Tiettyjen elimistössä hajoavien polymeerien kudossopivuus luupuutosten täyttömateriaalina

Tutkimuksen taustaa

Luupuutoksia voi leukojen alueelle syntyä monista eri syistä. Luuta voidaan menettää mm. onnettomuuksien sekä erilaisten infektioiden seurauksina. Hyvän- ja pahanlaatuisten kasvainten poiston ja muiden kirurgisten leikkausten yhteydessä menetetään usein myös luukudosta ja luuta tarvitaan lisää esim. synnynnäisten epämuodostumien korjausleikkauksissa. Erityisesti leukojen alueella luun tarve on lisääntynyt keinojuurten asettamisen yhteydessä, mikäli oman luun leveys tai korkeus ei ole riittävä implantin kiinnittämistä varten. Hampaiden tukikudossairauksien vuoksi menetetään myös hammasta ympäröivää luuta, jolloin hampaan kiinnitys heikkenee.

Pienet luupuutokset paranevat normaalisti ja korvautuvat elimistössä omalla luulla. Tämä vie normaalisti joitakin kuukausia leukojen alueella. Mikäli luupuutos on suuri, elimistö ei kykene korvaamaan puuttuvaa luuta, vaan alueen luupuutos jää pysyväksi ja alueelle kasvaa pehmytkudosta. Tällaisen luupuutoksen korjaamiseen tarvitaan leikkaustoimenpide sekä luuta korvaavia materiaaleja.

Luupuutoksissa voidaan luuta korvaavana materiaalina käyttää omaluusiirrettä, luovutettua luusiirrettä tai toisen henkilön luusta tehtyä luuvalmis-tetta. Tämän lisäksi voidaan käyttää mm. erilaisia kalsiumfosfaattiyhdisteitä, bioaktiivista lasia tai erilaisia elimistössä liukenevia ja liukenemattomia polymeereja. Polymeereihin voidaan yhdistää esimerkiksi bioaktiivista lasia tai kalsiumfosfaattiyhdisteitä, jolloin niitä kutsutaan komposiiteiksi.

Luupuutosten hoidossa on omaluusiirre paras vaihtoehto, jonka ominaisuuksiin muita materiaaleja verrataan. Luusiirre otetaan tavallisimmin suoliluusta, mutta luovutuskohtana voi myös olla kallo, sääriluu, ala- tai yläleuka sekä poskiluu. Huonona puolena voidaan pitää omaluusiirteen vaatimaa toista leikkauskohtaa varsinaisen toimenpidekohdan lisäksi, mistä voi aiheutua lisäkomplikaatiota potilaalle. Lisäksi luusiirteet yleensä pienentyvät kooltaan asettamisen jälkeen. Luupuutos voidaan myös korjata käyttämällä toiselta henkilöltä saatua luuta. Luovuttajalta saatu luusiirre voi olla tuore, tuorepakastettu, kylmäkuivattu tai demineralisoitu. Tulevaisuudessa luovutettua luuta voivat toimittaa EU:n direktiivin mukaisesti ainoastaan luvan saaneet laitokset eli ns. kudospankit. Ennen direktiivin voimaantuloa haittana voidaan pitää luuvalmisteiden laadun vaihtelua sekä niiden rajoitettua saatavuutta. Lisäksi toiset potilaat kieltäytyvät vieraalta henkilöltä otetusta siirrännäisestä.

Kliinisessä käytössä ovat myös kalsiumfosfaattiyhdisteet, joista tunnetuimmat ovat elimistössä lähes liukenematon hydroksiapatiitti ja liukeneva trikalsiumfosfaatti. Kalsiumfosfaattia sisältäviä materiaaleja on saatavina useina kaupallisina valmisteina. Niiden haittapuolina voidaan pitää käsiteltävyyttä sekä kykyä muodostaa tai auttaa uudisluun muodostuksessa, joka ei ole verrannollinen omaluusiirteeseen.

Elimistössä hajoavia polymeerejä on kehitetty jo yli 30 vuoden ajan ja ne ovat tällä hetkellä kliinisessä käytössä esimerkiksi ommelmateriaalina ja murtuman korjauksissa käytettävinä levyinä ja ruuveina. Ne hajoavat elimistössä myrkyttömiksi yhdisteiksi eivätkä vaadi poistoleikkausta. Niillä voidaan korvata, lisätä tai tukea elimistön omaa kudosta väliaikaisesti. Kudoksen parantuessa hajoaa elimistölle vieras materiaali ja korvautuu vähitellen omalla kudoksella. Kaikki vieraat materiaalit aiheuttavat elimistössä kuitenkin puolustusreaktion, jota kutsutaan vierasesinereaktioksi. Kun kudokseen asetetaan vierasta materiaalia, saapuvat paikalle puolustussolut sekä makrofagit, jotka yrittävät hajottaa elimistölle vierasta yhdistettä. Yleensä vieraan materiaalin hajottaminen ei onnistu heti täydellisesti ja tästä on seurauksena krooninen tulehdusreaktio. Tämä reaktio ei yleensä ole kliinisesti merkityksellinen, mutta mikroskoopilla arvioituna voi sen voimakkuus vaihdella. Mitä kudosystävällisempi elimistöön asetettu materiaali on, sitä pienempi ja vähäisempi on sen aiheuttama reaktio kudoksessa.

Tutkimuksen tavoite

Tutkimuksen tavoitteena oli arvioida elimistössä liukenevan ja elimistössä hajoavan polymeerin soveltuvuutta pienten ja leukojen alueen suurten luupuutosten täyttömateriaaliksi sekä arvioida niiden aiheuttamia kudosreaktioita ja hajoamisaikaa. Tutkimukseen valittiin tarkoituksella kaksi hyvin erilaista polymeeria. Poly (orto esteri) liukenee vähitellen pintaosistaan kudokseen asettamisen jälkeen, kun taasen e-caprolaktoni-laktidi-kopolymeerissa hajoaminen tapahtuu koko materiaalissa yhtäaikaisesti. Näillä eri hajoamistavoilla ajateltiin olevan merkitystä niiden aiheuttamiin kudosreaktioihin.

Menetelmät

Tehdyssä työssä tutkittiin kiinteän poly (orto esterin) (POE), tahnamaisen e-caprolaktoni/D,L-laktidi-kopolymeerin sekä tahnamaisen e-caprolaktoni/D,L-laktidi-kopolymeerin ja ß-trikalsiumfosfaatin (komposiitti) kudossopivuutta koe-eläinmalleilla. Koe-eläinten seuranta-aika vaihteli yhdestä viikosta 52 viikkoon. Polymeerit ja komposiitit asetettiin luuhun sekä pehmytkudokseen. POE:ta oli kahta erilaista, POE 140:tä ja POE 46:tta, jotka erosivat toisistaan sekä molekyylipainoltaan, että rakenteeltaan. POE:t steriloitiin kahdella eri menetelmällä, gamma- ja etyleenioksidisteriloinnilla. Komposiitissa A oli kopolymeerin ja trikalsiumfosfaatin suhde 50:50 ja komposiitissa B 27:73. Luunäytteet tutkittiin histologisesti ja röntgenologisesti ja pehmytkudosnäytteet histologisesti, immunohistokemiallisesti sekä elektronimikroskoopilla.

Tulokset

POE 140 aiheutti lievästä kohtalaiseen tulehdusreaktion luussa ja sen hajoamisaika oli kahdeksan viikkoa gammasteriloiduilla polymeerilla ja 13 viikkoa etyleenioksidisteriloidulla polymeerilla. POE 46 aiheutti kohtalaisen tulehdusreaktion luussa ja sen hajoamisaika oli yli 24 viikkoa. Gammasteriloitu POE hajosi nopeammin kuin etyleenioksidisteriloitu POE. Kopolymeeri aiheutti kohtalaisen tulehdusreaktion luussa ja sen hajoamisaika oli yli vuoden. Komposiitti A aiheutti kohtalaisen tulehdusreaktion luussa ja sen hajoamisaika oli yli neljä kuukautta. Komposiitti B aiheutti kohtalaisen tulehdusreaktion luussa ja sen hajoamisaika oli yli vuoden. Kaikki tutkitut polymeerit ja komposiitit aiheuttivat ns. vierasesinereaktion. Solunulkopuolisten glykoproteiinien, tenaskiinin ja fibronektiinin, esiintyvyys todettiin suhteellisen alhaiseksi kaikilla tutkituilla materiaaleilla. Sidekudoksen rakenne oli normaali elektronimikroskoopilla arvioituna.

Johtopäätökset

Kiinteä gammasteriloitu POE 140 voisi sopia luudefektien täyttömateriaaliksi lyhyen hajoamisajan ja sen aiheuttaman lievän/kohtalaisen tulehdusreaktion vuoksi. Kiinteä materiaali oli kuitenkin hankala muotoilla. Kopolymeerin hajoamisaika oli liian pitkä ja käsiteltävyys huono. Komposiittiin A lisättiin kopolymeerista saatujen huonojen tulosten vuoksi trikalsiumfosfaattia lyhentämään sen hajoamisaikaa. Komposiitti A vaikuttikin lupaavalta materiaalilta asetettuna pieneen luudefektiin ja tämän vuoksi trikalsiumfosfaatin osuutta komposiitissa B lisättiin. Komposiitti B:n hajoamisaika oli kuitenkin liian pitkä suuressa alaleuan luudefektissä. Lisäksi se aiheutti kohtalaisen/voimakkaan tulehdusreaktion. Kumpaakaan komposiittia ei voi suositella luupuutosten täyttömateriaaleiksi. On kuitenkin odotettavissa, että tulevaisuudessa elimistössä hajoavien ja ei-hajoavien polymeerien kehittyminen sekä kantasoluhoidot avaavat täysin uusia mahdollisuuksia leukojen alueen suurten luupuutosten hoidossa.

Evaluation of the Biocompatibility of Poly (ortho ester), Copolymer of e-caprolactone/D,L-lactide and the Composite of Copolymer of e-caprolactone/D,L-lactide and Tricalciumphosphate as Bone Filling Material

The purpose of this series of studies was to evaluate the biocompatibility of solid poly (ortho) ester (POE), a copolymer of e-caprolactone and D,L-lactide (copolymer) and a composite of the copolymer and ß-tricalciumphosphate (composite) as bone filling material. In addition, the resorption times were examined. The copolymer and the composites were in paste form, and they were implanted into bone defects and soft tissue of experimental animals. The follow-up times were from one week to 52 weeks. The bone samples were evaluated histologically and the soft tissue samples histologically, immunohistochemically and electronmicroscopically.

The results showed that the resorption time for gamma-sterilized POE 140 was eight weeks. The resorption time for POE 46, however, was more than 24 weeks. For both POEs the gamma-sterilized rods started to erode from the surface faster than the ethylene oxide-sterilized rods. With POE 140 the inflammation in bone was slight to moderate, and with POE 46 it was moderate. With the copolymer, in small bone defects, bone healing at the sites of implantation was slower than at control sites. The resorption time for the copolymer was over one year. The amount of inflammation in bone was mostly moderate. With the composite, in small and large mandibular bone, bone healing at the sites of implantation was also slower than at the control sites. During the observation period, the ultrastructure of the connective tissue was normal.

It can be concluded that gamma-sterilized POE 140 could be suitable material for filling small bone defects. The degradation times of the copolymer and the composites were, however, too slow. Therefore, the copolymer and the composites cannot be recommended as bone filling material.

Osajulkaisut

I Ekholm M, Salo A, Syrjänen S, Laine P, Lindqvist C, Kellomäki M, Virtanen I, Suuronen R. Biocompatibility of solid poly (ortho ester). J Mater Sci Mater Med 1997; 8: 265-9.

II Ekholm M, Helander P, Hietanen J, Lindqvist C, Salo A, Kellomäki M, Suuronen R. A histological and immunohistochemical study of tissue reactions to solid poly (ortho esther) in rabbits. Int J Oral Maxillofac Surg 2006 (painossa).

III Ekholm M, Hietanen J, Lindqvist C, Rautavuori J, Santavirta S, Suuronen R. Histological study of tissue reactions to e-caprolactone-lactide copolymer in paste form. Biomaterials 1999; 20: 1257-62.

IV Ekholm M, Hietanen J, Lindqvist C, Rautavuori J, Santavirta S, Salo A, Seppälä J, Suuronen R. Mixture of e-caprolactone-lactide copolymer and tricalciumphosphate: a histological and immunohistochemical study of tissue reactions. J Mater Sci Mater Med 1999; 10: 69-74.

V Ekholm M, Hietanen J, Tulamo R-M, Muhonen J, Lindqvist C, Kellomäki M, Suuronen R. Tissue reactions of subcutaneously implanted mixture of e-caprolactone-lactide copolymer and tricalciumphosphate. An electron microscopic evaluation in sheep. J Mater Sci Mater Med 2003; 14: 913-8.

VI Ekholm M, Hietanen J, Tulamo R-M, Muhonen J, Lindqvist C, Kellomäki M, Suuronen R. The copolymer of e-caprolactone-lactide and tricalciumphosphate does not enhance bone growth in mandibular defect of sheep. J Mater Sci Mater Med 2006; 17: 139-45.

Väitöskirjatyötä ovat taloudellisesti tukeneet MATINE, Suomen Hammaslääkäriseura Apollonia sekä Suomen Kulttuurisäätiö (Aino ja Einari Haakin rahasto).