Современные представления об остеоинтеграции дентальных имплантатов (обзор литературы)
П.В. Иванов, Н.И. Макарова, Н.В. Булкина, Л.А. Зюлькина
Аннотация.
Популярность стоматологической реабилитации с использованием метода дентальной имплантации обусловливает интерес исследователей к изучению интеграции имплантатов в костной ткани. Целью настоящей работы является проведение анализа и систематизация данных российских и зарубежных публикаций по проблеме остеоинтеграции титановых имплантатов.
Анализ литературы показывает, что совершенствование технологий исследования и междисциплинарный подход к изучению феномена остеоинтеграции дентальных имплантатов в последние годы привели к изменению традиционных представлений по данной проблеме. Обобщаются сведения о физиологических процессах и клеточных взаимодействиях, протекающих на границе «имплантат костная ткань» на разных этапах интеграции. Приводятся результаты исследований, свидетельствующие о необходимости пересмотра представлений о биоинертности титановых имплантатов и рассмотрения процесса интеграции в иммунологическом аспекте.
Ключевые слова: остеоинтеграция, дентальная имплантация, остеобласт, контактный остеогенез.
P. V. Ivanov, N. I. Makarova, N. V. Bulkina, L. A. Zyul'kina/ MODERN VIEWS ON THE OSSEOINTEGRATION OF DENTAL IMPLANTS (LITERATURE REVIEW)
Abstract.
The popularity of orthopedic treatment using the method of dental implantation causes the interest of researchers to study the integration of implants in bone tissue.
The purpose of this work is to analyze and systematize the data of Russian and foreign publications on the problem of osseointegration of titanium implants.
Analysis of the literature shows that the improvement of research technology and interdisciplinary approach to the study of the phenomenon of osseointegration of dental implants has led to a change in traditional concept in recent years. This article summarizes information about the physiological processes and cellular interactions occurring on the border "implant-bone tissue" in various stages of integration. The results of studies indicate the need for revision notions of bioinertness of titanium implants and consideration of the integration process in the immunological aspect.
Keywords: osseointegration, dental implantation, osteoblast, contact osteogenesis.
Сегодня дентальная имплантация успешно применяется для ортопедической реабилитации пациентов при различных вариантах дефектов зубных рядов. Актуальность данного метода стоматологического лечения продиктована высокой распространенностью частичного и полного отсутствия зубов и потребностью пациентов в эффективном восстановлении целостности зубочелюстной системы в условиях возрастающих требований к эстетике и комфорту. Мировой опыт использования протезирования с опорой на дентальные имплантаты демонстрирует возможность применять этот метод в различных клинических ситуациях (как для несъемного протезирования, так и для улучшения фиксации съемных конструкций) и при этом добиваться прогнозируемого успеха в лечении [1-5].
Неуклонный рост популярности дентальной имплантации в последние десятилетия обусловливает все больший интерес исследователей к изучению механизмов интеграции имплантата в костной ткани. Традиционно наиболее благоприятным способом интеграции считается остеоинтеграция, которую основоположник современной дентальной имплантологии, определил как «очевидное прямое (непосредственное) прикрепление или присоединение живой костной ткани к поверхности имплантата без внедрения прослойки соединительной ткани» [6]. Ее достижение считается необходимым условием успеха протезирования с опорой на имплантаты в долгосрочной перспективе [1, 7, 8].
Феномен остеоинтеграции был открыт случайно, при изучении микроциркуляции в костной ткани с помощью маленькой оптической камеры, хирургически внедренной в большеберцовую кость кролика. Более чем за четыре десятилетия, следующих за этим открытием, была накоплена и продолжает пополняться обширная научная база данных, описывающих механизмы интеграции имплантата в костной ткани [9-14].
А. А. Кулаков с соавт. (2012) предлагает рассматривать интеграцию имплантата в костную ткань как динамический процесс взаимодействия живого и неживого при условии достижения равновесия компенсаторно-приспособительных и гомеостатических механизмов, что позволяет живому и мертвому сосуществовать в единой системе. Критериями успеха такого взаимодействия является отсутствие воспалительных, некротических и аллергических процессов в периимплантатных тканях, т.е. отсутствие реакций отторжения; формирование морфофункциональных детерминант интеграционного процесса в зоне контакта между имплантатом и окружающей тканью (в случае дентальной имплантации остеоподобного или костного вещества); относительная стабильность указанных детерминант во времени [15].
Согласно литературным источникам, выделяют следующие способы организации тканей на границе имплантат/кость:
остеоинтеграция это непосредственный контакт кости с поверхностью имплантата;
фиброостеоинтеграция подразумевает наличие соединительнотканной прослойки между собственно костью и имплантатом, состоящей из коллагеновых волокон и грубоволокнистной соединительной ткани;
соединительнотканная интеграция, возникающая в случае, когда поверхность имплантата окружена волокнистой соединительной тканью.
В литературе первые два варианта описываются как нормальная реакция кости на внедрение имплантата, а последний рассматривается как его отторжение.
Длительное время общепризнанной теорией остеоинтеграции остается теория ретракции кровяного сгустка «Blood clot retraction theory» [10, 16].
Согласно данной теории первой фазой процесса остеоинтеграции является остеокондукция, суть которой сводится к миграции и прилипанию мезенхимальных клеток и остеобластов к поверхности имплантата через остаток кровяного тромба. Вторая фаза, остеоиндукция, подразумевает непосредственное образование кости, отложение минеральных солей во вновь сформированном костном матриксе. Завершающим этапом регенерации кости вокруг имплантата является ремоделирование, длительный процесс перестройки, складывающийся из чередующихся циклов резорбции и образования костной ткани.
Введение имплантата в кость является хирургической травмой для ткани, вследствие которой развиваются воспаление, начальные проявления резорбции и запускается каскад сосудисто-тканевых реакций с последующей регенерацией. Важную роль в этом процессе играют состояние сосудистого русла и уровень кровоснабжения в зоне повреждения. В условиях ишемии возникает тенденция к образованию фиброзной и хрящевой тканей вместо формирования костных структур [1, 7, 17, 18].
Установлено, что даже при закручивании имплантата на высоких оборотах и достижении хорошей первичной стабильности во время позиционирования имплантата, между ним и окружающей костью имеется зазор до 60 мкм. В зависимости от степени травматичности операции в последующем он может увеличиваться до 100-500 мкм на некоторых участках. Это пространство заполнено кровью и тканевой жидкостью, которые являются источниками биологически активных веществ и белков, необходимых для инициации процесса остеоинтеграции имплантата. Хотя различные свойства поверхности имплантата могут влиять на состав и конформацию связывающих белков, рецепторы мембран клеток взаимодействуют с поверхностью титана, и в конечном итоге происходит первоначальное прикрепление к ней клеточных элементов [19, 20].
На начальном этапе остеоинтеграции в процессе распознавания и адгезии клеток на поверхности имплантата активное участие принимают внеклеточный белок фибронектин и трансмембранные гетеродимеры интегрины [21, 22].
Из крови, излившейся из сосудов костного ложа имплантата, формируется сгусток, включающий тромбоциты, фибрин, сосудистые факторы роста, трансформирующий фактор роста, инсулиноподобный фактор роста и др. Данные компоненты стимулируют образование новых сосудов и заживление костной ткани [18, 23].
Сеть волокон фибрина обеспечивает возможность миграции остеогенных клеток под действием факторов роста, синтезируемых тромбоцитами, на поверхность имплантата. Факторы роста привлекают фибробласты и другие недифференцированные клетки в зону фибриновой матрицы, а также стимулируют их дифференциацию [24].
Особенности течения этого этапа во многом определяют дальнейшую интеграцию имплантата. Плотное прикрепление кровяного сгустка к поверхности имплантата и образование фибриновых «мостиков» между ним и жизнеспособной костью создают условия для пролиферации остеогенных клеток вдоль нитей фибрина по направлению к имплантату и образования кости de novo на поверхности самого имплантата контактного остеогенеза, основного механизма остеоинтеграции [25].
Учитывая значимость площади и плотности прикрепления компонентов крови и элементов костной ткани к поверхности имплантата на инициальных стадиях интегративного процесса, необходимость наличия развитой топографии и микрорельефа поверхности внутрикостной части дентального имплантата на сегодня не подвергается сомнению. Для создания сложной топографии поверхности с оптимальными показателями шероховатости применяются различные методы обработки, которые можно разделить на два принципиальных подхода:
обработка поверхности имплантата с помощью физических или химических факторов (пескоструйная обработка, протравливание кислотами, лазерная обработка и др.);
напыление на поверхность биологически активных компонентов, стимулирующих костеобразование (гидроксиапатит, трикальцийфосфат, аминокислоты и др.) [26-32].
Однако интеграция имплантата только путем контактного остеогенеза представляется своеобразной идеальной моделью. Вероятнее всего, на разных участках интерфейса «кость имплантант» параллельно протекают процессы контактного и дистантного остеогенеза. При этом для последнего характерно образование костной ткани не на поверхности дентального имплантата, а на поверхности окружающей его кости. Остеогенные клетки имплантатного ложа продуцируют костный матрикс в направлении поверхности имплантата [18, 33].
Прикрепление остеобластов к поверхности имплантата наблюдается уже в первые дни после его установки. Остеобласты синтезируют ряд белковмаркеров остеогенеза, таких как остеопонтин, остеокальцин, сиалопротеин, способствующих адгезии остеогенных клеток на поверхности имплантата, а также закреплению минеральных соединений во вновь образованном органическом матриксе кости. Затем начинается построение коллагеновой матрицы непосредственно на поверхности имплантата, отложение остеоподобного вещества, в дальнейшем трансформирующегося в костное [34-36].
Минерализация кости связана с накоплением ионов кальция и фосфора во вновь образованном костном матриксе, и помимо кальций-связывающих белков в ней принимают участие фосфолипиды и хондроитинсульфат основного вещества [37].
Молодая костная ткань в дальнейшем подвергается длительной структурной перестройке. Данная стадия, ремоделирование кости, объединяет два разнонаправленных процесса резорбцию костного вещества и образование новой кости.
Резорбция незрелой кости происходит преимущественно в результате воздействия матриксных металлопротеиназ, секретируемых остеокластами. При этом отмечается повышение активности фермента кислой фосфатазы. Построение новой кости в направлении имплантатной поверхности происходит благодаря высокой функциональной активности клеток остеобластического ряда и сопровождается экспрессией щелочной фосфотазы [38, 39].
Процесс ремоделирования тесно связан с условиями нагрузки имплантата и в итоге приводит к замещению незрелой костной ткани функционально более полноценной структурой. Результатом структурной перестройки является соединение новообразованной кости с окружающим губчатым веществом [40].
Междисциплинарные исследования в иммунологии и имплантологии за два последних десятилетия существенно обогатили и углубили представления о механизмах репаративной регенерации костной ткани, в том числе при имплантации. В 2012 г. были опубликованы результаты работы L. Chen и K. Rahme, показавшие способность титана образовывать наночастицы в воде при комнатной температуре [41].
Растет количество публикаций, отражающих изменения рецепторного аппарата клеток иммунной системы, в результате воздействия наночастиц металлов [42, 43]. Экспериментально установлено, что частицы оксидов титана, железа, кремния могут подвергаться фагоцитозу. Данное исследование, а также целый ряд публикаций [44-49] демонстрируют необходимость рассмотрения сплавов металлов не с позиции «биоинертности», а с точки зрения их иммунологической совместимости с тканями организма.
Опираясь на зарубежные и собственные исследования, В. В. Лабис, Э. А. Базикян (2016) показали, что имеет место эмиссия наноразмерных частиц с окисного слоя поверхности дентальных имплантатов различных фирмпроизводителей (Nobel Replace, Astra Tech, Straumann, MIS, Alfa-Bio и др.). Образуя конъюгаты с белками плазмы крови, данные наночастицы затем представляются иммунокомпетентным клеткам. Взаимодействия клеток в периимплантатных тканях в дальнейшем определяют адаптивную иммунную реакцию, которой отводится регуляторная функция в определении хода репаративного остеогенеза. Также авторами предложена методика проведения теста активации базофилов периферической крови супернатантами наночастиц металлов с поверхности дентального имплантата, что позволит в каждом клиническом случае производить выбор имплантационной системы исходя из индивидуальной чувствительности пациента к тому или иному материалу [50].