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:

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].