Tooth Transformer | Гистологический и гистоморфометрический анализ 4 клинических случаев.

Аннотация

Введение

Матрикс дентина человека может успешно использоваться в качестве материала для костной пластики. Известно, что дентинные трансплантаты стимулируют пролиферацию остеобластов. Недавно был представлен инновационный метод подготовки аутологичного костнопластического материала с использованием специализированного автоматизированного устройства Tooth Transformer, позволяющего преобразовывать собственные удалённые зубы пациента в материал, пригодный для костной регенерации. Цель настоящей работы — проанализировать гистологические результаты четырёх последовательных клинических случаев, в которых для синус-лифтинга использовался аутологичный зубной трансплантат, полученный из целого зуба пациента.

Результаты

Через 4 месяца после операции костные дефекты были полностью заполнены вновь образованной тканью. Гистологическое исследование не выявило признаков воспалительной или инфекционной реакции на зубной трансплантат. Частицы зубного трансплантата были окружены вновь сформированной костной тканью. Некоторые гранулы оказались включёнными в костные трабекулы и имели признаки частичной резорбции. Это свидетельствует о том, что зубной трансплантат подвергается процессам ремоделирования аналогично собственной костной ткани организма.

Обсуждение

Результаты представленной серии клинических случаев показали, что зубной трансплантат хорошо интегрируется в регенерирующуюся ткань и не вызывает воспалительных или инфекционных реакций. Таким образом, собственный удалённый зуб пациента может использоваться в качестве аутологичного материала для костной регенерации, позволяя отказаться от применения костнопластических материалов инородного происхождения.

Введение

Метод использования зубных тканей в качестве костнопластического материала был впервые предложен более 50 лет назад Уристом (Urist) и соавторами, которые обнаружили остеоиндуктивный потенциал деминерализованного матрикса дентина [1–2]. Позднее Бессё (Bessho) и соавторы продемонстрировали наличие в матриксе дентина человека костных морфогенетических белков (BMP). В частности, после трансплантации деминерализованного матрикса дентина человека в мышечную ткань крыс наблюдалось образование костной ткани и появление остеобластов [3].

Было установлено, что как костная ткань, так и матрикс дентина содержат важнейшие факторы роста, необходимые для регенерации кости. Они являются эффективным резервуаром костных морфогенетических белков (BMP) и биологически активных факторов роста, таких как трансформирующий фактор роста β (TGF-β), которые играют ключевую роль в процессах восстановления костной ткани [4].

По мнению ряда исследователей, процесс деминерализации обеспечивает более эффективную костную регенерацию по сравнению с использованием недеминерализованного дентина [5].

Кроме того, химический состав костной ткани и дентина практически идентичен: обе ткани содержат неорганическую составляющую, представленную гидроксиапатитом, и органическую матрицу, основным компонентом которой является коллаген I типа, а также ряд других белков.

В отличие от аутологичного дентина, ксеногенные и аллопластические костнопластические материалы используются для костной аугментации уже более 35 лет, однако они выполняют преимущественно функцию механического каркаса (скаффолда) для клеток организма и не обладают выраженными остеоиндуктивными свойствами [6–9].

В ряде клинических исследований была подтверждена эффективность и безопасность применения аутологичного частично деминерализованного матрикса дентина, подготовленного непосредственно во время операции, для регенерации костной ткани в имплантологии. Метод успешно применялся при сохранении лунки после удаления зуба (socket preservation), аугментации альвеолярного гребня и увеличении объёма костной ткани при синус-лифтинге [10–11].

Недавно на рынке появилось инновационное медицинское устройство Tooth Transformer (TT Tooth Transformer Srl, Via Washington, 59, Милан, Италия), предназначенное для получения костнопластического материала из собственного удалённого зуба пациента. Аппарат полностью автоматизирует процессы дезинфекции, измельчения и деминерализации зуба, исключая вероятность ошибок, связанных с ручной обработкой материала.

Данное устройство представляет собой современное решение в области тканевой инженерии, позволяющее за короткое время преобразовать удалённый зуб в материал, пригодный для костной пластики. Полученный трансплантат обладает высокой смачиваемостью, благодаря чему его удобно моделировать и размещать в области костного дефекта.

В ранее опубликованной серии клинических наблюдений были продемонстрированы успешные результаты регенерации костной ткани после применения аутологичного зубного трансплантата, полученного с помощью устройства Tooth Transformer. Во всех случаях отмечалось полное заполнение костных дефектов вновь сформированной костной тканью без каких-либо осложнений [12].

Цель настоящего исследования — представить результаты гистологического и гистоморфометрического анализа регенерированной костной ткани после применения инновационной методики аутологичной костной пластики с использованием собственного зуба у 11 пациентов, которым выполнялось сохранение лунки после удаления зуба (socket preservation).

Материалы и методы

Удалённый зуб первоначально очищали от остатков зубного камня с помощью пьезоэлектрического инструмента. Поверхность корня полировали алмазными борами при обильном охлаждении. Все пломбировочные материалы (гуттаперча, композит и др.) тщательно удаляли. Затем зуб разделяли на небольшие фрагменты и помещали в измельчитель устройства.

В специальный отсек аппарата устанавливали одноразовый картридж с реагентами. Согласно данным производителя, используемые растворы обеспечивают максимальное высвобождение костных морфогенетических белков BMP-2 и коллагена, а также эффективную деконтаминацию тканей зуба. После установки всех компонентов и закрытия крышки устройство запускали с помощью главного выключателя. Через 25 минут деминерализованный дентинный трансплантат был готов к клиническому применению (TT Tooth Transformer Srl, Via Washington, 59, Милан, Италия).

В представленную серию наблюдений были включены четыре пациента (трое мужчин и одна женщина) в возрасте от 45 до 60 лет. Все пациенты были практически здоровы и не курили. Во всех случаях имелись показания к проведению синус-лифтинга. Во всех операциях костнопластический материал закрывали резорбируемой мембраной из свиного перикарда (BEGO Implant Systems GmbH & Co. KG, Wilhelm-Herbst-Straße, Бремен, Германия).

Непосредственно после операции выполняли контрольное рентгенологическое исследование. Клинические осмотры проводили через 10 и 30 суток для оценки процесса заживления. Спустя 4 месяца выполняли повторное хирургическое вмешательство с целью установки дентальных имплантатов. Подготовку ложа под имплантат осуществляли трепан-бором с внутренним диаметром 3 мм, что позволяло одновременно получить образец регенерированной костной ткани для каждого участка имплантации.

Полученные образцы немедленно фиксировали в 10%-ном нейтральном забуференном растворе формалина и направляли на гистологическое исследование. После дегидратации образцы последовательно пропитывали метилметакрилатной смолой: сначала в смеси 50 % этанола и смолы, затем в 100 % смоле, выдерживая каждый этап по 24 часа. После полимеризации блоки разрезали и шлифовали до толщины около 40 мкм. Для оценки степени зрелости и характера ремоделирования костной ткани применяли окраску толуидиновым синим.

Гистоморфометрический анализ выполняли путем цифровой обработки изображений, полученных с микроскопа с использованием цветной видеокамеры JVC TK-C1380 (JVC Victor Company, Йокогама, Япония) и системы захвата изображений. Снимки получали при увеличении ×10 по всей площади исследуемой поверхности. Последующий анализ проводили с помощью программного обеспечения IAS 2000 (Delta Sistemi, Рим, Италия). Для каждого образца анализировали два наиболее центральных среза.

Результаты

Через 4 месяца после операции костные дефекты были полностью заполнены вновь сформированной тканью. Во всех случаях клиническое обследование и рентгенологический контроль подтвердили полное заполнение дефектов костной тканью. Заживление мягких тканей после костнопластической операции протекало без осложнений. Признаков острых или хронических инфекционных процессов не выявлено.

Результаты гистоморфометрического анализа представлены в таблице 1. Клинические результаты данной серии случаев были опубликованы ранее [12].

Средняя доля вновь образованной костной ткани (BV%) составила 36,28 ± 9,77 %, а средняя доля остаточного трансплантата (RG%) — 14,61 ± 9,37 %.

Во время повторной операции, проведённой через 4 месяца после костной пластики, регенерированная ткань по своей плотности соответствовала кости средней плотности. При отслаивании слизисто-надкостничного лоскута частиц трансплантата в подслизистой соединительной ткани не обнаружено. Регенерированная ткань имела практически однородную структуру, а частицы зубного трансплантата визуально практически не различались. По тактильным ощущениям во время подготовки ложа под имплантат плотность сформированной кости соответствовала типу D3.

Таблица 1. Рентгенологические и гистоморфометрические показатели для каждого клинического случая

Гистологическое исследование не выявило признаков воспалительной или инфекционной реакции на зубной трансплантат. Частицы зубного трансплантата были окружены вновь сформированной костной тканью. Также наблюдалась незрелая (ретикулофиброзная, woven) костная ткань с многочисленными округлыми остеоцитами. В области губчатого костного вещества определялись крупные сосудистые каналы.

Обсуждение

На протяжении многих лет аутогенная костная ткань считается «золотым стандартом» в костной регенерации. Однако многочисленные исследования показали ряд недостатков её применения, включая травматизацию донорской области, выраженный послеоперационный болевой синдром и необходимость госпитализации пациента [13]. Кроме того, долгосрочная стабильность аутогенных костных трансплантатов остается предметом изучения, поскольку ряд авторов отмечает высокую степень их резорбции [14]. Для снижения этого эффекта некоторые исследователи рекомендуют смешивать аутогенную кость с частицами ксеногенных костнопластических материалов [15].

Идеальный костнопластический материал должен сохранять стабильность объема и одновременно стимулировать пролиферацию костеобразующих клеток и образование новой костной ткани [16].

Ксеногенные и аллопластические костнозамещающие материалы успешно применяются в дентальной имплантологии уже многие годы. Однако большинство авторов отмечают, что они выполняют преимущественно функцию механического каркаса (скаффолда) для миграции клеток и практически не обладают выраженными остеоиндуктивными свойствами [17–20].

Кроме того, химическая и физическая обработка, которой подвергаются ксеногенные материалы для удаления органических компонентов, разрушает белки, играющие ключевую роль в процессах регенерации костной ткани. Также нельзя полностью исключить потенциальный риск передачи прионных инфекций между животными и человеком.

Результаты настоящего исследования показали, что показатели объема вновь образованной костной ткани (BV%) после применения зубного трансплантата сопоставимы с результатами, представленными в международной литературе для других костнопластических материалов у человека [21–22].

При этом доля остаточного трансплантата (RG%), составившая 14,61 ± 9,37 %, оказалась ниже, чем аналогичные показатели для широко применяемых ксеногенных материалов [23]. Это свидетельствует о том, что зубной трансплантат подвергается физиологическому ремоделированию одновременно с процессом формирования новой костной ткани.

В опубликованном ранее систематическом обзоре, включавшем 108 исследований по применению аутологичных зубов в качестве костнопластического материала, сообщалось о выживаемости имплантатов на уровне 97,7 %, однако наиболее частым осложнением являлось расхождение краев послеоперационной раны [24].

В экспериментальном исследовании на животных было показано, что применение аутологичного деминерализованного матрикса дентина совместно с мембраной из политетрафторэтилена (PTFE) обеспечивает более быстрое формирование костной ткани по сравнению с использованием одной лишь PTFE-мембраны [25].

Многочисленные исследования показали, что деминерализованный дентин сохраняет собственные биологически активные факторы роста, включая остеопонтин, дентинный сиалопротеин и костные морфогенетические белки (BMP), благодаря чему способен стимулировать образование новой костной ткани, то есть обладает выраженными остеоиндуктивными свойствами [26–28].

Также было установлено, что такие факторы роста, как инсулиноподобный фактор роста (IGF), костный морфогенетический белок-2 (BMP-2) и трансформирующий фактор роста β (TGF-β), сохраняют свою активность в течение длительного времени. Это позволяет использовать для костной пластики зубы, удаленные много лет назад и сохраненные пациентом, например зубы мудрости или молочные зубы [29].

Явление дентоальвеолярного анкилоза, нередко наблюдаемое после реплантации зубов, служит дополнительным подтверждением остеоиндуктивных свойств деминерализованного матрикса дентина. Предполагается, что он функционирует как система медленного высвобождения костных морфогенетических белков (BMP).

Если остеокондукция представляет собой процесс роста костной ткани по поверхности материала, то остеоиндукция — это процесс запуска образования новой костной ткани за счет привлечения недифференцированных клеток и стимуляции их превращения в преостеобласты [30].

Как показано в настоящем исследовании, аутологичный зубной трансплантат способен стимулировать пролиферацию остеобластов и процессы остеоиндукции, одновременно полностью исключая риск передачи инфекций, характерный для материалов донорского или животного происхождения, включая потенциальную передачу прионов.

Инновационная технология подготовки трансплантата позволяет преобразовать собственный зуб пациента в костнопластический материал с сохранением органических компонентов, удалением загрязнений, способных вызвать воспалительные или инфекционные осложнения, и подготовкой минеральной основы, благоприятной для колонизации остеобластами.

Процесс деминерализации необходим для высвобождения факторов роста и белков, поскольку их выделение может быть ограничено присутствием кристаллов гидроксиапатита [31]. Уменьшение содержания минеральной фазы способствует более эффективному высвобождению этих биологически активных веществ из матрикса зуба [32].

Исследование in vitro, посвященное оценке костнопластического материала, полученного с помощью устройства Tooth Transformer из целого удаленного зуба.

Исследование in vitro показало, что процесс деминерализации приводит к увеличению биодоступности костного морфогенетического белка BMP-2 [33]. В последующей работе те же авторы продемонстрировали, что обработка молочных зубов с использованием устройства Tooth Transformer вызывает значительное снижение содержания кальция (Ca) и фосфора (P), при этом сохраняя нативную структуру и биологическую активность белков [34].

Кроме того, деминерализация существенно повышала биодоступность BMP-2, который, в свою очередь, эффективно усиливал активность щелочной фосфатазы и стимулировал остеогенную дифференцировку клеток линии SAOS-2 in vitro.

Полученные результаты также подтвердили полное отсутствие бактериальной контаминации в зубном трансплантате, подготовленном по технологии Tooth Transformer. Было показано, что BMP-2, обнаруженный во всех образцах деминерализованного дентина, включая молочные зубы, удалённые за много лет до исследования, сохраняет высокую биологическую активность и эффективно индуцирует остеогенную дифференцировку клеток.

Рисунок 1. Общий вид биоптата при малом увеличении. Визуализируются гранулы зубного трансплантата и вновь сформированная костная ткань. Окраска толуидиновым синим, увеличение ×8.

Рисунок 2. Вновь сформированные костные трабекулы и частицы зубного трансплантата. Окраска толуидиновым синим, увеличение ×25.

Рисунок 3. Незрелая (ретикулофиброзная, woven) костная ткань с многочисленными округлыми остеоцитами. (N) — участки остеоида. Некоторые гранулы дентина (D) включены в костные трабекулы и имеют признаки частичной резорбции, что свидетельствует о физиологическом ремоделировании зубного трансплантата по аналогии с собственной костной тканью. Окраска толуидиновым синим, увеличение ×100.

Рисунок 4. Гранула дентина размером приблизительно 200 × 500 мкм, полностью интегрированная в незрелую (woven) костную ткань и окружённая слоем формирующегося остеоида. Окраска толуидиновым синим, увеличение ×100.

Заключение

Гистологический анализ представленной серии клинических случаев продемонстрировал наличие процессов костной регенерации и отсутствие воспалительных реакций вокруг гранул дентина.

Во всех исследованных случаях трансплантат подвергался физиологическим процессам костного ремоделирования, демонстрируя хорошую интеграцию с тканями реципиентного ложа.

Для более точной оценки потенциала деминерализованных аутотрансплантатов дентина в области костной регенерации необходимы дальнейшие контролируемые рандомизированные исследования с длительным периодом наблюдения.

Литература

1. Yeomans JD, Urist MR (1967) Bone induction by decalcified dentine implanted into oral, osseous and muscle tissues. Arch Oral Biol 12(8): 999-1008.

2. Bang G, Urist MR (1967) Bone induction in excavation chambers in matrix of decalcified dentin. Arch Surg 94:781-789.

3. Bessho K, Tanaka N, Matsumoto J, Tagawa T, Murata M (1991) Human dentin-matrix-derived bone morphogenetic protein. J Dent Res70(3): 171-175.

4. Nakashima M (2005) Bone Morphogenetic proteins in dentin regeneration for potential use in endodontic therapy. CytokineGrowthfactorRev 16(3): 369-376.

5. Rijal G, Shin HI (2017) Human tooth-derived biomaterial as a graft substitute for hard tissue regeneration. RegenMed 12(3): 263-273.

6. Boyne PJ (1969) Experimental evaluation of the osteogenic potential of bone graft materials. AnnuMeetAmInstOralBiol 13-21.

7. Mellonig JT, Bowers GM, Cotton WR (1981) Comparison of bone graft materials. Part II. New bone formation with autografts and allografts: a histological evaluation. J Periodontol 52(6): 297-302.

8. Colnot C, Romero DM, Huang S, Helms JA (2005) Mechanisms of action of demineralized bone matrix in the repair of cortical bone defects. ClinOrthopRelat Res 435: 69-78.

9. Araujo MG, Sonohara M, Hayacibara R, Cardaropoli G, Lindhe J (2002) Lateral ridge augmentation by the use of grafts comprised of autologous bone or a biomaterial. An experiment in the dog. J ClinPeriodontol 29(12): 1122-1131.

10. Minamizato T, Koga T, I T, Nakatani Y, Umebayashi M, et al. (2018) Clinical application of autogenous partially demineralized dentin matrix prepared immediately after extraction for alveolar bone regeneration in implant dentistry: a pilot study. Int J OralMaxillofacSurg 47(1): 125-132.

11. Kim SY, Kim YK, Park YH, Park JC, Ku JK, et al. (2017) Evaluation of the Healing Potential of Demineralized Dentin Matrix Fixed with Recombinant Human Bone Morphogenetic Protein-2 in Bone Grafts. Materials (Basel) 7: 10(9).

12. Minetti E, Berardini M, Trisi P (2019) A new tooth processing apparatous allowing to obtain dentin grafts for bone augmentation: the tooth transformer. The Open Dentistry Journal 13: 6-14.

13. Liang F, Leland H, Jedrzejewski B, Auslander A, Maniskas S, et al. (2018) Alternatives to Autologous Bone Graft in Alveolar Cleft Reconstruction: The State of Alveolar Tissue Engineering. J Craniofac Surg 29(3): 584-593.

14. Esposito M, Grusovin MG, Felice P, Karatzopoulos G, Worthington HV, et al. (2009) The efficacy of horizontal and vertical bone augmentation procedures for dental implants - a Cochrane systematic review. . Eur J Oral Implantol Autumn 2(3): 167-184.

15. De Stavola L, Tunkel J (2013) A new approach to maintenance of regenerated autogenous bone volume: delayed relining with xenograft and resorbable membrane. Int J Oral Maxillofac Implants 28(4): 1062-1067.

16. Nampo T, Watahiki J, Enomoto A, Taguchi T, Ono M, et al. (2010) A New Method for Alveolar Bone Repair Using Extracted Teeth for the Graft Material J Periodontol 81(9): 1264-1272.

17. Guarnieri R, Testarelli L, Stefanelli L, De Angelis F, Mencio F, et al. (2017) Bone Healing in Extraction Sockets Covered With Collagen Membrane Alone or Associated With Porcine-Derived Bone Graft: a Comparative Histological and Histomorphometric Analysis. J Oral Maxillofac Res 8(4):4.

18. Ortiz-Vigón A, Suarez I, Martínez-Villa S, Sanz-Martín I, Bollain J (2018) Safety and performance of a novel collagenated xenogeneic bone block for lateral alveolar crest augmentation for staged implant placement. Clin Oral Implants Res 29(1): 36-45.

19. Mordenfeld A, Aludden H, Starch-Jensen T (2017) Lateral ridge augmentation with two different ratios of deproteinized bovine bone and autogenous bone: A 2-year follow-up of a randomized and controlled trial. Clin Implant Dent Relat Res 19(5): 884-894.

20. Troeltzsch M, Troeltzsch M, Kauffmann P, Gruber R, Brockmeyer P, et al. (2016) Clinical efficacy of grafting materials in alveolar ridge augmentation: A systematic review. J Craniomaxillofac Surg. 44(10): 1618-1629.

21. Meijndert L, Raghoebar GM, Schüpbach P, Meijer HJ, Vissink A (2005) Bone quality at the implant site after reconstruction of a local defect of the maxillary anterior ridge with chin bone or deproteinised cancellous bovine bone. Int J Oral Maxillofac Surg 34(8): 877-884.

22. Valentini P, Abensur D, Densari D, Graziani JN, Hammerle C (1998) Histological evaluation of Bio-Oss in a 2-stage sinus floor elevation and implantation procedure. A human case report. Clin Oral Implants Res 9(1): 59-64.

23. Ramírez Fernández MP, Mazón P, Gehrke SA, Calvo-Guirado JL, De Aza PN (2017) Comparison of Two Xenograft Materials Used in Sinus Lift Procedures: Material Characterization and In Vivo Behavior. Materials (Basel) 7: 10(6).

24. Gual-Vaqués P, Polis-Yanes C, Estrugo-Devesa A, Ayuso-Montero R, Mari-Roig A, et al. (2018) Autogenous teeth used for bone grafting: A systematic review. J. Med Oral Patol Oral Cir Bucal 23(1): 112-119.

25. Gomes MF, dosAnjos MJ, NogueiraTde O, Catanzaro Guimaraes SA (2002) Autogenous demineralized dentin matrix for tissue engineering applications: radiographic and histomorphometric studies. Int J Oral Maxillofac Implants 17(4): 488-497.

26. Butler WT, Mikulski A, Urist MR, Bridges G, Uyeno S (1977) Noncollagenous proteins of a rat dentin matrix possessing bone morphogenetic activity. J Dent Res 56(3): 228-232.

27. Ike M, Urist MR (1998) Recycled dentin root matrix for a carrier of recombinant human bone morphogenetic protein. J OralImplantol 24(3):124-132.

28. Um IW (2018) Demineralized Dentin Matrix (DDM) As a Carrier for Recombinant Human Bone Morphogenetic Proteins (rhBMP-2). Adv Exp Med Biol 1077: 487-499.

29. Schmidt-Schultz TH, Schultz M (2005) Intact growth factors are conserved in the extracellular matrix of ancient human bone and teeth: a storehouse for the study of human evolution in health and disease. Biol Chem 386(8):767-776.

30. Albrektsson T, Johansson C (2001) Osteoinduction, osteoconduction and osseointegration. Eur Spine J 10(2): 96-101.

31. Kim YK, Lee J, In-Woong Um, Kyung-Wook K (2013) Tooth derived bone graft material. Koreen ass oral max surg 39: 103-111.

32. Blum B, Moseley J, Miller L, Richelsoph K, Haggard W (2004) Measurement of bone morphogenetic proteins and other growth factors in demineralized bone matrix. Orthopedics 27(1): 161 -165.

33. Bono N, Tarsini P, Candiani G (2017) Demineralized dentin and enamel matrices as suitable substrates for bone regeneration. J Appl BiomaterFunct Mater 15(3): 236-243.

34. Bono N, Tarsini P, Candiani G (2018) BMP-2 and type I collagen preservation in human deciduous teeth after demineralization. J Appl BiomaterFunct Mater 17 (2): 2280800018784230.