New Directions in Intervertebral Disc Reconstruction - Cell Transplantation and Tissue Engineering
- Authors: Deev R.V.
- Issue: No 2 (2005)
- Pages: 48-50
- Section: Mini-reviews
- Submitted: 04.03.2023
- Accepted: 04.03.2023
- Published: 06.03.2023
- URL: https://genescells.ru/2313-1829/article/view/313389
- ID: 313389
Cite item
Full Text
Full Text
Дегенеративно-дистрофические заболевания позвоночника сопряженные с поражением связочно-суставного аппарата остаются не только весьма актуальной медицинской, но и социальной проблемой. При применении синдромального подхода установлено, что 60-80% людей в течении жизни испытывают стойкую боль в спине; большинство из них имеет патологию позвоночника, ассоциированную с поражением межпозвонковых дисков. Связанные с этим государственные издержки только в США, несколько лет назад, составляли около 100 миллиардов долларов в год [4, 6].
Межпозвонковый диск является хрящевым соединением позвонков, с возрастом приобретающий признаки симфиза (рис. 1).
Рис. 1. Схема строения позвоночного сегмента
Рис. 2. Строение межпозвонкового диска: 1— (А - субхондральная костная ткань позвонка; В - гиалиновая хрящевая пластника; С - волокнистая хрящевая ткань, образующая фиброзное кольцо; D - область студенистого ядра); 2 - ход коллагеновых волокон в периферической части фиброзного кольца; 3 - мощные пучки коллагеновых волокон в области студенистого ядра у взрослых особей. Окраска: гематоксилин и эозин Увеличение: 1,2*100, 3*250
Собственно диск расположен между тонкими прослойками гиалиновой хрящевой ткани, плотно прилегающими к костным замыкательным пластинкам смежных позвонков (рис. 2, 1 -В). Диск образован студенистым ядром, окруженным и плотно фиксированным фиброзным кольцом, построенным из фиброзной хрящевой ткани (рис. 2, 2).
Особенностью фиброзного хряща является преобладание коллагена I типа в отличие от остальных типов хрящевой ткани, для которых характерен коллаген-II, собранного в мощные циркулярно расположенные пучки, между которыми находятся тела хондроцитов (рис. 3).
Рис. 3. Волокнистая хрящевая ткань межпозвонкового диска. Между пучками коллагеновых волокон (окрашены эозином) лежат тела хондроцитов. Гликозоаминогликаны окрашены в голубой цвет. А - студенистое ядро. Окраска: альциановый синий и эозин. Увеличение: * 400
Основную функцию диска - амортизацию, осуществляет студенистое ядро. Взгляды на то, какой тканью оно образовано различны, что во многом связано с его эмбриогенезом и изменениями в ходе постнатального развития. Общепризнано, что ткань студенистого ядра является рудиментом хорды. В ходе эмбриогенеза скелетогенная мезенхима концентрируется вокруг сегментирующейся хорды. Из клеток мезенхимы дифференцируются хондроциты фиброзного кольца, которые окружают материал хорды и разделяют его на фрагменты. Сохранившиеся участки хорды и образуют материал студенистого ядра [2, 3]. Обособление материала хорды в эмбриогенезе происходит очень рано, поэтому какой материал является зачатком хорды, не вполне ясно. Экспериментами in vitro показано, что клетки хорды проявляют некоторые свойства эпителиальных тканей [5], в частности, в них присутствуют цитокератины (8 и 19 типов) [16]. Однако, также для них характерны поверхностные рецепторы к протеогликанам (CD44), виментин, синтез коллагена II типа (как для гиалинового хряща) [13, 15-17], что роднит хорду со скелетными тканями, имеющими мезенхимальное происхождение.
Недавно группа исследователей из Гейдельбергского университета [Германия] поставила цель сравнить клетки студенистого ядра и стромальные [мезенхимальные] клетки костного мозга [ССК/МСК] в монослойных культурах и трехмерных сфероидах для определения перспектив дальнейшего использования в тканевой инженерии дисков [14]. ССК культивировали в стандартной хондрогенной среде [TGF-beta, дексаметазон, аскорбат]. Изучали экспрессию генов хондрогенной дифференцировки, включая гены аггрекана, декорина, фибромодулина и олигомерного матриксного протеина хряща. Установлено, что в трехмерных сфероидах экспрессия была существенно выше, чем в монослойных культурах. Кроме того, при культивировании материала студенистого ядра и типичных механоцитов показаны различия в синтетической активности - клетки кольца синтезируют больше коллагена I, клетки ядра больше аггреканов. Ученые сделали вывод, что если студенистое ядро и фиброзное кольцо гистогенетически однородны, то обладают различной степенью экспрессии одних и тех же генов [14].
Благодаря повышенному содержанию воды студенистое ядро плохо сжимаемо, что обеспечивает гидравлическую амортизацию при прямохождении. Клеточный состав и физико-химические свойства межклеточного вещества у детей и взрослых существенно отличается. Вследствие трофического дефицита в клетках студенистого ядра постепенно происходят дегенеративно-дистрофические процессы и к 10 годам все клетки погибают, причем частью апоптозом [7]. Существует два предположения относительно функций клеток студенистого ядра. Согласно первому, клетки сами синтезируют компоненты межклеточного матрикса - коллаген II типа, аггрекан и другие гликозоаминогликаны. Согласно второму, они регулируют синтетическую деятельность окружающих ядро клеток [8]. В пользу последнего суждения свидетельствует тот факт, что после возрастной утраты клеток происходит постепенная дегидратация и фиброз ядер. В области бывшего студенистого ядра может формироваться полость объемом до 1,5 куб.см., что придает дискам сходство с симфизами [рис. 2, 3]. Вследствие уменьшения высоты диска, нагрузка распространяется на фиброзное кольцо, что приводит к его разволокнению. При резком повышении давления в этом сигменте элементы пульпозного ядра выпячиваются либо в позвоночный канал [рис. 4], либо проламывают костную стенку позвонка и пролабируют внутрь [грыжа Шморля].
Рис. 4. Схема формирования грыжи межпозвонкового диска
В первом случае большинству пациентов показано хирургическое лечение - дискэктомия. Хирургическим путем создается анкилоз двух позвонков [спондилодез] - костный блок. В этом сегменте позвоночник теряет подвижность, однако существенно на опорной функции позвоночника это не сказывается. Разработан консервативный метод лечения такой патологии - при помощи химопапаина, однако он малоэффективен [4]. Активно ведутся поиски биотехнологических подходов к решению этой проблемы.
Наиболее простым представляется выделение культуры клеток студенистого ядра, размножение их in vitro и последующее введение в поврежденный диск. В эксперименте показано, что при этом процесс дегенерации диска затормаживается, пересаженные клетки синтезируют элементы хрящевого матрикса [11, 12], что нельзя признать полноценным гистотипическим исходом регенерации в этом случае. Кроме того, проблемным является получение культуры клеток студенистого ядра, ведь у взрослых nucleus pulposus лишен клеток, следовательно, возникает вопрос об использовании аллогенных трупных фетальных клеток. Решением этой проблемы может стать использование клеток животных, тем более, что ткани межпозвонкового диска являются гиповаскулярными [8].
Украинские коллеги исследовали эффективность клеточной трансплантации на модели травматического повреждения диска у крыс [1]. В качестве клеточного материала использовали скелетогенную мезенхиму из зачатков конечностей эмбрионов крыс на 12-13 сутки. После короткого этапа культивирования клетки вносили в дефект из расчета 10 млн/мл в дефект. При помощи гистохимического и электронномикроскопического анализа установлено, что пересаженные клетки дифференцировались преимущественно в пре- и хондробласты. Через 90 суток зона дефекта была заполнена хрящевым регенератом. В целом диск после трансплантации характеризовался неизмененной высотой [1].
Поскольку в условиях in vitro и после трансплантаций in vivo воссоздать ткань студенистого ядра не удается, ряд авторов предлагают замещать утраченное ядро различными субстанциями с интегрированными в них хондроцитами. В качестве таких носителей предложены альгинаты, препараты полигликолевой кислоты, производные хитозана [9, 10].
Следует отметить, что технология клеточной реконструкции межпозвонкового диска только начинает разрабатываться. Принципиальным является гистогенетическая гетерогенность ткани студенистого ядра и фиброзного кольца межпозвонкового диска. Ключевыми проблемами являются выявление тканевой принадлежности клеток студенистого ядра. Очевидно, что если они являются производными хорды, имеющей особое эмбриональное происхождение, то трансплантация механоцитов не в состоянии привести к формированию полноценного по химическому составу матрикса студенистого ядра, способного к выполнению функции амортизации. Напротив, дифференцировка соединительнотканных предшественников в условиях сниженной трофики приведет к дополнительному склерозу диска, что и без трансплантаций наблюдают нейрохирурги-вертебрологи при дискэктомиях. Приемлемые клинико-биологические подходы к решению этих сложностей еще предстоит найти.
About the authors
R. V. Deev
Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation
References
Supplementary files
