучение биосовместимости и био­деградации скаффолдов при имплантации in vivo, тканевой реакции на имплантацию и регенерации тканеспецифических клеточных структур в участке имплантации. Результаты продолжающихся клини­ческих испытаний продемонстрировали высокую эф­фективность применения коллагеновых скаффолдов в тканеинженерных конструкциях для пластической хирургии уретры [11][37]. Большой интерес вызыва­ют также исследования, связанные с выращиванием искусственных органов в биореакторе, в которых децеллюляризированный коллагеновый каркас запол­няется тканеспецифическими клетками [38].

В зарубежной литературе сообщения об исследо­ваниях о применении коллагена в медицине появи­лись в конце 50-х годов прошлого столетия после открытия методов солюбилизации коллагена дер­мы шкуры быков. В 1959 году впервые для лечения ран были применены пленки, реконструированные из раствора коллагена [39]. Впоследствии ряд ис­следователей в эксперименте и клинике показали эффективность использования пленочных материа­лов из коллагена бычьей кожи при лечении ран кожи и внутренних органов [40][41][42][43][44].

Первыми альтернативными медицинскими про­дуктами из коллагена стали материалы из человече­ской кожи. С конца 90-х годов проводились клиниче­ские исследования по применению препаратов из соб­ственной кожи пациентов и трупной кожи для ре­конструкции лица. Результаты показали, что новые материалы не уступали препаратам из животного коллагена, но высокая цена и незначительные пре­имущества не дали этим продуктам остаться в арсе­нале хирургов [45]. Более современные имплантаты из свиного коллагена, модифицированные сшиваю­щими агентами, продемонстрировали выдающиеся механические характеристики, сравнимые с таковы­ми у синтетических сеток, при сохранении высокой биосовместимости. Эти материалы широко применя­ются в пластической хирургии сегодня [46].

Коллагеновые повязки применяются при инфи­цированных ранах, ожоговых, травматических, ин­фекционных, операционных повреждениях кожи, при хроническом раневом процессе. По мнению исследователей они легки в использовании по срав­нению с аутотрансплантацией кожных лоскутов, на­туральны, не иммуногенны, оказывают противовос­палительный, гемостатический и обезболивающий эффекты, являются барьерной средой для микроор­ганизмов. Противовоспалительный эффект обуслов­лен ингибированием факторов роста и матричных металлопротеиназ, поддерживающих протеолиз.

Для лечения отдельных патологий были разрабо­таны комбинированные повязки из коллагена и дру­гих полимерных материалов. Так, повязки из коллаге­на и окисленной регенерированной целлюлозы обе­спечивают физиологическую влажную микросреду на поверхности раны, так необходимую при лечении диабетической стопы [47]. Коллаген входит в состав комбинированных повязок на основе нейлона и си­ликона, нашедших свое применение при лечении по­верхностных ожогов кожи. Такие повязки показали выдающиеся преимущества перед другими матери­алами, снижая болевой синдром и укорачивая сроки госпитализации [48]. К современным коллагеновым материалам для пластики ран относят «аналоги жи­вой кожи» — коллагеновые повязки с фибробластами, выращенными в лаборатории [49]. Конкуренцию им составляют препараты криоконсервированной трупной человеческой кожи, в которых сохране­ны все клеточные элементы, включая фибробласты и кератиноциты. Такие повязки обеспечивают ско­рейшее заживление ран кожи, которое ассоциируют с высоким содержанием факторов роста и нативной архитектоникой экстрацеллюлярного матрикса им­плантатов. Тем не менее требуются дополнительные исследования для доказательства безопасности и эф­фективности их применения [50].

Гели на основе коллагена широко применяются в качестве наполнителей (филлеров). Инъекции рас­твора коллагена проводят во многие анатомические структуры организма. Введение филлера в стенку уретры создает необходимые условия для лечения синдрома недержания мочи. Введение коллагенового филлера является альтернативой открытой хирурги­ческой операции и имеет сопоставимую успешность, возвращая контроль над мочеиспусканием у 50-60% пациентов [51]. Такому же количеству пациентов по­могло введение наполнителей на основе коллагена в стенку заднепроходного канала при синдроме не­держания кала. Тем не менее примерно половине пациентов потребовались дополнительные инъекции для сохранения многолетнего положительного эф­фекта [52]. Для смыкания голосовой щели и улучше­ния качества голоса филлерные материалы вводятся в стенку голосовых складок с целью повышения их вязкоэластичности. Эта минимально инвазивная хи­рургическая техника вошла в практику более 30 лет назад и показана большинству пациентов с малой степенью недостаточности гортани [53].

Коллагеновые материалы применяются в рекон­структивных операциях, в первую очередь при вос­становлении передней брюшной стенки при хирур­гическом лечении вентральной грыжи. Главными преимуществами перед синтетическими сетками яв­ляются отсутствие иммунной реакции на имплантат и одноэтапность операции в связи с отсутствием не­обходимости удалять имплантированный материал. Применяемые коллагеновые имплантаты постоянно совершенствуются с целью улучшения механиче­ских и манипуляционных характеристик, по которым они уступают синтетическим аналогам. По данным клинических исследований, применение коллагено­вых материалов для реконструкции передней стенки живота ассоциировано со сравнительно высоким ри­ском осложнений с развитием рецидивов у 20-30% пациентов [54][55].

При реконструкции молочной железы все чаще начинают использовать препараты децеллюлизированного кожного матрикса. Они применяются после мастэктомии, при вторичных операциях после раз­вития деформаций, а также в косметических целях. Главным преимуществом коллагеновых материалов в сравнении с силиконовыми имплантатами явля­ется низкий риск осложнений, являющийся ключе­вым фактором при выборе имплантата после удале­ния злокачественных образований молочных желез. На настоящий момент коллагеновые материалы уступают силиконовым в получении желаемых эсте­тических результатов, но это изменяется по мере со­вершенствования резорбируемых имплантатов [56].

Гемостатические пластыри на коллагеновой осно­ве широко применяются в хирургической практике. Топический гемостаз обеспечивается добавлением на поверхности пластырей факторов свертывания — фибриногена и тромбина. А сам коллаген способен напрямую агрегировать тромбоциты. Хирургические пластыри много лет используются хирургами и до­казали свою эффективность. Они характеризуются быстро развивающимся гемостатическим действием и безопасностью [57].

Гентамицин-коллагеновые губки используют­ся в хирургии для местной доставки антибиотика. Они оказывают местное антибактериальное и кро­воостанавливающее действие [58]. Подавляющее большинство исследователей отмечают снижение риска послеоперационных осложнений при их применении. Гентамицин-коллагеновые импланта­ты оказались эффективны при операциях на серд­це [59], сосудах [60], желудочно-кишечном трак­те [61] и операциях на нижних конечностях [62]. При их применении сохраняется риск развития резистентности локальной микробиоты к гентамицину, а сам имплантат может механически мешать заживлению раны.

Нейрохирурги применили коллагеновый имплан­тат для реконструкции твердой мозговой оболочки у пациентов с дегенеративными, травматическими и опухолевыми изменениями спинного мозга. Поте­ря спинномозговой жидкости была устранена у 95% пациентов [63]. При восстановлении целостности поврежденных периферических нервов коллагено­вые трубки («кондуиты») имеют значительно мень­ше осложнений, чем любые другие виды имплан­татов. Функциональное восстановление нервов на­блюдается у более чем 80% пациентов [64]. Будущее применения этой технологии у пациентов с продол­жительными дефектами нервов (более 3 см) связы­вают с локальной доставкой факторов роста и шванновских клеток [65].

В травматологии, для восстановления дефектов костной ткани применяются комбинированные скаффолды, создающие условия для направленной реге­нерации. Коллаген создает основу жесткого пористо­го каркаса для роста костной ткани и является клю­чевым звеном биологической регуляции миграции, пролиферации и активности остеобластов и остео­кластов. Сейчас проходят клинические испытания коллагеновых скаффолдов с гидроксиапатитом, про­демонстрировавшие значительный стимулирующий прорегенеративный эффект, превышающий таковой у материалов из трикальцийфосфата, «золотого стан­дарта» при этих операциях [66].

В стоматологии при имплантациях зубных про­тезов и восстановлении костных дефектов исполь­зуются коллагеновые мембраны, обеспечивающие необходимые условия для костной регенерации. Эти мембраны различаются пористостью структуры, ис­точником и модификацией коллагена. Длительно абсорбирующиеся (3-6 месяцев) коллагеновые мем­браны ограничивают прорастание эпителия и мягких тканей в участок повреждения. Преимущество кол­лагеновых имплантатов перед синтетическими по­лимерами — их иммунологическая инертность [67].

Большинство используемых сегодня несинтети­ческих протезов клапанов сердца представляют со­бой децеллюляризированные клапаны сердец живот­ных. Многолетний опыт применения этих клапанов и относительно низкий риск смертельных осложне­ний, ассоциированных с клапанами у пожилых, по­зволяют рекомендовать их пациентам старше 50 лет [68]. Тем не менее, хотя эти скаффолды и обладают идеальными биомеханическими характеристиками, более биосовместимы, чем синтетические, являются слишком плотными. Васкуляризация проходит очень долго, а клетки практически не выживают внутри та­кого скаффолда. В настоящее время проходят докли­нические испытания комбинированные скаффолды из гепаринизированного коллагена, фибрина, эласти­на и гликозаминогликанов [69].

В последние годы коллаген и коллагенсодержа­щие децеллюляризированные материалы широко применяются в регенеративной медицине для соз­дания тканеинженерных скаффолдов. Тканеинже­нерные конструкции использованы для протезиро­вания уретры и мочевого пузыря [70], трахеи [71], желчного протока [72]. Современные искусственные ткани и органы разрабатывают на основе гибридных материалов, состоящих из натуральных и синтетиче­ских компонентов [33]. Коллаген в составе скаффол- дов придает им превосходную биосовместимость, в то время как синтетические полимерные матери­алы усиливают механические характеристики тка­неинженерных конструкций [31][34]. Биомимикрия химического состава и микроструктуры разрабаты­ваемых гибридных матриксов в сочетании с техноло­гией клеточных пластов открывают новые горизонты перед исследователями и врачами [35][36].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Пятьдесят пять лет назад ученые Сеченовского Университета (в то время 1-го Московского медицин­ского института им. И.М. Сеченова) начали уникаль­ные исследования по созданию, экспериментально­му изучению и внедрению в медицину (в основном в хирургию) нового класса медицинских препаратов на основе белка соединительной ткани — коллагена. Со временем области использования коллагеновых препаратов расширялись от лечения осложненных кожных ран к их применению в стоматологии, ото­ларингологии, офтальмологии, брюшной, легочной и сосудистой хирургии.

В последние годы во всем мире все чаще при­меняют коллагеновые материалы в исследованиях, что связано с бурным развитием регенеративной ме­дицины и, в частности, тканевой инженерии. Колла­ген по своим свойствам оказался одним из лучших материалов для скаффолдов, способным к комбини­рованию и сополимеризации с различными природ­ными и синтетическими полимерами, биологически активными и лекарственными веществами.

Быстрое развитие отрасли ставит новые вопросы. Становятся востребованными имплантаты, мими­крирующие экстрацеллюлярный матрикс. Перспек­тивным направлением становится производство ре­комбинантного человеческого коллагена.

Развитие медицинского применения коллагена до настоящего времени было скорее экстенсивным, чем интенсивным. Быстро расширялись источники коллагенового сырья: соединительная ткань быков, овец, свиней, лошадей, человека. Разрабатывались разнообразные методы солюбилизации коллагена, реконструкции из раствора многочисленных разных по структуре коллагеновых материалов, способов децеллюляризации коллагенсодержащих тканей, бесконечно множились названия коммерческих пре­паратов, и наконец, до сих пор увеличивается коли­чество заболеваний и патологических процессов, для лечения которых был использован коллаген. Процесс вышел за пределы медицины и коснулся со­циально и коммерчески значимых областей. Слово «коллаген», до этого известное лишь врачам, стало знакомо людям по всему миру.