Как происходит регенерация костной ткани: быстро, медленно или с образованием рубцовой ткани

Костная ткань обладает высокой способностью к регенерации, что позволяет ей восстанавливаться после повреждений, таких как переломы. В процессе заживления в костной ткани происходит образование новой костной субстанции, что способствует её восстановлению до исходного состояния.

Тем не менее, в некоторых случаях регенерация может сопровождаться образованием рубцовой ткани, особенно при серьезных травмах или хронических заболеваниях. Рубцовая ткань отличается по структуре и функциональности от нормальной костной ткани, что может приводить к изменению механических свойств и снижению общей прочности кости.

Источники и фазы репаративной регенерации

Процесс восстановления костной ткани осуществляется за счёт пролиферации клеток из камбиального слоя надкостницы, эндоста, малодифференцированных клеток из костного мозга и мезенхимальных клеток, связанных с растущими сосудами.

Выделяют четыре этапа репаративной регенерации.

Первый этап — это разрушение тканевых структур и увеличение числа клеточных элементов.

В ответ на травму кости и окружающих её тканей возникает типовой процесс заживления раны, первоначально в виде гидратации, направленный на расплавление и рассасывание погибших клеток. Возникает посттравматический отёк, который усиливается к 3-4-му дню, а затем медленно уменьшается. Включаются механизмы репродукции и пролиферации клеточных элементов.

Второй этап характеризуется образованием и развитием тканевых структур.

Характеризуется прогрессирующей пролиферацией и дифференцировкой клеточных элементов, вырабатывающих органическую основу костного регенерата. При оптимальных условиях образуется остеоидная ткань, при менее благоприятных — хондроидная, которая впоследствии замещается костной. По мере развития и обызвествления костной ткани происходит резорбция хондроидных и фибробластических структур.

Третий этап — это формирование ангиогенной костной структуры, то есть перестройка костной ткани.

Постепенно восстанавливается кровообращение в регенерате, а также происходит минерализация его белковой основы. К окончанию этой стадии костные балки объединяются в компактное вещество кости.

Четвёртый этап — это полное восстановление анатомической и физиологической структуры кости.

На этом этапе происходит дифференциация кортикального слоя и надкостницы, восстановление костномозгового канала, ориентировка костных структур в соответствии с нагрузками, что позволяет кости практически вернуть её исходную форму.

Виды костной мозоли

Различают четыре вида костной мозоли (рис. 11-4):

Механизм формирования всех вышеупомянутых типов мозолей един, однако их функциональная значимость различается.

Два первых типа мозолей формируются довольно быстро, особенно периостальная, из-за особенностей процесса регенерации. Их основная задача — удержание отломков на месте перелома. Оба эти вида мозоли являются временными адаптивными процессами и не являются показателем полного сращения костных отломков, но создают необходимые условия для этого. Истинное сращение осуществляется через интермедиарную мозоль, после чего ткани пери- и эндостальной мозолей подвергаются резорбции.

Рис. 11-4. Составные части костной мозоли: 1 — периостальная; 2 — эндостальная; 3 — интермедиарная; 4 — параоссальная

Из-за быстрого роста костной ткани в рубцовых образованиях, возникающих вокруг повреждённой кости, может происходить метаплазия соединительной ткани с превращением её в костную. Это чаще всего наблюдается при сильных повреждениях окружающих тканей. Эту область костной мозоли принято называть параоссальной.

Костная ткань хорошо регенерирует плохо регенерирует регенерирует с образованием рубцовой ткани

В эксперименте показано, что после трепанации черепа регенерация плоских костей осуществлялась в полном объеме лишь при наличии подложки из наноимпланта, но наиболее полно этот процесс происходил в группе с нанокомпозитом (нанотитан, желатин, гидроксиапатит и коллаген). В группе с ложнооперированными животными полного восстановления целостности костей свода черепа не происходило.

Основными факторами, приводящими к повреждениям мозга, являются бытовые травмы — 60 %, ДТП — 30 %, а также производственные или спортивные травмы — 10 % [1]. Опухоли головного мозга представляют собой вторую значимую проблему, требующую восстановления структуры черепных костей после хирургического вмешательства [10]. Серьёзным вызовом остаётся также развитие сосудистых заболеваний.

В последнее время все большее значение приобретает оперативное лечение геморрагических инсультов [9]. Особое значение приобретают эти вопросы у пожилых пациентов. Литературные данные свидетельствуют о нерешенности многих вопросов, связанных с закрытием дефектов черепа, к основным из которых относятся выбор пластического материала и метода оперативного вмешательства, сроки проведения краниопластики и показания к ней [8].

Было проведено исследование статистики черепно-мозговых травм у старших пациентов (60-86 лет) на базе «Муниципальной городской клинической больницы №1» города Белгорода, охватывающее 297 случаев. Среди них 41 пациенты в возрасте 60-86 лет, включающих 8 женщин (19,5 %) и 33 мужчины (80,5 %). Дополнительно было проведено экспериментальное исследование на 25 самцах крыс линии «Вистар» весом 200-250 грамм и возрасте 14-16 месяцев из питомника РАМН «Столбовая» Московской области. Все манипуляции с животными и анализ результатов проводились в соответствии с нормами ISO 10993-1-2003 и ГОСТ Р ИСО 10993.2-2006.

При аутопсии было проведено макроскопическое описание и фотографирование. Для исследования методом световой микроскопии срезы с парафиновых блоков окрашивали гематоксолином и эозином, исследовались и фотографировались в световом микроскопе «Topic-T» Ceti.Для растровой электронной микроскопии пробы фиксировали в стандартном глутаральдегидовом буфере.

Исследование проводилось с использованием растрового электронного микроскопа «FE1 Quanta 200 3D». Элементный анализ макро- и микроэлементов (углерода, кислорода, фосфора, кальция, азота, натрия, магния, железа, алюминия и серы) осуществлялся с помощью детектора, регистрирующего спектры характеристического рентгеновского излучения компании EPAX. Восприятие данных происходило на растровом электронном микроскопе «Quanta 600 FEG».

Зондовая сканирующая микроскопия выполнялась на приборе «Ntegra-Aura». Для анализа регенерационных особенностей кости использовался флюоресцентный краситель — родамин. Препараты изучались на микроскопе «Микмед-6», вариант 11.

Результаты исследования и их обсуждение

Во время исследования регенерации костной ткани в экспериментальной группе было установлено, что ширина демаркационной зоны воспаления на первой неделе составила 1,4 ± 0,4, а на второй неделе — 1,8 ± 0,29 (мм). На следующих стадиях наблюдение за демаркационной зоной воспаления не выявило каких-либо изменений. К четвёртой неделе гиперемия и отёк проявлялись значительно слабее, чем при недельной экспозиции.

На следующих сроках экспозиции воспалительная реакция не отмечалась. В матриксной кости было отмечено, что Гаверсовы каналы остеонов расширены вследствие остеокластической резорбции и содержат большое количество клеточных элементов и заполненных кровью сосудов.

Обнаруживались остатки гематомы с волокнами фибрина, которые подлежали организации благодаря прорастанию в них клеток фибробластов. На шестой неделе изменения в матриксной кости отсутствовали. Гаверсовы каналы были умеренно полнокровными вплоть до 12 недели. Продолжалось активное развитие хрящевой ткани и сосудистой сети.

На седьмой день у всех животных граница между волокнистым и клеточным слоями не была определена. Отмечались фрагменты с диапедезными кровоизлияниями, а также лимфоидные клетки. Ткань имела рыхловолокнистую соединительную структуру (рис. 1).

Рис. 1. Фрагмент костной ткани черепа крысы (теменная область). 1 неделя экспозиции. Фрагментарные дефекты костной ткани. В дне раны участки некротизированной ткани, форменные элементы, фрагменты грануляционной ткани (указаны стрелкой). Окраска гематоксилином и эозином.

Через 2 недели просматривалась сформированная соединительная ткань, богатая полнокровными сосудами. К 30 суткам формируется сложный симбиоз из нескольких видов тканей: это фиброзная ткань, которая как бы является основой для располагающейся среди нее островков хрящевой ткани, а также жировая ткань. Здесь определяются уже и вновь образованные сосуды.

В идентифицированных фрагментах наблюдались диапедезные кровоизлияния. На девятой-двенадцатой неделях происходило формирование костной ткани с развитием Гаверсовых каналов, которые на данной стадии были меньшего размера и полнокровными. Остеобласты находились в полостях и были хорошо выражены (рис. 2).

Рис. 2. Оперированные животные (контрольная группа). Экспозиция 9-й недели после операции. Ткань обладает неровной поверхностью. На её поверхности можно обнаружить дефекты размером 0,5-1 mm и глубиной 0,2-0,4 mm (указаны стрелкой).

При анализе ткани над имплантами с использованием атомносиловой микроскопии было показано, что применение биокомпозитов способствовало образованию ровной зоны мезенхимальной ткани, заполняющей дефект между костной тканью и композитом, формируя своего рода купол над ним, толщиной до 11,0 ± 0,5 мкм. При использовании композитов без покрытия вновь образованная ткань имела неравномерный слой толщиной 5,0 ± 1,5 мкм, и наблюдались лишь отдельные фрагменты ткани над имплантом.

Ободок соединительной ткани составил через неделю 160,0 ± 35,0 µm, а через 2 недели — 180,0 ± 30,0. Размер вновь образованной ткани: 56 ± 20,0, а через 2 недели — 90 ± 15,0. К 30 дням вновь сформированная фиброзная и хрящевая ткань начинала распределяться более равномерным слоем.

Через 30 дней была выявлена фиброзная ткань в виде ободка. Постепенно в ней находились участки хрящевой ткани разной величины, переходящие в сеть костных трабекул. Активное размножение хондробластов продолжалось до 30 суток, остеобласты размещались как по одиночке, так и парами.

К 30 суткам после вмешательства хрящовая ткань достигла определённой стадии зрелости, в ней начали проявляться показатели дегенерации, формировались полости разрушения, что указывает на типичный процесс эндохондрального окостенения. На шестой неделе началось формирование зрелой костной ткани в виде островков.

Слои костной ткани, образовавшиеся на этом этапе экспозиции, имели свои канальцы, соединенные с лежащими ниже слоями. Их толщина составляла 56 ± 19,71. Со стороны твердой мозговой оболочки слой ткани имел более неровную поверхность. Граница между старой и новообразованной костью визуализировалась под микроскопом.

Была замечена компактная кость с грубоволокнистыми костными трабекулами, а также фрагменты пластинчатой кости. Обнаруживалось формирование зрелой пластинчатой из губчатой кости, инвазия крови с образованием сосудистой сети и наличием красных кровяных клеток. Выраженность фиброзной ткани была минимальной. В периметре наблюдался плотный ободок соединительной ткани.

Выявлены новообразованные остеоны.

На девятой неделе при ультрамикроскопическом исследовании было выявлено оформление Гаверсовых каналов и активный остеогенез, наличия остеобластов. Сформировалась сосудистая сеть. Центры кальцификации новообразованных костных трабекул в эндостальной части возникали уже через 7 суток после операции. С помощью люминесцентной микроскопии было отмечено, что окраска родаминовым красным, указывающая на высокую метаболическую активность клеток, наиболее выражена в зоне по краю костной ткани и во вновь образованной волокнистой ткани.

Костная ткань хорошо регенерирует плохо регенерирует регенерирует с образованием рубцовой ткани

В Белгородском государственном университете в лаборатории наноструктурных исследований в медицине было проведено исследование по изучению остеоиндуктивных, биоактивных свойств костной ткани при применении наноструктурированных имплантов, нанопокрытий и костных морфогенетических белков.

Еще несколько лет назад основным типом аллогенного костного имплантата в России были замороженные кортикальные аллоимплантаты, которые консервировались с помощью паров формалина. Они обладали ограниченными иммунными свойствами и могли храниться длительное время. Это решение было настоящим прорывом. На протяжении 50 лет применения данного пластического материала были обнаружены его недостатки, такие как медленный процесс формирования регенеративной ткани, а также проблемы с нагноением и токсичностью формалина. Поскольку эти имплантаты не имели остеоиндуктивных свойств, они либо резорбировались без формирования новой ткани, либо долго сохранялись в неизменном состоянии, срастаясь лишь с краевыми тканями.

В современной имплантологии можно выделить несколько уровней технологических разработок в изготовлении биопластических материалов, в данном случае костных алло- и ксеноимплантатов.

• Первый уровень — глубокая переработка донорских тканей.
• Второй уровень — деминерализация тканей, где в костной ткани путем декальцинации растворами кислот изменяется соотношение минеральных и органических компонентов.
• Третий уровень — создание биокомпозиционных материалов, которые включают как основные элементы костной ткани, так и биоактивные вещества.

Биоматериалы, подходящие для использования в качестве имплантатов, должны выполняться согласно следующим требованиям:

1) химические характеристики – отсутствие токсичности и нежелательных реакций с тканями и межтканевыми жидкостями, отсутствие коррозии; 2) механические свойства биокерамики должны соответствовать биологическим свойствам костной ткани; 3) отсутствие иммунных реакций при взаимодействии с организмом; срастание с костной тканью; стимуляция остеосинтеза; 4) для быстрого прорастания костной ткани в имплантат необходимо наличие пор диаметром от 100 до 150 мкм.

Новые перспективы в импланталогии открылись благодаря разработке и внедрению в клиническую практику конструкций из высокочистого титана, обладающего ценными физико-химическими и физико-механическими характеристиками — биологической инертностью, коррозионной устойчивостью, отсутствием токсичности, высокой механической прочностью, пластичностью и малым удельным весом.

Наиболее успешными считались сплавы, содержащие кобальт, никель, хром и молибден, но и они со временем распадаются в биологических системах. Эти металлы также отличаются недостаточной пластичностью, сложностью обработки и высокой стоимостью. Одним из шагов в развитии применения металлических конструкций для замещения костных дефектов стало создание покрытия из гидроксиапатита на поверхности металлов, что способствует лучшему взаимодействию имплантата с окружающими тканями через врастание в гидроксиапатитный слой. Вместе с гидроксиапатитом часто добавляют слои органических соединений, которые усиливают регенеративные процессы. К таким соединениям относятся коллаген и факторы роста.

Особое значение для регенерации костной ткани имеют TGF-Р, представляющие собой большую группу белков, среди которых TGF-Р1 и морфогенетические белки кости (BMPs) модулируют клеточную пролиферацию, дифференцировку малодифференцированных клеток в остеобласты, увеличивают синтез внеклеточного матрикса кости и ингибируют его деградацию, продуцируют иммуносупрессорный эффект.

Рекомбинантный человеческий костный морфогенетический белок-2 (рчКМБ-2) представляет собой остеоиндуктивный фактор, который играет ключевую роль в росте и регенерации костной ткани. В экспериментальных условиях он проявил выраженную остеоиндуктивную активность, достаточную для обеспечения сращения при ортотопической имплантации. E.A. Wang и его команда стали первыми исследователями, которые продемонстрировали способности рчКМБ-2 к индуцированию костеобразования, используя в качестве носителя неактивный деминерализованный костный матрикс крысы. Их работа наглядно показала, что рчКМБ-2 может индуцировать остеогенез при ортотопической имплантации у крыс, причем эффекты зависели от времени и дозы.

В процессе экспериментальных исследований было установлено, что костная ткань, индуцируемая рчКМБ-2, отвечает анатомическим требованиям пересадки и функционирует как натуральная кость, соответствуя всем нормальным гистологическим, биомеханическим и рентгенологическим критериям. Исследования показали, что остеогенез, инициируемый рчКМБ-2, имеет склонность к самоограничению, что можно объяснить постепенным уменьшением остеогенного белка в месте пересадки и наличием ингибиторов КМБ в окружающих тканях, а также действием молекулярных механизмов обратной связи.

Таким образом, остеогенные белки играют важную роль в системе лечения костной патологии у человека. Созданные с помощью генной инженерии рекомбинантные формы КМБ оказались способными обеспечивать результаты, эквивалентные тем, которые получают при использовании костных аутотрансплантатов.

Типы

Первичное натяжение

Восстановление непрерывности происходит непосредственно через фиброзный сращение, не образуя грануляционной ткани; в результате образуется тонкий рубец.[7]

Вторичное натяжение

Заживление раны происходит путем объединения грануляционных поверхностей через адгезию, когда края раны находятся далеко друг от друга и не могут быть сведены вместе. Грануляции образуются от основания и боковых сторон раны по направлению к поверхности.[7]

Натяжение третьего порядка

Заживление раны происходит путем постепенного заполнения раневой полости грануляциями и цикатриксом[7].

Лечение методами физической терапии

Эта классификация основана на лечебном протоколе Клэнтона и др. (Clanton et al)[8], однако она схожа с другими классификациями. Вероятно, отдельные фазы могут частично пересекаться в зависимости от индивидуальной реакции на заживление и типа травмы. Не все пациенты проходят через все фазы в процессе полной реабилитации.

Фаза 1: Острая фаза (1 — 7 дней)

• Цель: минимизация воспалительных процессов и болевых ощущений.
• Методы:

• Применение метода RICE: отдых, холод, компрессия и приподнятое положение.
• Бесболезненные движения с использованием криотерапии.

Фаза 2: Подострая фаза (день 3 — < 3 нед.)

Данная фаза начинается с уменьшения симптомов воспаления. К ним относятся повышенная температура в поврежденной области, отёк, покраснение и болевые ощущения.

• Цель: предотвратить атрофию мышц.
• Методы:

• Полный диапазон движений без болей: концентрическое укрепление.
• При наличии боли: снизить интенсивность упражнений.

Фаза 3: фаза ремоделирования: ( 1 — 6 нед.)

• Растяжки для предотвращения потери гибкости.
• Эксцентрическое укрепление мышц.
• Важно убедиться в восстановлении мышцы, чтобы снизить риск повторного травматизма.

Фаза 4: функциональная фаза: (от 2 недель до 6 месяцев)

• Цель: возвращение в спорт без риска повторных травм.
• Методы:

• Увеличение силы, выносливости, скорости, ловкости, гибкости и проприоцепции.
• Специфические упражнения, соответствующие виду спорта.

Фаза 5: фаза возвращения к соревнованиям: (от 3 недель до 6 месяцев)

• Цель: избежать повторных травм.
• Критерии: полный диапазон движений, уровень силы, координация и психологическая готовность.
• Методы:

• Доработка критериев.
• Улучшение ловкости и стабилизации корпуса.[9]

Вопросы по теме

Какие факторы влияют на регенерацию костной ткани?

На регенерацию костной ткани влияют множество факторов, включая возраст, общее состояние здоровья, наличие сопутствующих заболеваний (таких как остеопороз), а также уровень физической активности и питания. Например, у пожилых людей регенерация может проходить медленнее из-за снижения кровоснабжения и уменьшения активных клеток костной ткани. Питательные вещества, такие как кальций и витамин D, также критически важны для активного процесса восстановления.

Какой процесс лежит в основе формирования рубцовой ткани в костной системе?

Формирование рубцовой ткани в костной системе происходит в результате воспалительных процессов, вызванных травмой или операцией. Когда кость повреждена, начинается процесс заживления, сопровождающийся образованием воспалительной ткани, которая выполняет временные функции по поддержке структуры. Это может привести к образованию рубца, что в некоторых случаях может снижать функциональность и гибкость кости. Важно отметить, что рубцовая ткань не имеет всех свойств здоровой костной ткани и может повлиять на ее прочность.

Как можно улучшить регенерацию костной ткани после травм?

Для улучшения регенерации костной ткани после травм рекомендуется соблюдать ряд рекомендаций. Важным является обеспечение достаточного уровня кальция и витамина D через питание или добавки. Регулярные умеренные физические нагрузки, такие как ходьба или специальные упражнения, помогут улучшить кровообращение и способствовать восстановлению. Кроме того, физиотерапия и соблюдение режима покоя могут играть значительную роль в процессе восстановления. В тяжелых случаях специалисты могут рекомендовать хирургическое вмешательство для обеспечения правильного сращивания кости и минимизации образования рубцовой ткани.