Biohajoava tyrosiinipolymeeri ohjatussa luunmuodostuksessa

Tutkimuksen taustaa

Luiset puutokset ja ylä- tai alaleuan murtumat, jotka johtuvat esimerkiksi syöpäleikkauksesta, traumasta tai resorptiosta, asettavat lääketieteelle suuren haasteen toimivan purennan rekonstruoinnissa. Nykyään edellä mainitut luupuutokset korvataan lähinnä autologisella, omasta elimistöstä peräisin olevalla, luusiirteellä, joka kiinnitetään paikalleen yleensä elimistössä hajoamattomalla (biostabiililla) osteosynteesilevyllä ja ruuveilla. Biostabiili materiaali vaatii usein poistoleikkauksen, kun primääri vamma on parantunut. Tämä puolestaan lisää merkittävästi hoidon kustannuksia ja altistaa potilaan infektioille. Biohajoavien osteosynteesivälineiden lisäksi tutkitaan mahdollisuutta ohjata luun kasvua biohajoavien täyte- ja kalvomateriaalien avulla.

Biohajoavia materiaaleja on tutkittu jo 1960-luvulta lähtien. Biohajoavalla tarkoitetaan materiaalia, joka joutuessaan kosketuksiin elimistön kudoksien kanssa aloittaa vuorovaikutusprosessin, jonka seurauksena keinomateriaali korvautuu omalla kudoksella eikä näin ollen vaadi toista leikkausta materiaalin poistamiseksi. Tutkimusten tarkoituksena on ollut kehittää materiaali, joka aikaansaa kudoksessa mahdollisimman vähäisen tulehdusvasteen sekä säilyttää muotonsa ja lujuutensa niin pitkään, että oma kudos, esimerkiksi luu, ehtii uudistua tarpeeksi pystyäkseen hoitamaan tehtävänsä. Materiaalin tulisi myös hävitä kudoksesta aiheuttamatta vauriota ja olla helposti käsiteltävä sekä edullista valmistaa. Nykyisin käytössä olevilla, ja jo käytöstä poistuneilla, materiaaleilla on kuitenkin omat käyttörajoituksensa ja haittavaikutuksensa, joiden eliminoimiseksi tutkimusta tehdäänkin monella eri taholla niin Suomessa kuin muualla maailmassa.

Tutkimuksen tavoite ja menetelmät

Väitöskirjan tavoitteena oli selvittää tyrosiinijohdannaisen biohajoavan poly (desamino-tyrosyyli-tyrosiini etyyli-esteri karbonaatti) eli PDTE karbonaattikalvon soveltuvuutta alaleuan luupuutosten luuduttamiseen kaneilla.

Tutkimus toteutettiin tekemällä kaneille kriittisen koon ylittävä luupuutos leukakulmaan. Koska PDTE karbonaatin osteokonduktiivisuutta (luun muodostusta edistäviä ominaisuuksia) pidettiin aluksi riittämättömänä, toisella puolella käytettiin lisäksi biolasikuituja täyttämään defekti. Molemmat puolet suojattiin samanlaisilla PDTE karbonaattikalvoilla. Seuranta-aikoina käytettiin 6, 12 ja 24 viikkoa. Kontrollina käytettiin 52 viikon paranemista ilman kalvoa. Materiaalien pehmytkudosreaktioita tutkittiin asettamalla kanin selän pehmytkudokseen toiselle puolelle biolasi ja toiselle puolelle kalvo. Paranemista arvioitiin röntgenologisesti, tilastollisesti, histologisesti ja immunohistokemian menetelmin.

PDTE karbonaatti on erittäin hitaasti hajoava yhdiste, aikaisempien tutkimustulosten perusteella voidaan olettaa sen hajoamisen kestävän yli neljä vuotta. Entsyymit tai solut eivät osallistu hajotukseen, vaan se tapahtuu hydrolysoitumalla. Implanttien pinta-alan ja huokoisuuden ei ole myöskään huomattu vaikuttavan hajoamisnopeuteen. PDTE karbonaatti eroaa perinteisistä biohajoavista materiaaleista, kuten maitohapon ja glykolihapon polymeereistä, seuraavien ominaisuuksiensa osalta:

1. Se ei kerää merkittävästi vettä itseensä hajotessaan.
2. Sen hajoamisessa syntyvät vapaat monomeerit ovat hydrofobisia eli vettä hylkiviä.
3. Sen hajoamisessa implantin pinnalle muodostuu vapaita karboksylaattiryhmiä.
4. Sen hajoamisessa muodostuvat happamat tuotteet ovat sitoutuneina polymeeriin.
5. Materiaalin on osoitettu kykenevän sitoutumaan suoraan luuhun ilman implanttia ympäröivää sidekudoskapselia.
6. Se on amorfinen.

Tulokset

Poiketen alkuperäisestä olettamuksesta, PDTE karbonaatin osteokonduktiivisuuden riittämättömyydestä, todettiin vain PDTE karbonaattikalvoilla hoidetun leuan luutuvan nopeammin kuin jos mukana oli biolasia. Biolasilla ja kalvolla hoidetun luudefektin todettiin luutuvan hitaammin aina 12 viikkoon asti, jonka jälkeen ero ei enää ollut tilastollisesti merkittävä. Eron syy ei selvinnyt leukanäytteiden histologisen analyysin perusteella. Pehmytkudoksissa olleista biolasinäytteistä etsittiin syytä hidastuneeseen luutumiseen histologisella ja immunohistokemiallisilla analyyseillä. Bioaktiivisen lasin todettiin aiheuttavan voimakkaamman kudosreaktion kuin PDTE karbonaattikalvon ja etenkin seuranta-ajan alussa todettiin tulehdussoluja (eosinofiilejä ja makrofageja). Tämän lisäksi seuranta-ajan alussa todettiin kohonneita TIMP-1 ja -2 (tissue inhibitory proteinase) pitoisuuksia. Eosinofiilien esiintyminen viittaisi allergisen reaktion mahdollisuuteen, mitä ei kuitenkaan voitu muuten osoittaa. Kohonneet TIMP-pitoisuudet aktivoivat aikaisempien tutkimustulosten perusteella osteoklasteja ja näin voivat olla vastuussa hidastuneesta luutumisesta. Tutkimuksessa käytettiin biolasi 13-93 kuituja, jotka olivat sidottu kiinni toisiinsa kitosaanilla. Epäselväksi jäi, kumpi materiaaleista on aiheuttanut kuvatut reaktiot. Molempien on erikseen ja yhdistettynä muihin materiaaleihin kuvattu edistävän luutumista.

Yhteenveto

PDTE karbonaatin todettiin aiheuttavan erittäin lievän kudosreaktion ja mahdollistavan kriittisen koon ylittävien luupuutosten hoitamisen kaneilla. PDTE karbonaattikalvo ei tarvitse defektin täyttämistä biolasilla luutumisen nopeuttamiseksi. Materiaalia oli myös helppo käsitellä ja muotoilla paikalleen sopivaksi huoneen lämmössä. Tutkimustulokset rohkaisevat PDTE karbonaatin jatkotutkimista sellaisissa koejärjestelyissä, joissa perinteisillä biohajoavilla materiaaleilla on saatu vain välttäviä hoitotuloksia.

Bioabsorbable tyrosine-derived polycarbonate in guided bone regeneration. An experimental study

The aim of this study was to evaluate the suitability of a novel bioabsorbable material for use in guided bone regeneration. Experimental bone defects were created bilaterally in the mandibular angles of 20 rabbits. A poly (desamino tyrosyl-tyrosine ethyl-ester-carbonate) (PDTE carbonate) membrane was used to cover the defects. On one side the defects were also filled with bioactive glass mesh. The healing of the defects was evaluated radiologically and histologically. PDTE carbonate membrane and bioactive glass mesh were also implanted into the dorsal subcutaneous pouches of rabbits. Soft tissue reactions were evaluated by means of histology and immunohistochemistry.

Initially, ossification of the defects was faster without the bioactive glass mesh. However, toward the end of the follow-up period the difference between the two groups decreased. In the unfilled 52-week controls no ossification of the defects was detected. Therefore it can be concluded that PDTE carbonate membranes are sufficient to enhance ossification of critical-sized defects in rabbit mandibles. Throughout the study, PDTE carbonate membranes elicited a very modest foreign-body reaction. Bioactive glass 13-93 coated with chitosan implanted in soft tissues elicited a foreign-body granuloma with eosinophilic granulocytes. The presence of these cells in some of the samples suggests the possibility of an allergic reaction either to bioactive glass 13-93 or to chitosan.

The results of this study encourage further testing of PDTE carbonate membranes experimentally in situations where the use of conventional materials has led to compromised reconstruction.

Alkuperäisjulkaisut

I Asikainen AJ, Noponen J, Mesimäki K, Laitinen O, Peltola J, Pelto M, Kellomäki M, Ashammakhi N, Lindqvist C, Suuronen R. Tyrosine derived polycarbonate membrane is useful for guided bone regeneration in rabbit mandibular defects. J Mater Sci Mater Med 2005; 16: 753-8.

II Asikainen AJ, Noponen J, Lindqvist C, Pelto M, Kellomäki M, Pihlajamäki H, Suuronen R. Tyrosine derived polycarbonate membrane in treating rabbit mandibular defects. J R Soc Interface 2006; 3: 629-35.

III Asikainen AJ, Pelto M, Noponen J, Kellomäki M, Pihlajamäki H, Lindqvist C, Suuronen R. In vivo degradation of poly (DTE carbonate) membranes. Analysis of the tissue reactions and mechanical properties. J Mater Sci Mater Med (painossa).

IV Asikainen AJ, Hagström J, Sorsa T, Noponen J, Juuti H, Kellomäki M, Lindqvist C, Hietanen J, Suuronen R. Soft tissue reactions to bioactive glass 13-93 combined with chitosan. J Biomed Mater Res A (painossa).

Väitöskirja on luettavissa elektronisena Internet-osoitteessa [http://acta.uta.fi/teos.phtml?10926]

Tutkimusta on rahoitettu seuraavilla apurahoilla: EVO Projektit (TYH 1331, TYH 4307, TYH 5306, TYH 6104, TI 020 Y 0002 ja 9F075), Suomen Akatemia, TEKES, Puolustusvoimat, EU (European Union R&D Project QLRT-2000-00487) ja Suomen Hammaslääkäriseura Apollonia.