Οστική αναγέννηση: σύγχρονα θέματα και μελλοντικές στρατηγικές

Λεντή Άννα 

Ορθοπαιδικός Χειρουργός

 Τα οστά, όπως κάθε βιολογικός ιστός, μπορεί να καταστραφούν από  κάκωση, λοίμωξη καθώς επίσης και καρκινική προσβολή. Ο οστίτης ιστός όμως είναι ανάμεσα στους ελάχιστους ιστούς του ανθρωπίνου σώματος που διαθέτουν ενδογενώς την ιδιότητα να αναγεννώνται αυθόρμητα και να επιδιορθώνουν  την βλάβη  που υφίστανται , μέσα από την διαδικασία της οστικής αναγέννησης. Η οστική αναγέννηση περιλαμβάνει  τον συντονισμό μιας σειράς  από γεγονότα όπως μετανάστευση κυττάρων, διαφοροποίηση και ενεργοποίηση πολλαπλών κυτταρικών τύπων  και ιστών καθώς έξω και ενδοκυττάριων μορίων.

Όλα τα παραπάνω γεγονότα  συμβαίνουν σε μια αυστηρά καθορισμένη χωροχρονική αλληλουχία  προκειμένου να επιτευχθεί η βέλτιστη οστική επιδιόρθωση και η αποκατάσταση της σκελετικής λειτουργίας . Αντίθετα με ότι συμβαίνει σε άλλους ιστούς , η πλειοψηφία των οστικών κακώσεων επουλώνεται χωρίς τον σχηματισμό ουλώδους ιστού. Αυτό σημαίνει ότι τα οστά  κατά την αναγέννησή τους αποκαθιστούν  όλες οι προϋπάρχουσες  ιδιότητές τους σε τέτοιο βαθμό ώστε το νεοσχηματιζόμενο οστό προοδευτικά να μην διαφέρει από το γειτονικό μη τραυματισμένο οστό. 

Παρόλα αυτά όταν το οστικό έλλειμμα ξεπεράσει κάποιο κρίσιμο μέγεθος (κρίσιμο οστικό έλλειμμα) καθώς και σε σύνθετες κλινικές περιπτώσεις όπου η οστική αναγέννηση είναι διαταραγμένη , το οστό δεν μπορεί από μόνο του να αποκαταστήσει την βλάβη και τότε απαιτείται εξωτερική παρέμβαση.   Τα οστικά ελλείμματα που ξεπερνούν αυτό το κρίσιμο μέγεθος συνήθως επουλώνονται σχηματίζοντας ινώδη ιστό (ουλή).

 Η οστική ανακατασκευή αποτελεί ίσως ένα από τις παλαιότερες προκλήσεις που η ιατρική κουλτούρα και αργότερα ιατρική επιστήμη κλήθηκε να αντιμετωπίσει από την έναρξη της ιστορίας της ιατρικής . Πιο συγκεκριμένα , η ανακατασκευή μεγάλων οστικών ελλειμμάτων αντιπροσώπευε πάντοτε ένα μείζον κλινικό ζήτημα , τόσο για την δυσκολία της αποκατάστασής του όσο και για την συχνότητά του. Σήμερα ένας μεγάλος αριθμός θεραπευτικών μεθόδων είναι διαθέσιμος οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν είτε μόνες τους είτε σε συνδυασμό  για την ενίσχυση ή την διαχείριση αυτών των σύνθετων κλινικών καταστάσεων.

Οι σύγχρονες θεραπευτικές προσεγγίσεις για την αποκατάσταση των οστικών ελλειμμάτων μπορεί να χωριστούν σε δύο κύριες κατηγορίες:

  

1. Αυτές που περιλαμβάνουν οστικό μόσχευμα  κατά τις οποίες η οστική επιδιόρθωση στηρίζεται στην ιδέα της μερικής υποκατάστασης . Το οστικό υποκατάστατο στην περίπτωση αυτή αντικαθίσταται σταδιακά  από ιστό του ξενιστή με σκοπό την επούλωση της βλάβης . Ανάμεσα σε αυτές τις μεθόδους σαν θεραπεία εκλογής θεωρείται η χρήση οστικού αυτομοσχεύματος (The gold standard).

Το οστό αποτελεί τον δεύτερο σε συχνότητα μεταμοσχευόμενο ιστό μετά από το αίμα Σαν οστικό μόσχευμα ορίζουμε ένα εμφυτεύσιμο υλικό το οποίο προάγει την οστική επούλωση μόνο του ή σε συνδιασμό με άλλα υλικά μέσα από την διαδικασία είτε της οστεογένεσης  είτε της οστεοεπαγωγής ή της οστεοκαθοδήγησης .                        

Τα οστικά μοσχεύματα χωρίζονται σε τρεις κύριες κατηγορίες :

1. Τα αυτομοσχεύματα τα οποία και αποτελούν την πρώτη επιλογή ανάμεσα στα οστικά μοσχεύματα καθώς διαθέτουν όλες τις απαρραίτητες ιδιότητες που πρέπει να έχει ένα μόσχευμα όπως: ιστοσυμβατότητα και απουσία αντιγονικότητας .

2. Τα αλλομοσχεύματα που αποτελούν τα δεύτερα πιο συχνά χρησημοποιούμενα οστικά μοσχεύματα. Είναι ανθρώπινα οστικά μοσχεύματα μοσχεύματα που λάμβάνονται από ένα άτομο και μεταμοσχεύονται σε ένα άλλο  . 3.ξενομοσχεύματα Πρόκειται για μοσχεύματα που λάμβάνονται από ένα άτομο και μεταμοσχεύονται σε ένα άλλο άτομο διαφορετικού είδους (ζωικής προέλευσης). 

Διατατική οστεογένεση

Η διατατική οστεογένεση αποτελεί έναν τύπο in vivo οστικής ιστομηχανικής και είναι ανώτερη από τις άλλες μεθόδους οστικής αναγέννησης στην αντιμετώπιση των περιπτώσεων οστικής απώλειας  , αφού η τεχνική αυτή επιτρέπει την εκ νέου παραγωγή οστού χωρίς την χρήση οστικού μοσχεύματος. Παρόλα όμως μπορεί να παρουσιαστούν προβλήματα κατά την διάρκεια της θεραπείας όπως:  Ο παρατεταμένος χρόνος της διατατικής φάσης καθώς και της φάσης ουδετεροποίησης του αναγεννώμενου  πώρου , το κάταγμα του πώρου μετά την αφαίρεση του πλαισίου οι λοίμωξη στη θέση των βελονών, ο πόνος και το οίδημα του άκρο καθώς και ο κίνδυνος της σηπτικής αρθρίτιδας στις περιπτώσεις που βελόνες διέρχονται πλησίον άρθρωσης .

Η σύγχρονη έρευνα αποσκοπεί στην λύση των παραπάνω θεμάτων και στοχεύει : α.Στην επιτάχυνση του σχηματισμού νέου οστού , β.στην μείωση του χρόνου ουδετεροποίησης,, γ.της βελτίωση της ποιότητας του οστού και δ. της ελαχιστοποίησης του κινδύνου της ψευδάρθρωσης στο σημείο της προσάραξης.                               

Αγγειούμενη περόνη

Η αγγειούμενη περόνη μαζί με την οστεομεταφορά με την μέθοδο Ilizarov αποτελούν ακόμα τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μεθόδους για την αντιμετώπιση των μεγάλων οστικών ελλειμμάτων. Ανάμεσα στα  μειονεκτήματα της μεθόδου είναι η σημαντική νοσηρότητα στο σημείο λήψης του μοσχεύματος, η απαιτιτική μικροχειρουργική επέμβαση, ο παρατεταμένος χειρουργικός χρόνος καθώς και ο κίνδυνος κατάγματος ή ανεπαρκής υπερτροφία του μοσχεύματος. 

Τεχνική Masquelet

Αποτελεί μια εναλλακτική μέθοδο οστικής αναγέννησης και ανακατασκευής μεγάλων οστικών ελλειμμάτων.                  

Είναι μια επέμβαση δύο σταδίων η οποία συνδυάζει τόσο την ιδέα της βιολογικής μεμβράνης όσο και του σπογγώδους οστικού μοσχεύματος. Η βιολογική μεμβράνη δημιουργείται με την εφαρμογή ενός spacer τσιμέντου κατά το πρώτο στάδιο (δρα στηρικτικά και εμποδιζει την διείσδυση ινώδους ιστού στη περιοχή του ελλείμματος)το οποίο στο δεύτερο στάδιο δρα σαν ένας ‘θάλαμος’ ο οποίος θα υποδεχτεί το μη αγγειούμενο οστικό αυτομόσχευμα εμποδίζοντας την απορρόφησή του και επάγοντας την αγγειοποίησή του. Τα μειονεκτήματα της μεθόδου είναι ότι απαιτούνται δύο χειρουργικές  επεμβάσεις καθώς επίσης απαιτεί ποσότητα οστικού αυτομοσχεύματος που μπορεί να μην είναι διαθέσιμη . Δεν γίνεται ταυτόχρονη ιστογένεση όπως στην διατατική οστεογένεση και μπορεί να χρειααστούν επιπλέον επεμβάσεις προκειμένου να καλυφθούν ελλείμματα μαλακών μορίων.

Μεβμράνες καθοδηγούμενης οστικής αναγέννησης (GBR membrane)

Πρόκειται για μεμβράνες που συντίθενται στο εργαστήριο και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν μελλοντικά σαν ‘‘βιομιμητικό περιόστεο’’  για την ανακατασκευή κρίσιμων οστικών ελλειμμάτων.

Με την εφαρμογή τους σε μη μολυσμένες περιπτώσεις ή σε τραυματική απώλεια οστού  η παραδοσιακά δύο σταδίων επέμβαση (Masquelet) μπορεί να αντικατασταθεί από επέμβαση ενός σταδίου όπου η μεμβράνη λειτουργεί σαν  διατηρητής χώρου καθοδηγώντας την δημιουργία νέου οστού . Τα πρώτα αποτελέσματα των τρεχουσών κλινικών μελετών είναι ενθαρρυντικά  για την εφαρμογή τους σε ανθρώπους ενώ μένει ακόμα να απαντηθούν αρκετά ερωτήματα σχετικά με τις προϋποθέσεις της εφαρμογής τους.

Οστικές μορφογενετικές πρωτεΐνες (BMPs)

Οι ΟΜΠs αποτελούν τους πιο καλά μελετημένους αυξητικούς παράγοντες  της οστικής αναγέννησης . 

Ενορχηστρώνουν την έναρξη της οστεογένεσης και προκαλούν εκ νέου σχηματισμό νέου οστού σε ορθότοπες και έκτοπες θέσεις συμβάλλοντας με αυτόν τον τρόπο στην επούλωση κρίσιμων οστικών ελλειμμάτων. Σηματοδοτώντας την χημειοταξία ,τον πολλαπλασιασμό και  την διαφοροποίηση των οστεοπαραγωγικών κυττάρων επάγουν εν τέλει τον οστικό σχηματισμό από τα κύτταρα αυτά.                    

Κλινικές εφαρμογές των BMPs

Οι πρωτεΐνες αυτές έχουν μελετηθεί στην οστική αναγέννηση τόσο εναλλακτικά στη χρήση αυτόλογου οστικού μοσχεύματος όσο και σε συνδυασμό με αυτό με την μορφή επέκτασης του μοσχεύματος στην θεραπεία των ψευδαρθρώσεων και των οστικών ελλειμμάτων.

Υπάρχουν περιορισμοί και μειονεκτήματα των BMPs στην κλινική πράξη με τα περισσότερα να πηγάζουν από τις υπέρογκες δόσεις που απαιτούνται για την θεραπευτική αποτελεσματικότητα τους  . Ο έκτοπος σχηματισμός οστού στον σπονδυλικό σωλήνα , καθώς επίσης αυξημένος είναι ο κίνδυνος φγλεγμονής και οιδήματος .Υπάρχει επίσης δυνητικός κίνδυνος για ανάπτυξη νεοπλασιών ενώ η ικανότητά τους να διαπερνούν τον πλακούντα μπορεί να οδηγήσει σε τερατογενέσεις Το εξαιρετικά αυξημένο κόστος της χρήσης των ανασυνδιασμένων BMPs και η χρήση τους εκτός ενδείξεων που τα τελευταία χρόνια αποτελεί τουλάχιστον των 85% των επεμβάσεων που χρησιμοποιούνται. 

Οστική ιστο-μηχανική -Bone tissue engineering (BTE)

Το πεδίο αυτό εστιάζει σε εναλλακτικές μορφές  θεραπείας οι οποίες ιδανικά θα μπορούσαν να περιορίσουν τα θέματα που προκύπτουν από την εφαρμογή των σύγχρονων κλινικά εφαρμοζόμενων θεραπειών  . Αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για την οστική αναγέννηση , η οποία στοχεύει περισσότερο στην δημιουργία νέων ,  κυτταρο-καθοδηγούμενων , λειτουργικών ιστών παρά στην δημιουργία απλά ενός μη ζωντανού εμφυτεύσιμου ικριώματος. Η βασική στρατηγική της ΟΙΜ είναι η ενσωμάτωση ενός ή περισσοτέρων βασικών συστατικών απαραίτητα  για τον σχηματισμό οστού σε ένα εμφύτευμα. Τέτοια συστατικά είναι τα ικριώματα , τα οστεοπαραγωγικά κύτταρα ( μεσεγχυματικά βλαστικά κύτταρα) ,βιοδραστικοί παράγοντες ή γονίδια για να διεγείρουν κυτταρικό πολλαπλασιασμό και διαφοποποίηση ενώ θα καθοδηγούν την λειτουργία της ιστικής επιδιόρθωσης.

Τα οστικά ικριώματα (Bone tissue Scaffolds)είνα τρισδιάστατες(3D) βιοδιασπόμενες ακυτταρικές δομές που μπορούν να μιμηθούν τις ιδιότητες του εξωκυττάριου χώρου  , ενώ επίσης εξασφαλίζει το υπόστρωμα για κυτταρική σύνδεση και διέγερση της παραγωγής οστίτη ιστού in vivo. Αποτελούνται είτε από  : Φυσικά πολυμερή ,συνθετικά πολυμερή ,κεραμικά πολυμερή και βιοενεργά γιαλιά.

Νέες τεχνικές παραγωγής ικριωμάτων.

Οστικά ιστο-ικριώματα  και στρατηγική της μηχανομεταγωγής . Οι μηχανικές ιδιότητες όπως μηχανική αντοχή του ικριώματος επηρεάζει μια σημαντική ιδιότητα των οστικών κυττάρων που βρίσκονται σε επαφή με αυτό και  λέγεται μηχανομεταγωγή  :  μια διaδικασία δηλαδή όπου τα κύτταρα μεταδίδουν ή μετατρέπουν ένα  φυσικό μηχανικό σήμα σε βιοχημικό  που θα εκφραστεί σε κατάλληλη κυτταρική απόκριση .      

Η επίδραση της ακαμψίας του υποστρώματος στην διαφοροποίηση των βλαστικών κυττάρων.

Τα κύτταρα , ΄ αισθάνονται ΄ την ελαστικότητα του μεσοκυττάριου χώρο που τα περιβάλλει και μετατρέπουν αυτή τη πληροφορία σε μορφολογικές αλλαγές και συγκεκριμένη κυτταρική σειρά. Αυτό  αναδεικνύει  την σημασία της κυτταρικής διαφοροποίησης καθοδηγούμενης από την ελαστικότητα του υποστρώματος  σαν μια νέα και εκπληκτικά ευαίσθητο κυτταρικό ρυθμιστή.

Ικριώματα με χρήση νανοτεχνολογίας.

Κατά τον σχεδιασμό υψηλής λειτουργικότητας ικριωμάτων, είναι πολύ σημαντική η μίμηση των μοναδικών χαρακτηριστικών σε επίπεδο μικρο- και νανο κλίμακας.  Το μικροσκοπικό πορώδες του ικριώματος κατέχει ρόλο κλειδί στην οστεοεπαγωγικότητά του είναι δυνατόν με τεχνικές νανοτεχνολογίας να παραχθούν ικριώματα που να μιμούνται τις μικρο και νανο-ίνες του οστού.

Ικριώματα τρισδιάστατης εκτύπωσης .

Η τρισδιάστατη εκτύπωση έχει την ικανότητα να εκτυπώνει απευθείας πορώδες ικρίωμα με προσχεδιασμένο σχήμα , ελεγχόμενη σύσταση και πορώδες. Μερικά από αυτά τα ανόργανα ικριώματα είναι  βιοδιασπώμενα και έχουν αποδειχθεί ιδανικά για την ιστομηχανική των οστών και σε κάποιες περιπτώσεις μαζί με αυξητικούς παράγοντες και ως φορείς φαρμάκων.

Η μειωμένη μηχανική αντοχή τους αποτελεί το μεγαλύτερο πρόβλημα των κεραμικών ικριωμάτων τρισδιάστατης εκτύπωσης  και περιορίζει την εφαρμογή  τους σε περιπτώσεις μη φορτιζόμενων περιοχών  .

Η ανάπτυξη προσωποποιημένου  και εξατομικευμένου  σχήματος οστικών μοσχευμάτων έχει ανοίξει νέους δρόμους στην κλινική εφαρμογή της ιστομηχανικής των οστών.

Ο συνδυασμός σχεδιασμού με την βοήθεια υπολογιστή(CAD)  καθώς και η υποβοηθούμενη από υπολογιστές παραγωγή (CAM),  η ιστομηχανική έχει την ικανότητα να παράγει ικριώματα επί παραγγελία καθώς και εξατομικευμένα σύνθετης αρχιτεκτονικής ικριώματα για την αποκατάσταση  σύνθετων οστικών ελλειμμάτων.

Οστική αναγέννηση με χρήση βλαστοκυττάρων.

Η προσέγγιση βασιζόμενη στην χρήση κυττάρων στοχεύει πρωτίστως στα πρώιμα στάδια της οστικής ανακατασκευής κατά τα οποία η κινητοποίηση των σκελετικών αρχέγονων  κυττάρων είναι επηρεασμένη. Μερικοί τύποι βλαστικών κυττάρων που προάγουν την οστική αναγέννηση είναι : Μεσεγχυματικά βλαστοκύτταρα ,Εμβρυικά βλαστοκύτταρα,  Επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα  από λιπώδη ιστό και βλαστοκύτταρα από νεογιλά δόντια . Οι χαρακτηριστικές ιδιότητες των βλαστικών κυττάρων είναι η ικανότητά τους για παρατεταμένη ή και απεριόριστη ανανέωση κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες και η δυνατότητα να διαφοροποιούνται σε μια ποικιλία εξειδικευμένων κυτταρικών τύπων. Ο ιστός που προσφέρεται εύκολα για την λήψη βλαστοκυττάρων είναι ο μυελός των οστών.                                                                

Τα βλαστοκύτταρα ενηλίκων από συμπυκνωμένο μυελό των οστών (BMAC) : λαμβάνονται με σχετικά απλή διαδικασία με παρακέντηση της λαγόνιας ακρολοφίας ( λεκάνης του ασθενούς) και αναρρόφηση με ειδική βελόνη λαμβάνεται μικρή ποσότητα μυελού των οστών που στην συνέχεια φυγοκεντρείται για τον διαχωρισμό των βλαστοκυττάρων από τα υπόλοιπα κύτταρα.                                                                     Πλάσμα εμπλουτισμένο με αιμοπετάλια (PRP).                         

Παρότι δεν πρόκειται για πηγή βλαστικών  κύτταρων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν πηγή αυτόλογων αυξητικών παραγόντων  με συνεργική δράση προστιθέμενα σε δομές οστικής ιστομηχανικής για την ενίσχυση της οστικής  αναγέννησης.                              Εφαρμογές κυτταρικής θεραπείας                                                                  Ελάχιστης επεμβατικότητας κυτταρική θεραπεία για συμπαγείς ή ανευρυσματικές κύστεις μέσω διαδερμικής εμφύτευσης του αυτόλογου μυελού των οστών( 80% επιτυχία θεραπείας), ενίσχυση της οστική σπονδυλοδεσίας, θεραπεία άσηπτης νέκρωσης  (AVN) , μετατραυματική ψευδάρθρωση κνήμης.

Γονιδιακή θεραπεία

Η γονιδιακή θεραπεία  αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη μέθοδο που εφαρμόζεται στο πεδίο της οστικής ιστομηχανικής για την απελευθέρωση  αυξητικών παραγόντων   . 

Η μεταφορά των θεραπευτικών  γονιδίων στα κύτταρα στόχους γίνεται με ειδικούς φορείς , ιικούς ή μη τα οποία θα παράγουν στην συνέχεια  τους επιθυμητούς βιοδραστικούς παράγοντες για μεγάλο χρονικό διάστημα.

 Η γονιδιακή θεραπεία  για την οστική αναγέννηση διαιρείται σε έμμεσες ή κυτταρικές  και σε άμεσες ή  ακυτταρικές στρατηγικές . Στις έμμεσες ex vivo τεχνικές απαιτείται συλλογή κυττάρων από ιστό του ασθενούς , γενετικό μετασχηματισμό αυτών στο εργαστήριο και στην συνέχεια επιστροφή πίσω στον ίδιο ασθενή. Στις άμεσες τεχνικές το γονίδιο μέσω του φορέα του εισάγεται απευθείας στην θέση της οστικής βλάβης είτε σαν ελεύθερο εναιώρημα είτε ενσωματωμένο σε κάποιο υπόστρωμα.

Τα πλεονεκτήματα της γονιδιακής θεραπείας έναντι της μεταφοράς πρωτεϊνών αφορούν στην άνεση να εκφράζεται η πρωτείνη τοπικά κα εστιασμένα ,και για μεγάλες χρονικές περιόδους  το χαμηλότερο κόστος. Η γονιδιακή μεταφορά σε αντίθεση με την χρήση πρωτεινικών παραγόντων όπως οι οστικές μορφογενετικές πρωτεΐνες, πετυχαίνει την απελευθέρωση πολύ μικρότερων ποσοτήτων νεοσχηματιζόμενης  πρωτείνης (BMP-2 ) της τάξεως των nanogram οι οποίες καταναλώνονται τοπικά μειώνοντας τις πιθανές παρενέργειές τους σε άλλες απομακρισμένες ανατομικές θέσεις.                                                                Εφαρμογές γονιδιακής θεραπείας. Μελέτες με BMP-2  γονιδιακά μετασχηματισμένα οστικά κύτταρα οστικού μυελού καθώς και καλλιέργειες γονιδιακά  μετασχηματισμένων με BMP-7 περιοστικών κυττάρων έχουν δείξει την ικανότητά τους να ενισχύουν την αποκατάσταση μεγάλων οστικών ελλειμμάτων σε ποντίκια  .

Η γονιδιακή θεραπεία αποτελεί πολλά υποσχόμενη θεραπεία για κλινικές εφαρμογές στο μέλλον όμως πρώτα πρέπει να αποδειχθεί ασφαλής για τον άνθρωπο.

Γονιδιακή θεραπεία και ορθοπαιδική. 

Χαμένοι στην μετάφραση ?

Οι κλινικές εφαρμογές της γονιδιακής θεραπείας στα οστά δεν φαίνεται να γίνεται στο άμεσο μέλλον  . Δεν υπάρχει κανένα προιόν εγκεκριμένο από το FDAενώ λίγες κλινικές μελέτες είναι σε εξέλιξη και μόνο μία για ρευματοειδή αρθρίτιδα έχει ολοκληρώσει την δεύτερη φάση της . Οι περιορισμοί φια την επίτευξη αυτού του στόχου είναι τόσο οικονομικοί όσο και ρυθμιστικοί , κοινωνιολογικοί αλλά κυρίως η έλλειψη ενός αξιόπιστου οδικού χάρτη που να περιγράφει λεπτομερώς πως θα φτάσουμε εκεί . (C.H. Evans et al,2013)

Το μέλλον..

Νέες στρατηγικές όπως αυτή της γονιδιακής θεραπείας , της πολυθεραπείας με την χρήση ικριωμάτων , παραγόντων που προάγουν την επούλωση  ,βλαστοκυττάρων και τέλος της τρισδιάστατης εκτύπωσης  βρίσκονται σε προκαταρκτικά ακόμα στάδια αλλά στο κοντινό μέλλον μπορούν να προσφέρουν νέες  συναρπαστικές εναλλακτικές θεραπείες .