THE PROBLEM OF BONE REGENERATION IN REPEATED ENDODONTIC TREATMENT: BIOACTIVE SILERS, MECHANISM OF ACTION

Full Text

Актуальность. Регенерация костной ткани является непременным условием успешности эндодонтического лечения зубов, а, следовательно, и полноценной реабилитации функциональности зуба в частности, и зубного ряда в целом. В связи с этим, как в медицине в целом, так и в стоматологии в частности, все аспекты исследования, разработки и производства материалов содержащих биологическую керамику и стекло занимают ведущие позиции в современных медицинских наукоемких технологиях. По опубликованным данным [5] на 2020 год потребность рынка таких материалов составляет 2,3 млрд. долларов в год, с дальнейшим ростом 7-12% в год, объемы необходимых материалов исчисляются десятками тонн. Только в США число больных, нуждающихся в дополнительной стимуляции регенеративных процессов в костной ткани составляет 1 млн. человек и более ежегодно [1, 2]. В своей предыдущей работе [8] мы уже приводили клинические примеры высокой эффективности системы холодной текучей гуттаперчи GuttaFlow bioseal (Coltene, Швейцария) содержащей биостекло. Работа явилась предметом активной дискуссии в профессиональном сообществе эндодонтистов. С одной стороны это справедливое признание успешности эндодонтического лечения, а с другой стороны, абсолютно справедливый вопрос: «как это работает»? В данной статье мы поставили себе задачу максимально подробно описать механизмы остеорегенерации периодонта, поэтому это больше дайджест данных научной литературы, нежели клинические примеры. В следующей статье мы непременно продолжим приведение клинических случаев. С точки зрения гистологии и анатомии кость имеет весьма сложное строение включающее различные виды тканей. Основным органическим компонентом (органическим матриксом) костной ткани является коллаген (25% по массе), неорганическая составляющая костной ткани представлена, в основном фосфатами кальция или различными видами апатитов (65% по массе). Остальную массовую долю занимает вода (10%). Кроме того, помимо коллагена, в составе костной в незначительных количествах определяют другие белки, а также липиды и полисахариды [3, 4]. Благодаря уникальным физическим свойствам коллагена обеспечивается стабильность кости при нагрузках при растяжении и изгибе. Данные свойства обусловлены характерным спиральным пространственным расположением полипептидных цепей. Каждая цепь состоит из 3 нитей. Полипептидные цепи образуют коллагеновые волокна с диаметром 100-2000 нанометров. Стабильность костной ткани при сжатии обеспечивается неорганической составляющей - фосфатами кальция, которые находятся в виде гидроксиапатита. Уникальность данного соединения заключается в способности образовывать кристаллические формы с определенной пространственной ориентацией. В костной ткани кристаллы гидроксиапатита имеют форму пластин с размерами 50х20х5 нанометров, пространственно ориентированных по отношению оси коллагеновых волокон. В настоящее время, в литературе описано семь уровней организации (архитектуры) костной ткани (рис. 1 [5]). По суммарным физическим характеристикам органическая и неорганическая составляющая костной ткани образуют структуру, которую с определенной долей вероятности можно характеризовать как биологический композиционный материал. Но, не смотря на значительные успехи в изучении структуры костной ткани, в настоящее время в лабораторных условиях невозможно полностью воссоздать ее аутентичную морфологию, следовательно, и воспроизвести полный объем биологических и механических свойств характерных для нативной кости. Рис. 1. Иерархические уровни организации костной ткани (VII уровень, не показанный на рисунке, связан с различным характером укладки коллагеновых молекул), В.И. Путляев, 2004, [5]. На сегодняшний день практически все биоматериалы, помещаемые в биологическую среду (организм человека) наносятся на носители (например, дентальный имплантат, мембрана, обтурационная система) и таким образом сами являются имплантатами. Все требования к таким биоматериалам обусловлены необходимостью максимального соответствия структуре, составу и физико-биологическим свойствам нативной кости [7]. В современной литературе выделяют несколько основных требований, перечисленных ниже. Должны быть обеспечены следующие химические и биологические свойства - химическая стабильность и/или инертность в плане реакций с тканевыми жидкостями, клеточными структурами, отсутствие процессов коррозии самих материалов; биоинертность для предупреждения реакции со стороны иммунной системы, отсутствие токсичности как в клеточном, так и в тканевом аспектах, тропность с костной тканью, стимулирование остеосинтеза (остеоиндуктивные и/или остеокондуктивные свойства). Необходимо максимальное соответствие механических характеристик биокерамики и нативной кости (упругость, прочность на растяжение, изгиб и сжатие); физическая форма самого материала - предпочтительно наличие шаровидной или сферовидной формы частиц с пористой структурой (поры размером 100-150 микрометров). В настоящее время в клинической медицине используют 3 вида (группы) биологически активных материалов [1]. Токсичные (вызывающие атрофию и/или деструкцию окружающих тканей) - металлические имплантаты (за исключением титана); биоинертные (нетоксичные и не оказывающие влияния на биологические структуры) - алюмосиликатная керамика, изделия из диоксида циркония, дентальные имплантаты из титана; биоактивные (биологически активные, в последствии входящие в состав биологических структур или стимулирующие определенные функции ткани) - композиционные материалы, содержащие биополимер и фосфат кальция (гидроксиапатит), керамика на базе фосфата кальция, различные виды биологического стекла. С химической точки зрения является предварительно расплавленным, а затем охлажденным веществом состоящим преимущественно из оксидов натрия, кальция, кремния и некоторых других металлов. Впервые свойства биостекла, как материала способного контактировать с нативной костью, были описано в 1969 г. L. Hench. В работе, опубликованной в 1971 году автор в эксперименте с крысами описал феномен химической связи костной ткан животного с поверхностью специально подготовленного биостекла [Hench et al., 1971]. В дальнейших исследованиях L. Hench обосновал биологическую активность биостекла высоким содержанием оксидов натрия и кальция, а со стороны костной ткани - оксида кальция и фосфора [Hench, 1988]. Таким образом, основными составляющими биоактивного стекла, на протяжении уже более 30 лет, являются оксиды натрия, кальция, кремния и фосфора. В настоящее время для синтеза биостекол медицинского назначения используется состав 45S5 который состоит в процентном соотношении из 24,5% оксида натрия, 24,5% оксида кальция, 45% оксида кремния и 6% оксида фосфора. Рядом исследователей отмечается факт прямой зависимости биоактивных свойств биостекла от процентного содержания исходного состава сырья. Более того, на биоактивные свойства влияют и производственные условия, в частности режим охлаждения. Медленное охлаждение с соблюдением специальных температурных режимов позволяет добиться частичной кристаллизации стекла и получить метасиликат кальция или волластонит. Данное вещество образует смешанные, стеклокристаллические материалы - биоситаллы, которые отличаются более высокими по сравнению со стеклом механическими характеристиками [6, 7]. Благодаря вышеперечисленным свойствам биостекло не является агрессивным фактором для организма и тем более не вызывает раздражающего эффекта. Напротив, его тропность к биологическим структурам костной ткани обеспечивает формирование химических связей с последней и стимулирует интенсивный синтез костных балок (рис. 2 [5]) на границе соединения, что в свою очередь завершается полной интеграцией биостекла в костную ткань. Именно способность формировать химические связи с котной тканью, на сегодняшний день является главным критерием оценки биоактивности биостекла. Ведущим компонентом, который обеспечивает данную биоактивность, является кремний. При попадании в ткани организма и тканевую жидкость биостекло подвергается процессу гидролиза с образованием на своей поверхности слоя кремниевой кислоты - SiO2хH2O, которая находится в желеобразном состоянии (или в состоянии геля). В результате процесса гидролиза образуются ионы кремния с положительным зарядом и гидроксильные группы с отрицательным зарядом. На следующем этапе гидроксильные группы, находящиеся в желеобразном слое кремневой кислоты, вступают в химическую реакцию с ионами кальция, которые в значительном количестве находятся в тканевой жидкости. В силу разницы в валентности - единица у гидроксильной группы и два у кальция, заряд на поверхности желеобразного слоя становится положительным, и происходит реакция с ионами гидрофосфатных групп которые имеют отрицательный заряд с формированием в итоге аморфных кальций фосфатных соединений, которые в дальнейшем приобретают кристаллическую структуру характерную для гидроксиапатита. На следующем этапе в полученном слое апатита происходит адсорбция биологически активных молекул, которые способствуют миграции тучных и стволовых клеток в зону синтеза. Таким образом, на поверхности биоактивного стекла происходит дифференцировка стволовых клеток, образование костного матрикса (коллагена) его интеграция с гидроксиапатитами и кристаллизация полученного композитного материала (рис. 2) [Valimaki et al., 2006], включающего следующие этапы: 1 - формирование Si-OH-групп на поверхности стекла в результате ионного обмена, 2 - образование аморфного фосфата кальция на поверхности гидратированного стекла и его кристаллизация в ГАП, 3 - адсорбция биологически активных веществ апатитовым слоем, 4 - “включение” иммунной системы; направленный выброс и адсорбция специфических костных белков, 5 - прикрепление недифференцированных клеток и их превращение в костные клетки, 6 - рост костного матрикса и его минерализация, 7 - перестройка костной ткани и “зарастание” промежутка между стеклом и костью. Условно говоря, граница между “неживым” и “живым” проходит по стадиям 4-5. Рис. 2. Схема процессов на границе биостекла и костной ткани по В.И. Путляеву, 2004 [5]. С точки зрения физиологии и морфологии выделяют два вида регенерации костной ткани: физиологическую и репаративную [6], в основе которых лежат практически идентичные химические процессы. Физиологическая регенерация выражается в постоянной перестройке костной ткани: гибнут, рассасываются старые и формируются новые структуры кости. Репаративная регенерация происходит при повреждении костной ткани и направлена на восстановление ее анатомической целостности и функций. В клинической эндодонтии расчет ведется именно на репаративную регенерацию и именно биостекло наиболее оптимально в качестве биоактивного вещества вследствие своих вышеперечисленных механических характеристик. Одним из ярких представителей биоактивных обтурационных систем, содержащих биостекло, единственной на отечественном рынке является система GuttaFlow bioseal (Coltene, Швейцария). GuttaFlow bioseal обладает уникальными химическими, физическими и биоактивными свойствами в отношении образования кристаллов гидроксиапатита, основной структурной единицы твердых тканей зуба, что обеспечивает максимальное качество герметизации и биосовместимость материала. Как уже указывалось, GuttaFlow bioseal содержит тонкодисперсную гуттаперчу, полидиметилсилоксан, платиновый катализатор, диоксид циркония, серебро (консервант) и краситель. Помимо всего вышеуказанного новая система содержит мелкодисперсные частицы биоактивной стеклокерамики, которая и обеспечивает образование кристаллов гидроксиапатита на границе материал-периодонт по описанному выше механизму, обуславливающую высококачественную адгезию к дентину и герметичность обтурации. Кроме того, наличие частиц серебра, по некоторым данным, оказывает эффект «консервации» канала зуба. На сегодняшний день только MTA и биостекло, обладают аналогичными регенерирующими свойствами. Кристаллы гидроксиапатита образовываются именно при контакте с тканевой жидкостью (при резорбции апикальной части корня, при образовании микротрещин дентина, в просвете боковых и дополнительных микроканальцев и т.д.), но никак не при присутствии влаги, экссудата или биопленки, а корневом канале. Лабораторные исследования по данному разделу были представлены производителем (рис. 3, а-б). а) б) а) б) Рис. 3. Образование кристаллов гидроксиапатита при контакте с биологическими жидкостями и результаты их рентгенспектрального элементного анализа. а) GuttaFlow 2 б) GuttaFlow bioseal Отчетливо прослеживается наличие кальция и фосфора в спектре GuttaFlow bioseal (рис. 3), основных составляющих кристалла гидроксиапатита, так как сам материал не содержит ни кальция, ни фосфора. Конечно, наиболее эффектно результаты применения обтурационной системы с биоактивным стеклом выглядят при демонстрации клинических случаев (рис. 5-6). а) исходная ситуация; б) контроль обтурации; в) через 6 месяцев; г) через 9 месяцев; Рис. 5. Пациентка Г., 49 лет, зуб 4.6, этапы эндодонтического лечения. а) контроль распломбирования б) контроль сразу после обтурации в) через9 месяцев после обтурации Рис. 6. Пациентка Ф., 36 лет, зуб 3.7, этапы эндодонтического лечения. Таким образом, если представить всю процедуру лечения схематично, обтурационная система представляет собой имплантат, содержащий биостекло «на носителе», роль которого играет гуттаперчевая масса, помещенный в подготовленный корневой канал и контактирующий в определенных местах (апикальная часть, боковые ответвления, микротрещины и т.д.) с тканевой жидкостью. Именно в этих местах запускаются биологические и биохимические механизмы, описанные в начале статьи. К сожалению, регенерация костной ткани процесс не мгновенный, поэтому врачу приходится ждать результата примерно 9 месяцев. Но мы выражаем абсолютную уверенность в том, что его терпение будет полностью вознаграждено при оценке результатов лечения. Естественным условием успешной остеорегенерации является адекватная оценка исходной клинической ситуации, особенно общесоматического статуса организма (сахарный диабет, эндокринные заболевания, гипертоническая болезнь. ИБС, болезни кроветворной системы и т.д.). Выводы. Таким образом, перспективы успешности повторного эндодонтического лечения и лечения при нестандартной анатомии системы корневых каналов напрямую зависит от метода их подготовки и обтурации. И здесь, в связи с наличием костных дефектов на первый план выходит регенерационный подход к обтурации, где ведущую роль играют биологические свойства обтурационных материалов, в частности силеров. Активное применение биоактивных материалов в эндодонтии началось относительно недавно - примерно 10 лет назад. Более продолжительное их применение могут отметить челюстно-лицевые хирурги, имплантологи, пародонтологи. В каждой клинической ситуации костные дефекты имеют свои особенности, связанные с этиологией, протяженностью, общесоматическим статусом и другими факторами, что в свою очередь требует постоянной разработки и оптимизации существующих биоматериалов с заданными свойствами. Можно с уверенностью утверждать, что в настоящее время ключом успешности стоматологической патологии сопровождающейся костным дефектом является соответствие свойств выбранного биоматериала и медико-биологических характеристик костного дефекта.

About the authors

B R Shumilovich

Voronezh State Medical University

I S Bashtova

Voronezh State Medical University

A M Fonstein

Voronezh State Medical University

R V Selin

Voronezh State Medical University

References